窗户传热系数对自然通风建筑室内热环境的影响
2018-05-31袁丽婷亢燕铭
袁丽婷, 亢燕铭, 钟 珂
(东华大学 环境科学与工程学院, 上海201620)
夏季闷热、冬季寒冷是我国夏热冬冷地区的典型气候特征。随着人们对室内热环境水平要求的提高, 利用空调分别改善两个典型季节的室内热环境已成为一种普遍方式, 但这仅限于城市。在乡村, 由于受经济条件和生活习惯等的制约, 很多家庭仍未安装空调设备, 即使部分家庭安装了空调设备, 但也仅在天气极端恶劣情况下使用[1]。因此, 自然通风条件下室内热环境对农村居民的生活质量具有很大影响。
外窗是围护结构传热的重要组成部分, 通过玻璃和窗框的传热损失约占空调能耗的30 %[2-5]。Oral[6]通过分析不同类型窗户对供暖能耗的影响发现, 无论何种类型窗户, 随着窗户传热系数的减小, 房间日平均热损失均减小。Amaral等[7]也就空调能耗对窗户性能(朝向、尺寸、遮阳和综合传热系数)进行了优化。
上述文献均围绕窗户传热系数对空调建筑能耗的影响来分析, 实际上, 自然通风建筑的室内外温差远小于空调房间, 并且空调房间中室内气温在夏(冬)季绝大多数时间低(高)于室外气温, 热量单向传递, 而自然通风建筑中, 室内外气温相对大小不一, 热量传递方向会频繁改变。因此, 外窗传热系数对建筑传热过程及热环境的影响在自然通风建筑与空调建筑中不同。然而, 目前关于外窗传热系数对自然通风建筑室内热环境影响的研究仍较少。
为探究外窗传热系数对夏热冬冷地区自然通风建筑夏、冬季室内热环境的影响规律, 本文采用EnergyPlus模拟程序, 以上海地区的气候特征为背景, 针对自然通风建筑围护结构传热特点和室内气温变化进行计算和讨论。
1 数值模型的建立
DOE-2、DeST和EnergyPlus均为常用建筑能耗模拟程序。DOE-2在计算过程中, 需假定室内温度恒定, 故不适用于自然通风建筑中的传热计算[8]；DeST可在考虑空气与围护结构耦合换热关系的基础上求解围护结构传热负荷, 但不能输出壁面温度等过程量, 因此无法深入分析室内热环境[8]；EnergyPlus采用CTF (conduction transfer function)计算围护结构传热, 是一种更为精确的反应系数法, 并采用热平衡法计算负荷。EnergyPlus数值程序克服了DOE-2和DeST在计算自然通风状态下传热的局限[8], 在实际应用时得到的结果更为合理。
1.1 建筑模型
本文研究对象为上海郊区典型居住建筑中间层中间位置房间。由于居住建筑普遍为南北朝向, 故选择住宅建筑内南向客厅作为计算对象。房间内部尺寸为进深 × 宽 × 高 = 5 m × 3 m × 2.8 m, 外墙窗户尺寸为宽× 高 = 2 m × 1.6 m。建筑围护结构热工参数如表1所示。
表1 围护结构热工参数Table 1 Thermal parameters of building envelope
根据JCJ 134—2010分别选用传热系数为4.7、4.0、3.2和2.5 W/(m2·℃) 的4种标准外窗材料进行研究。
取窗户遮阳系数为0.4, 夏季采用外遮阳使得外窗几乎接收不到太阳直接辐射, 冬季不采取遮阳措施。夏季每日9:00～20:00时段内窗户紧闭, 空气渗透换气次数为0.5次/h,其他时段窗户部分开启, 通风换气次数为4次/h;冬季全天窗户均紧闭, 空气渗透换气次数为0.5次/h。
室内热源包括一人(代谢率46 W/m2)、电视机一台(100 W)、节能灯一盏(8 W)和夏季电风扇一台(60 W)。
1.2 气候条件
本文以上海实际气候条件为背景进行室内热环境计算, 夏季计算计算时间为6月1日～9月30日, 冬季为12月1日～次年3月30日。
由于EnergyPlus未集成上海市整个夏季和冬季的室外气象数据, 为了反映实际室外气候, 本文采用上海2012年的气象数据, 按照内嵌数据的格式取代程序中的原有气象数据, 用于模拟仿真。气象数据来源于中国气象数据共享服务网。
2 结果与分析
在自然通风房间中, 外墙内壁面与室内换热量q1、室内外温差下窗户传热q2、自然通风换热量q3、通过窗户日射得热q4、室内人和设备向室内对流散热q5、空气的得热量q6及内围护结构壁面与室内空气换热量q7, 这7部分因素共同构成房间的热平衡关系。房间的热平衡关系如式(1)所示。
(1)
2.1 降低窗户传热系数改善自然通风建筑室内热环境的潜力
随着室外气候日夜变化, 外围护结构各部分传热的强度和传递方向均可能发生变化, 最终留在室内的得热量决定了下一日室内热环境变化趋势。房间每日净得热量Qnet表达式如式(2)所示。
(2)
(a) 夏季
(b) 冬季图1 房间日净得热量、室内空气及内墙内表面日平均温度变化趋势Fig.1 Variation tendency of daily net heat gain of the room and the mean daily indoor air and internal wall surface temperature
通过外围护结构传入(出)房间的净热量是导致自然通风房间热环境恶化的根本原因, 为此本文将夏季传入(冬季传出)房间的热量称之为不利传热量。窗户作为传热薄弱部位, 其传热量是房间净得热量的重要组成部分。为评估降低窗户传热系数对自然通风房间热环境的改善潜力, 本文将窗户传热形成的不利传热量占总不利传热量的比值定义为窗户传热不利因子η, 计算式如式(3)所示。
(3)
式中：Q2为窗户传热造成的不利传热量总和, MJ；Qsum为自然通风房间通过所有外围护结构及内热源得到的总不利传热量, MJ。窗户不利因子越大, 表明窗户传热对自然通风房间热环境产生的不利影响越大, 降低窗户传热系数可提高室内热环境的改善潜力。
夏季和冬季窗户传热不利因子随窗户传热系数的变化曲线如图2所示。由图2(a)可知, 即使窗户传热系数很大, 夏季各月窗户传热不利因子均小于0.25。这表明, 在夏季, 相对其他围护结构和内热源, 窗户传热对自然通风建筑室内热环境造成的不利影响很小, 降低窗户传热系数对夏季室内热环境的改善潜力较小。在冬季(见图2(b)), 不论窗户传热系数如何变化,各月窗户传热不利因子均大于0.55,意味着窗户传热造成的不利传热量远大于其他外围护结构, 即窗户传热是冬季室内热环境恶化的主要原因。因此, 降低窗户传热系数对冬季室内热环境具有很大的改善潜力。
(a) 夏季
(b) 冬季图2 窗户传热不利因子随窗户传热系数变化趋势Fig.2 Variation tendency of the disadvantage factor with heat transfer coefficient of windows
2.2 提高窗户保温性能改善自然通风建筑室内热环境的效果
当窗户传热系数不同时, 夏季和冬季室内空气、外墙和内墙内表面温度(Ti、θi和Tw)变化曲线如图3所示。由图3(a)可以看出, 夏季室内气温和围护结构内表面温度几乎均不受窗户传热系数的影响, 表明降低窗户传热系数对夏季室内热环境几乎无改善效果, 这与2.1节的预测结果一致。
由图3(b)可知, 与夏季情况不同, 减小窗户传热系数, 不仅可显著提高冬季室内气温, 还可以提高外墙和内墙的内表面温度, 温度升高幅度约为1～3 ℃。这表明提高窗户保温性能可有效改善自然通风房间冬季室内热环境, 与2.1节的预测结果一致。
在冬季, 自然通风建筑室内气温与围护结构内表面温度有一定差别, 由于空气温度和固体表面温度共同影响着人体热舒适, 因此, 需要将两者结合起来评价室内热环境。本文采用操作温度Top反映室内空气温度和平均辐射温度的综合影响, 其计算表达式如式(4)和(5)所示。
(4)
hc=8.3v0.5
(5)
当窗户传热系数不同时, 冬季室内操作温度频率分布曲线如图4所示。
图4 窗户传热系数不同时, 冬季室内操作温度频率分布Fig.4 Frequency of operative temperature for different heat transfer coefficient of windows
由图4可知, 自然通风房间冬季室内操作温度呈现双峰或多峰分布。随窗户传热系数减小, 频率峰值右移, 即频率峰值对应的操作温度升高, 甚至在更高的温度段还会增加频率峰值。例如, 当传热系数较大时(4.7 W/(m2·℃)和4.0 W/(m2·℃)), 操作温度有两个频率峰值, 分别出现在低温段(Top<12 ℃)和较高温度段(12 ℃
整个冬季, 当窗户传热系数不同时, 室内操作温度累计时间(小于某温度的累计小时数)如图5所示。据国际卫生学规定, 室内热环境最低限值为12 ℃, 因此操作温度低于12 ℃的区间视为不可接受区。由图5可知, 窗户传热系数对整个冬季操作温度分布有明显影响, 窗户传热系数由4.7 W/(m2·℃)降低至2.5 W/(m2·℃)时, 室内操作温度低于12 ℃ 的时间从2 000 h降为1 500 h, 减少了约25%。
图5 窗户传热系数不同时整个冬季操作温度累计时间曲线图Fig.5 Cumulative hours of operative temperature during winter for different heat transfer coefficient of windows
由图5还可以看出, 统计温度越低, 相应的累计时间随着窗户传热系数降低而减少的幅度越大, 表明提高窗户保温性能对低要求热环境的改善效果更有效。
为了评价冬季窗户传热系数降低对自然通风房间室内热环境的改善效果, 本文定义热环境偏离温差ΔTop为
ΔT(τ)=TL-Top(τ),当Top (6) ΔT(τ)=0，当Top>TL (7) (8) 式中：ΔT(τ)为室内操作温度低于可接受最低温度的程度, ℃；τwin为整个冬季总时间，h；TL为夏热冬冷地区自然通风房间热环境可接受最低温度, 本文取TL=12 ℃。热环境偏离温差的值越大, 室内热舒适性越差。 冬季热环境偏离温差随窗户传热系数变化曲线如图6所示。由图6可知, 随窗户传热系数减小, 冬季热环境偏离温差的值几乎直线下降。热环境偏离温差在窗户传热系数为4.7 W/(m2·℃)时高达2 ℃, 而当传热系数减小至2.5 W/(m2·℃), 仅为0.8 ℃, 即热环境偏离温差降低了60 %。由此可见, 提高窗户保温性能是改善夏热冬冷地区冬季自然通风建筑室内环境的有效途径。 图6 冬季热环境偏离温差随窗户传热系数变化趋势Fig.6 Variation tendency of temperature difference of thermal unacceptability with the heat transfer coefficient of windows 由图6还可以看出, 热环境偏离温差与窗户传热系数几乎呈线性关系, 拟合结果如式(9)所示。 ΔTop=0.52K0.47 (TL=12 ℃) (9) 根据式(9), 可以方便地估计出上海地区不同气候条件下, 窗户传热系数与自然通风房间冬季室内热环境的关系。 利用EnergyPlus模拟程序, 分析了夏季和冬 季窗户传热系数对自然通风建筑室内热环境的影响。为了评估降低窗户传热系数对热环境的改善潜力和效果, 本文提出了不利因子和热环境偏离温差, 主要结论如下： (1) 在冬季, 不论窗户传热系数如何变化,窗户传热不利因子均大于0.55, 而在夏季, 即使窗户传热系数很大, 窗户传热不利因子仍小于0.25, 表明窗户传热是自然通风建筑冬季室内热环境恶化的主要原因, 但对夏季室内热环境造成的不利影响很小。因此, 降低窗户传热系数可改善冬季室内热环境的潜力较大, 而改善夏季室内热环境的潜力较小。 (2) 在冬季, 提高外窗保温性能可明显减少自然通风建筑室内操作温度处于不舒适范围内的时间, 且热环境要求越低改善效果越好。 (3) 随窗户传热系数减小, 冬季热环境偏离温差几乎直线下降, 故为了改善夏热冬冷地区自然通风建筑的室内热环境, 应尽量提高窗户的保温性能。 参 考 文 献 [1] 孙雨林, 林忠平, 王晓梅．上海农村住宅围护结构现状调查与供暖空调能耗模拟[J]．建筑科学, 2011, 27(2)：38-42． [2] 金斯科, 龚延风．夏热冬冷地区居住建筑房间得热量分布及节能方向[J]．暖通空调, 2012, 42(4)：86-90． [3] 闫成文, 姚健, 周燕, 等. 夏热冬冷地区外窗传热系数对建筑能耗的影响[J]．重庆建筑大学学报(自然科学版), 2008, 30(6)：120-123． [4] 陶求华．外窗性能对厦门居住建筑空调能耗的影响[J]．集美大学学报(自然科学版), 2011, 16(2)：135-140． [5] 王烨, 孙鹏宝, 付银安, 等．不同建筑热工分区办公建筑外围护结构负荷指标影响因素权重[J]．土木建筑与环境工程, 2017, 39(1)：7-12． [6] ORAL G K．Appropriate window type concerning energy consumption for heating [J]．Energy & Buildings, 2000, 32(1)：95-100． [7] AMARAL A R, RODRIGUES E, GASPAR A R, et al．A thermal performance parametric study of window type, orientation, size and shadowing effect [J]．Sustainable Cities and Society, 2016, 26：456-465． [8] 潘毅群．实用建筑能耗模拟手册[M]．北京：建筑工业出版社, 2013． [9] 民用建筑热工设计规范：GB 50176—2016[S]．北京：中国建筑工业出版社，2016． [10] 夏如杰．夏热冬冷地区住宅建筑采暖空调负荷特性研究[D]．西安：西安建筑科技大学土木工程学院, 2013． [11] 韩杰．自然通风环境热舒适模型及其在长江流域的应用研究[D]．长沙：湖南大学土木工程学院, 2009．
3 结 语
