关于对太阳能采暖建筑的热负荷模拟分析

晋 文，王新如，吴金顺，钟 君，杨美媛，潘 嵩，魏 鋆，张维亚，潘天泉

(1.北京节能环保中心，北京 100029;2.华北科技学院建筑工程学院，北京东燕郊 101601;3.北京工业大学，北京 101100)

1 概述

计算机模拟是预测及分析建筑能耗和性能的最经济有效的方法之一。热负荷是选取太阳能设备、运行调节、系统评价等方面的基础资料。热负荷的大小直接关系到采暖系统能耗的多少，也是建筑施工必须考虑的重要因素之一。热负荷大，能量消耗大;热负荷小，能量消耗小。

Dest是由清华大学开发的建筑模拟分析软件(designer＇s simulation toolkits)［1］。可用于建筑能耗模拟分析和环境控制系统的设计校核，起到提高设计质量、保证设计可靠性、对如何降低建筑及系统能耗、保证建筑环境质量具有重要的指导作用。

2 建筑模型建立及条件设置

2.1 建筑模型的建立

建立一栋两层的小别墅，位于北京农村地区，两层的平面图一样。每层高3m，宽10m，长12 m，建筑面积为120 m2。建筑方向向为南北走向，窗都为外窗，门为外门，门的尺寸为1.5 m×2 m，窗的尺寸为2 m×2 m。室内设有客厅、卧室、厕所、设备室、楼梯间和走廊。如图1所示。

图1 建筑模型一层层平面图

在进行热负荷模拟计算时，我们研究某些因素的变化对负荷的影响程度，如:窗墙比，墙的类型、墙的厚度、保温层厚度等对热负荷的影响。其它的参数如:门、、内墙、地板的材料等都使用Dest系统提供的默认值［2］。如下表1所示:

表1 Dest默认材料参数

2.2 建筑热负荷特征

对上述的建筑模型，使用Dest软件进行冬、夏季设计日房间采暖负荷和空调逐时负荷的计算，各个房间冬、夏季的室内设计温度分别为18℃和25℃，室外气象参数采取北京市的室外设计参数，房间均无灯光、人员、设备等内扰，室内外无通风换气。

采暖季从11月16日开始，到次年的3月5日结束，这段时间建筑的逐时动态热负荷见图2:

图2 建筑的逐时动态热负荷

图中1～1537 h、7405～8485 h为供暖期。

从图2可以看出，在采暖季大部分时间建筑的热负荷都在15 kW以下，最大热负荷为16 kW。

根据模拟计算的结果，最大热负荷产生在第439小时，即第 19天早上7时，为16.46 kW。图3是采暖季典型日负荷变化的曲线图。从图中可以看出在早上七点热负荷达到最大，然后慢慢减小，到中午13点时达到极小值，中午时间变化不大，而到下午热负荷就慢慢增大了。

图3 采暖季典型日热负荷变化图

3 建筑因素对热负荷的影响

3.1 窗墙比对房间热负荷的影响规律

窗墙(面积)比是窗户洞口面积与房间立面单元面积(即房间层高与开间定位线围成的面积)的比值［3］。

在以上模型的基础上，分别修改窗墙比为0.3、0.4、0.5、0.6 和0.7，使用Dest软件对不同窗墙比下的建筑模型进行模拟。算出各个房间的热负荷，然后用其中一个房间的负荷变化进行比较。比较结果如图4所示:

图4 房间热负荷随窗墙比变化图

图4中横坐标为模拟房间的窗墙比，纵坐标为房间单位面积热负荷指标(W/m2)。

由图4可以看出，从房间单位面积热负荷指标和窗墙比的离散点所形成的曲线来看，这5个点近乎成一条直线，因此可由数据拟合出线性关系。随着窗墙比的变大，Dest软件模拟出房间的热负荷逐渐变小。也就是说，采暖季累计热负荷随窗墙比的增大而减少。所以在满足建筑功能美观的前提下适当减少窗墙比数值对于降低建筑能耗有一定意义。

3.2 保温层厚度对房间的影响规律

在以上模型的基础上，将外墙分别加上20厚、40厚、60厚、80厚和100厚的聚脂板保温层，使用软件对不同保温层厚度下的建筑模型进行模拟。算出各个房间的热负荷，然后用其中一个房间的负荷变化进行比较。比较结果如图5所示:

图5 房间热负荷随保温层厚度变化图

图5为该建筑的某房间在北京的气候条件下，在6种外墙保温方式下的建筑的房间单位面积热负荷指标随保温层厚度的变化。当保温层厚度超过一定厚度时(60 mm)，不同保温层位置下的建筑房间单位面积热负荷差别不大;当保温层厚度较小时，随着保温层厚度的增加建筑房间单位面积热负荷会急剧下降，但当保温层厚度增大到一定程度后，再增加保温层厚度对建筑全年累计冷热总负荷的影响会很小。

3.3 保温层位置对房间热负荷的影响规律

在模型的基础上，分别在外墙上加厚聚苯板的外保温和加厚聚苯板的内保温，使用两种软件对不同保温层位置下的建筑模型进行模拟比较。比较结果如图6所示:

图6 房间热负荷随保温层位置变化图

由图6可知，随着保温层位置由外保温变为内保温，Dest软件模拟出的房间负荷的差异不大，图形看上去变化很大，但其纵坐标热负荷数值变化并不大。所以保温层的位置对室内辐射热负荷影响不大。

3.4 不同外窗玻璃类型对房间室内辐射放热的影响规律

玻璃作为一种透明性的围护结构构件，在现代的建筑中应用的越来越多，有的建筑甚至四个朝向都是玻璃幕墙，这样由于太阳辐射以及室内外温差传热对建筑室内热负荷的影响更不容忽视［4－8］。

在以上模型的基础上，分别用以下窗户类型建筑模型进行模拟。模拟各种不同的外窗玻璃类型对建筑能耗的影响，外窗玻璃参数如下表2所示:

表2 外窗玻璃参数

使用软件对不同外窗玻璃类型下的建筑模型进行模拟。算出各个房间的热负荷，然后用其中一个房间的负荷变化进行比较。比较结果图7所示:

图7 房间热负荷窗户类型变化图

由上图可知，采用普通6mm单层玻璃的房间单位面积热负荷最大，采用中透低辐射玻璃的房间单位面积热负荷最小。

玻璃不仅仅引起传热，还有光入射、与室外空气的辐射换热等引起的热负荷，所以负荷不是单因素变量。从上面的图形可以看出，玻璃的传热系数对于采暖季累计热负荷的影响更大些。

4 结论

1)在一定的窗墙比范围内，供暖季累计热负荷随窗墙比的增大而减少，可由数据拟合出线性关系;

2)当保温层厚度较小时，随着保温层厚度的增加建筑房间单位面积热负荷会急剧下降，当保温层厚度超过一定厚度时，再增加保温层厚度对建筑全年累计冷热总负荷的影响会很小;3)保温层的位置对室内热负荷影响不大;4)窗体类型的传热系数与房间热负荷基本呈线性关系;

5)总体上看，窗墙比、保温层厚度对建筑热负荷影响显著。

［1］ 清华同方股份有限公司研究开发中心 Dest商业版［CP/DK］.http://wwwdesteomen:2004.

［2］ 燕达，谢晓娜，宋芳婷.建筑模拟技术与Dest发展简介［J］.暖通空调，2004，7:48 －56.

［3］ 吴祥生，付祥钊，谭平.重庆市既有公共建筑能耗调查分析［J］.暖通空调，2010，1:8 －13.

［4］ 刘洋.居住建筑能耗动态模拟研究与能耗计算软件的开发［D］.天津:天津大学，2014.

［5］ 谢晓娜，宋芳婷，燕达.江亿建筑环境设计模拟分析软件第讲建筑动态热过程模型［J］.暖通空调，2004，8:35－47.

［6］ 陈戈，王如竹，代彦军.太阳能地板辐射采暖系统的实验与数值模拟分析［J］.能源技术，2005，2:77 －80.

［7］ Yan Da.Building environment design simulation software DEST(1):an overview of developments and information of building simulation and DEST［J］. 暖通空调.2004.

［8］ 庄楚强，吴亚森.应用数理统计基础［M］.广州:华南理工大学出版社，2002.

［9］ Renewable energy sources in figures［R］.Berlin:Federal Ministry for the Environment，2005.