基于 DeST 的典型居住建筑能耗模拟及节能分析

2018-05-18崔丽丽

建筑热能通风空调 2018年3期

崔丽丽

中铁十八局集团第四工程有限公司

夏热冬冷地区夏季闷热，冬季湿冷。尤其是在长江以南，由于冬季没有集中供热，大部分居住建筑都采用其他取暖方式，所以能耗较为复杂。因此，本文选择国内长江以南一典型夏热冬冷城市作为研究对象，分析当地典型居住建筑运行能耗的组成，并对建筑的稳态热负荷计算和逐时热负荷模拟，提出发展节能建筑降低建筑运行能耗的建议。

1 建筑概述及参数选取

1.1 建筑概述

本文取国内一典型夏热冬冷城市某居民住宅为研究对象，南北朝向，建筑面积为 141m2，采暖面积为91.5m2，层高为 3.0m，共两层，无地下室，屋顶采用平屋顶。建筑体形系数为0.54。图1为该别墅的DeST模型图。

图1 模型DeST三维图

1.2 参数选取

遵照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准（JGJ134-2010）》（以下简称《标准》），对于夏热冬冷地区而言，居住建筑通过采用增强建筑围护结构保温隔热性能和提高采暖，空调设备能效比的节能措施，在保证相同的室内热环境指标的前提下，与未采取节能措施前相比，采暖、空调能耗应节约50%。由此选取适当的围护结构，围护结构参数详见表1。由于规范中对于不同窗墙比的传热系数要求不同，且对于东西外窗的遮阳系数SC值需≤0.45。因此在 6+14A+6 Low-E玻璃型号中选取东、西、北外窗参数，选取真空镀膜复合中空玻璃（2(Low-e)+0.1+3+9+6）作为南外窗。

表1 建筑围护结构参数

1.3 参数验证与确定

由于本建筑的体形系数为0.54，大于规范的限值0.52，因此，根据规范的要求，需要对建筑物的耗热量进行验证。

建筑物耗热量指标是由单位建筑面积上单位时间内通过建筑物围护结构的传热量、单位时间内建筑物空气换气耗热量和单位建筑面积上建筑物内部得热量组成，根据《标准》，在室外计算平均温度为1.8 ℃时，建筑物耗热量指标为12.8 W/m2。对于室内热扰，规范中取值为3.8 W/m2，并没有温度要求。由此可知，在去除室内热扰，建筑物的单位面积耗热量应当为两者之和，即12.8+3.8=16.6 W/m2。根据此建筑物单位面积耗热量，先利用天正暖通对建筑负荷进行计算。

表2 建筑围护窗墙比

通过计算发现：在上述围护结构的情况下，计算所得建筑物耗热量指标要高大概6 W/m2。由此可知，体形系数对建筑物的能耗也有着不小的影响，当体形系数无法满足要求时，应当适当调整窗墙比和围护结构的保温层厚度。本文选用的建筑在此围护结构的条件下无法达到节能建筑的标准，需要进行调整。最终将建筑窗墙比修改如表2。

经计算，修改后的建筑单位面积耗热量指标恰好为16.6 W/m2，满足规范要求。将围护结构参数设置到DeST中。

对窗户设置浅色窗帘。将采暖房间室内温度恒定设置为18℃ （即设置为连续采暖）。对于室内人员、灯光（DG）、设备（SB）等的作息，采用DeST的默认值，分别对平时（PS）和周末（ZM）进行设置（卫生间内不设置设备）。将参数设置完成后分别进行模拟。

2 模拟结果与数据处理

2.1 建筑耗热量分析

在开始标准模拟前，同样对室内热扰进行设置，使其参数设置为 0，在此条件下 DeST 的建筑物单位面积耗热量为12.9 W/m2。输出DeST中采暖季日平均温度后发现， DeST在采暖季的日平均温度为 3.19 ℃，与室内的温差为 14.81 ℃，相对于规范中的 1.8 ℃，温差在数值上要高。究其原因：规范中所采用的采暖天数为 92 天，而 DeST 所取为整个采暖季，因此 DeST 中所得温差是规范值的 91%。将 91%作为修正系数对DeST的建筑单位耗热量进行处理可得计算所得采暖季热负荷指标为14.1 W/m2，符合规范要求。

设置DeST的室内发热量，对稳态算法对其进行模拟。与规范所给值列表如表3：

表3 建筑耗热量指标

由表3可知，室内热扰设置恰好满足规范要求，模拟的建筑单位面积耗热量，尽管与传统算法的值可能因为程序内部问题有所不同，但都合乎规范要求。因此，可以对其进行正常模拟计算。

2.2 日平均温度对应负荷

在稳态热负荷计算中，我国所取得采暖室外计算温度是历年平均不保证 5天的日平均温度[3]。而在逐时负荷模拟中，采暖季内每一时刻的室外温度都被计算出来。因此，需要对逐时负荷进行处理才能得到所需日平均温度以及对应的负荷。

对于日平均温度tw′，其中在计算中应为24 h 温度的平均值，即：

而在负荷计算中，热负荷Q为：

对于t w′-t n，其实可以看作是 24 个逐时温度分别与室内温度做差取平均值，即：

因此，日平均温度对应的负荷值也就是 24 个逐时负荷值的平均值。

利用上述结论对所得负荷值进行处理，以模拟的节能 75%的建筑负荷为例，按照不保证5 天的日平均温度的方法，将温度最低的5天的日平均温度及其对应负荷去掉，剩下的温度最低的一天为2月11日，室外温度为 -4.45 ℃，模型热负荷为 2.71 kW，即不同节能状态对应的稳态热负荷值。

在冬季，由于室外温度的波动导致热负荷实际是变化的。在采暖期间，供热设备如果一直按照峰值负荷来运行，会造成严重的资源浪费。因此，在进行模拟供热时，需要考虑不同室外温度值的占比下对应的负荷值。表4为在采暖季中每阶段室外日平均温度最大值对应的负荷情况：

表4 每阶段室外日平均温度最大值对应负荷

由表 4 可以发现，室外温度与负荷的变化情况并不相同：与室外温度最低值对应稳态热负荷相比，室外温度逐渐升高，负荷值有的升高，有的反而降低。因此，可以肯定，不仅仅是温度，还有其他因素影响负荷的变化。

在此情况下，将每日的太阳负荷之和进行统计，提取对应日期的太阳负荷值进行分析，如表5所示：

表5 每阶段室外日平均温度最大值对应太阳辐射

结合表4和表5可以发现，太阳辐射对于负荷影响很大，太阳辐射越强，冬季采暖时热负荷越小。因此，不能通过单纯的分析室外温度来得出模拟运行时负荷情况。由于采暖房间的设置计算温度为18 ℃，因此无法从室内温度波动来进行分析，只能从日平均负荷来入手。在实际工程中，往往用所求稳态负荷值的百分比值来作为采暖季不同阶段调控采暖系统的主要依据，即以稳态热负荷为基准，分别乘以不同的系数作为采暖期不同阶段的热负荷值。以表 6为例：

表6 不同比例的稳态热负荷所占天数及比例

由表6可以发现，在去掉5个最不利温度的负荷值后，稳态负荷值在整个采暖季的负荷值占比与其所包括的采暖天数的占比并不相符。如果是按照这样的值进行计算并选取采暖系统，那么实际运行中将有大约20天无法满足实际采暖需求。这种情况下尽管节省了经济，但在同样追求生活品质的今天，室内温度达不到要求，势必会造成热用户的不满。因此，这种单纯以稳态负荷值的百分比值来分析采暖期的负荷变化以及所占天数并不是特别合理，应当找一种新的方式来进行分析。为此，笔者将整个采暖季日平均负荷按照大小进行排列从中摘取不同占比的负荷值以及比该负荷值小的天数，结果如表7所示：

表7 负荷占比及天数

由表7可知，由于统计的是采暖期每天的热负荷值，因此负荷值的比例与天数的比例可以一一对应。实际的采暖季不同百分比的负荷值要比以稳态热负荷为基准的同比例的负荷值要大20%～30%。

随着节能建筑推广应用，不仅应当注意经济效益，同时也应当注意用户的使用感受。而同时保证两者，除了必要的围护结构建筑材料保温特性外，应当逐渐细化负荷等的计算。

3 典型日逐时负荷分析

在传热过程中，由于围护结构的存在，使得热量的传递存在衰减和延迟[3]。但对于热负荷来说，Q=KFΔt，热负荷的变化主要与温差有关。因此，在这种理论下，室外温度变化应当与热负荷变化同步。但对逐时热负荷进行分析时，这种理论无法合理解释负荷的变化。以节能 75%的建筑逐时热负荷为基础，从中挑选出典型日1月2日进行分析。该天的逐时热负荷及室外干球温度变化如图2所示：

图2 典型日热负荷与室外干球温度变化曲线

从图2中可以看出：

①0:00～2:00 期间，室外温度回升，热负荷尽管有下降趋势，但坡度极缓，几乎看不出变化。

②7:00～8:00 期间，室外温度几乎未变，而室内热负荷出现了大范围的骤减。

③8:00～9:00，温度正在逐渐上升，热负荷也有所上升，而在9:00～10:00，热负荷的变化却停滞了。

④15:00时，室外温度达到了最大值，但热负荷的极值却是出现在了13:00，13:00往后热负荷逐渐上升。

⑤15:00 值后，室外温度逐渐下降，但在 18:00 至19:00期间，热负荷甚至出现了小范围的下降。

由于在日平均温度对应的负荷值进行分析时，出现过太阳辐射的干扰。因此，笔者将太阳辐射，室外温度和热负荷如图3所示放在同一坐标轴内进行分析：

图3 典型日热负荷，室外干球温度及太阳辐射变化曲线

结合太阳辐射以及人们的日常作息习惯，上述问题可以做出解释：

对于问题②来说：在7:00时，太阳辐射出现，其值对于热负荷的影响远大于室外温度对热负荷的影响，太阳辐射变化的同时，热负荷在同步减小，且两者变化幅度很接近。

对于问题③：由于从 8:00 到 9:00 期间，很明显可以看出8:00时太阳辐射开始降低，太阳辐射比8:00的小峰值有了降低，热负荷也几乎同步开始升高。9:00后，由于室外温度的升高，太阳辐射也逐渐升高，二者的同时升高将室内热负荷的涨势停止， 9:00 至 10:00期间，热负荷几乎无变化。

对于问题④：这期间室外温度虽然在稳步上升，但在13:00时，太阳辐射突增，这种变化造成了热负荷的大幅降低，而在14:00往后，太阳辐射又大幅度降低并逐渐减少，而此时由于室外温度在升高，但对于热负荷的影响程度不如13:00的太阳辐射强，因此热负荷有了些许的回升，但涨幅很缓，变化不大。15:00后，气温降低，太阳辐射也降低，热负荷也随之升高。

由于在问题①和问题⑤中已无太阳辐射，因此需要从别的角度来进行分析。结合本文一开始交代的作息情况，由于典型日挑选的是1月2日，在日期设定中属于上班日，因此对于问题⑤可以这样解释：在 18:00时，由于人们下班回家，室内热扰增多，因此热负荷在6:00至7:00间有了些许的降低，但 7:00之后由于室外温度的逐渐降低，因此热负荷并未继续降低，而是缓慢上升。

而在问题①中，0:00～2:00期间，室内热扰已经很小，模拟中人们已入睡，灯也都熄灭了。在夜晚，对热负荷有影响的，除了室外温度，还有建筑表面对于天空的长波辐射。在白天计算热负荷时，由于太阳辐射的强度远远大于长波辐射，所以忽略长波辐射的作用是可以接受的。夜间没有太阳辐射的作用，而天空的背景温度远远低于室外空气温度，因此建筑物向天空的辐射放热量是不可忽略的 [4] 。而且，由于本模拟所选建筑模型的体形系数为0.5，其围护结构在夜间向天空辐射的热量的程度要更大。正因如此才会有室外温度虽然上升，但是建筑的热负荷并未减小，反倒在缓慢的上升。