江西地区建筑南墙与屋顶全年净得热预测与比较

2019-02-12张红婴李剑琨成晓霞吕银娇

桂林理工大学学报 2019年4期

张红婴,李剑琨,2,成晓霞,吕银娇

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州 341000;2.长岭炼化岳阳工程设计有限公司，湖南岳阳 414000)

0 引言

随着人们对室内环境要求的不断提升, 建筑能耗在全国总能耗中所占比例也越来越大。目前阶段, 建筑能耗占全国总能耗的27%, 且在2020年前后, 其占比很有可能会上升至35%左右[1]。研究表明, 暖通空调系统的能耗占建筑总能耗的50%以上[2], 因此控制空调系统能耗对节能减排具有重要意义, 而准确预测围护结构传热负荷是精确调控暖通空调系统、降低建筑能耗的重要手段[3]。

国内外学者均对围护结构传热负荷的预测进行了相关的研究工作。Li等[4]针对气候变化对建筑冷负荷的具体影响问题,利用TRNSYS软件对中国不同气候区的办公建筑冷负荷进行了模拟研究，结果表明, 不同气候条件下月或年冷负荷对气候变化的响应存在明显差异。 Wang等[5]针对地下工程围护结构的传热规律, 利用MATLAB、 Simulink及COMSOL软件对地下工程围护结构的动态热负荷进行了仿真及实验验证, 并分析了其围护结构的温度及传热通量，结果表明, 当室温恒定时, 传热波动较小, 热流密度小于5 W/m2；当室温波动与围护结构热损失相互耦合时,随着温度设定范围的波动,热损失在0～10 W/m2内波动。Ichinose等[6]针对遮阳对建筑冷热负荷的影响问题,选取中国夏热冬冷区的5个城市,通过eQUEST软件对建筑的传热过程进行了模拟，结果表明,建筑遮阳使建筑夏季冷负荷减小10%～20%,但建筑冬季热负荷却增加了20%。邹晓泉等[7]探讨了风速以及风向对冬季建筑南墙得热的具体影响情况,利用Fluent软件对冬季上海建筑南墙在太阳辐射作用下的传热过程进行了模拟，结果表明,风向和风速对围护结构外表面的温度及对流换热系数都有较大影响,对围护结构的对流散热量及净得热量都有一定的影响。罗松钦等[8]针对围护结构外表面太阳辐射吸收系数及围护结构热阻对建筑能耗的具体影响情况,利用斯维尔软件对长沙地区建筑围护结构内外表面温度及冷热负荷进行了模拟计算及实验验证，结果表明, 太阳辐射吸收系数越低, 夏季建筑冷负荷越低,但冬季热负荷变化不大;增大围护结构热阻可以减少冬季建筑热负荷, 但其对减少夏季建筑冷负荷的效果较差, 甚至有增大耗能的可能。黄艳雁等[9]针对建筑双层表皮对其外围护结构热工性能的具体影响问题,采用实测的方法测量了围护结构各位置的温度等数据并进行了分析，结果表明,夏季建筑双层表皮具有很好的隔热性能,对降低并维持室内温度稳定有积极作用。

以上文献所进行的研究大多数为对冬季或夏季时围护结构在太阳辐射作用下的负荷变化及能耗影响,很少有综合全年各月标准日建筑围护结构负荷变化的具体情况。因此,本文以位于夏热冬冷气候区的江西南昌地区建筑作为研究对象,以全年各月标准气象日的气象条件作为边界条件,研究围护结构(南墙及屋顶)各月份吸收太阳辐射总量，同时拟合了南墙及屋顶外表面净得热总量与时间关系的预测模型,以此为夏热冬冷气候区建筑空调负荷精确计算及建筑节能提供数据基础。

1 数值计算方法

1.1 数学模型

本文运用Fluent 14.5软件来进行模拟计算，将建筑附近的空气环境认为是定压的常物性粘性流体。为了让计算的结果贴近于实际情况,在模拟计算的过程中,周边环境的风速和风向认为恒定不变,流场维持稳定。采用文献[10]中给出的流场控制方程。

连续性方程

(1)

动量守恒方程

(2)

运用k-ε标准模型对上述方程进行闭合,湍流动能k和湍流能量耗散率ε输运方程为

(3)

(5)

νi=Cμk2/ε。

(6)

运用DO模型(离散坐标模型),采用文献[11-12]中给出的辐射传输模型及传热过程控制方程

(7)

式中:r、s、s′分别为位置矢量、方向矢量、散射矢量; 下标s为路径长度, m;β、σs、χ分别为太阳辐射吸收系数、散射系数、折射指数;Φ为相位函数;σ为玻尔兹曼常数,σ=5.669×10-8W/(m2·K4);I为辐射强度, W/m2;T为特定物体温度, K;Ω′为立体角。

围护结构的传热过程控制方程

(8)

《建筑用标准气象数据手册》[13]中给出了标准气象数据,利用江西南昌地区(115°27′E, 28°10′N)全年标准气象日数据作为模拟计算的基础。因文献[12]中仅给出了奇数月份标准日的详细气象数据,缺失了偶数月份标准日的气象数据,由此本文利用中国气象数据共享网上给出的南昌地区过去30年间每日的详细气象数据与文献[13]中给出的标准日气象数据选取办法,得到偶数月份标准日气象数据(文献[13]对这种方法进行建筑能耗模拟的可行性进行了验证, 证明其结果真实有效)。根据所得到的奇数月和偶数月标准日的气象数据对屋顶和南墙的传热情况进行了模拟计算,由于篇幅所限, 在给出该两方向围护结构的温度及热通量的逐时数据时,本文仅重点说明奇数月的详细情况,但给出了全年各月围护结构的净得热总量值。

1.2 物理模型

计算域的具体设置要求参见文献[14]中给出的详细要求。模拟计算域具体尺寸设置长×宽×高为245 m×160 m×90 m,考虑到模拟建筑的实际应用及模拟计算的工作量要求,建筑模型的尺寸设置为长×宽×高=20 m×10 m×15 m,具体模型和计算域如图1所示(单位m)。

图1 建筑模型(a)和计算域(b)Fig.1 Building model(a) and computational domain(b)

南墙及屋顶建筑材料都选自常用的建筑材料,屋顶厚度取0.3 m,南墙厚度取0.26 m。屋顶材料从室外至室内分为6层[15],分别为混凝土板1、防水层2、水泥砂浆找平层3、加气混凝土层4、钢筋混凝土层5以及水泥砂浆粉刷层6。南墙材料从室外至室内分为3层,分别为水泥砂浆7、240多孔砖8、水泥砂浆9。屋顶及南墙各层建筑材料的物性参数及厚度详见图2、图3、表1[15]。为同时了解南墙及屋顶在太阳辐射影响下不同典型面温度及热通量的变化情况,利用等分原则将围护结构由室外至室内分成3层,最终分为4个典型表面,分别为围护结构外表面、剖面1、剖面2及内表面。

图2 屋顶结构及典型面位置图Fig.2 Structure and typical surface of roof

图3 南墙结构及典型面位置图Fig.3 Structure and typical surface of south wall

表1 屋顶材料参数
Table 1 Parametes of roof materials

编号参量材料名称厚度H/m密度ρ/(kg·m-3)导热系数λ/(W·m-1·℃-1)热容cp/(kJ·kg-1·℃-1)1混凝土板0.032 3001.510.92 2防水层0.0051 0500.171.68 3水泥砂浆找平0.021 8000.931.05 4加气混凝土0.17000.221.05 5钢筋混凝土0.122 5001.740.92 6水泥砂浆0.0251 8000.931.05 7水泥砂浆0.011 8000.931.05 8240多孔砖0.241 1060.4541.05 9水泥砂浆0.011 8000.931.05

1.3 边界条件和初始条件

本文采用有限容积法离散控制方程,采用二阶迎风格式差分控制方程。模拟的计算域入口定义为速度入口,根据《建筑用标准气象数据手册》中给出的气象数据,计算域入口处风速取南昌地区奇数月时标准气象日的气象参数中实时风速[13],具体数据如图4所示,其中室外空气温度T(空心)和太阳辐射强度I(实心)均采用南昌市奇数月时标准气象日中外界环境的逐时值[13]。

计算域顶部及底部两面设置为绝热无滑移壁面,两侧壁设为对称平面,无滑移壁面作为南墙及屋顶外表面,其辐射吸收系数取0.65。太阳高度及方向具体情况,由软件Fluent 14.5的内部程序运算得出, 并随一个时间步长自动更新一次。利用非稳态法计算,时间步长取90 s。将SIMPLE格式用作速度与压力的耦合方法,墙壁附近区域使用标准壁函数法[16]进行计算。

图4 标准日室外空气温度及太阳辐射强度Fig.4 Outdoor air temperature and solar radiation intensity of standard day

春秋两季室内温度保持在20 ℃;由于空调作用, 夏季室内温度保持26 ℃;冬季室内温度保持在18 ℃[15]。以南昌地区奇数月标准日气象数据[13]作为模拟计算边界条件的环境温度以及外界太阳辐射强度。

1.4 数值计算方法验证

为确保本文模拟计算方法在传热和太阳辐射研究中的真实可靠,需对上述物理模型进行验证。西班牙的维哥地区(42°13′0″N, 8°41′0″W)与南昌地区(28°10′N，115°27′E)位于北半球相似位置,具有相似的气候特征。文献[17]对辐射影响下维哥地区建筑南墙外表面温度T随时间τ的具体变化情况进行了测量以及模拟计算。本文利用文献[17]中提供的数学模型与计算方法进行模拟计算，并将结果对比分析，如图5所示。

2 结果与讨论

分析建筑围护结构太阳能的吸收情况与传热特征,首先必须建立热平衡方程[18-19]。太阳辐射作用下,南墙及屋顶外表面的热平衡关系为

q3nτ=q1nτ-q2nτ,

(9)

式中:q1nτ、q2nτ、q3nτ三项分别代表n月时,τ时刻单位面积南墙及屋顶吸收的热量、散失到外界的热量、南墙及屋顶外表面的传热通量, W/m2。

q1nτ=β(Idnτ+Irnτ),

(10)

图5 数值模拟方法验证与实测结果比较Fig.5 Comparison between numerical simulation results and monitoring data

式中:Idnτ、Irnτ两项分别代表n月时,τ时刻南墙及屋顶外表面的太阳直射辐射及太阳散射辐射强度, W/m2；β代表南墙及屋顶外表面的辐射吸收系数, 取0.65。

q2nτ=(αc+ατ)(trnτ-taτ),

(11)

式中:trnτ代表n月时,τ时刻南墙及屋顶外表面温度, ℃;taτ代表τ时刻室外空气温度, ℃;αc、ατ为对流热交换系数, W/(m2·K)、长波辐射换热系数,由Fluent 14.5软件自带程序算出。

除南墙及屋顶外表面以外,围护结构其余典型面传热计算公式为

(12)

式中:λ代表建筑南墙及屋顶的导热系数, 取南墙λ=0.504 W/(m·K), 屋顶λ=0.470 4 W/(m·K);Ti为典型表面i的平均温度, ℃；i=1, 2。

2.1 南墙及屋顶各典型面温度随时间的变化

由建立的热平衡方程可以看出,南墙及屋顶实际吸收的辐射能不仅与太阳辐射吸收系数和换热系数有关,还与南墙及屋顶外表面温度有联系。据此模拟计算得到南昌地区不同月份标准气象日南墙及屋顶不同典型面平均温度随时间变化的具体情况,如图6所示。

可见, 夏季7月, 无论是南墙还是屋顶, 各典型面的温度均要高于其余各月, 并且冬季1月各典型面温度均低于其余各月。屋顶各表面温度极值出现的时刻也要先于南墙各表面的温度极值出现的时刻, 这是由于屋顶相较于南墙来说, 可以接收更多的太阳辐射,南墙是立面且由于朝向的缘故, 导

图6 各月标准日南墙及屋顶各典型面温度变化趋势Fig.6 Temperature change trend of typical surfaces of south wall and roof on standard days of each month

致其接收太阳辐射的时间较屋顶更延后并且总量也少于屋顶。另外, 从室外至室内每个月南墙及屋顶内各典型面温度在逐渐降低, 各典型面温度极值出现时刻也在推迟。造成这种现象的原因是围护结构外表面在阳光影响下直接吸收太阳辐射,温度变化更迅速, 变化范围也更大。同时, 由于围护结构的蓄热性及延时性, 南墙及屋顶外表面接收的热量, 一部分通过对流与辐射换热, 向周围环境散失, 另一部分热量蓄集在该层围护结构中, 仅有少量的热量向室内传递。因此，南墙及屋顶内从室外到室内的各典型表面的温度也逐渐降低。

2.2 南墙及屋顶外表面热通量随时间的变化

根据上文提到的热平衡方程及各典型面温度的模拟计算结果,统计出各标准日南墙及屋顶不同典型面热通量的变化情况。南昌奇数月标准日时,南墙及屋顶外表面在太阳辐射以及对流热交换的影响下,各月外表面热通量存在一定差异。设热量从室外传入室内为正向传热,热量从室内传向室外是负向传热。

由图7可知, 11月时南墙外表面热通量最大, 而5月时南墙外表面的热通量最小。由图8可看出屋顶奇数月不同典型面的传热情况, 其中7月时, 屋顶各典型面的热通量值最大, 而1月时屋顶各典型面的热通量值最小。由于围护结构可以对热量进行蓄积且传热具有延时性。由此从室外至室内, 同一典型面各奇数月热通量之间的差值逐渐变小。

图7 各月标准日南墙各典型面的热通量Fig.7 Heat flux of typical surfaces for south wall on standard day of each month

图8 各月标准日屋顶各典型面的热通量Fig.8 Heat flux of typical surfaces for roof on standard day of each month

2.3 南墙及屋顶净得热总量周期性预测模型

北方冬季严寒夏季温度不高,可以只着重关注屋顶冬季太阳能的被动利用。而南昌为夏热冬冷气候区,在冬季不仅应该利用屋顶吸收的能量,同时也应注意四周围护结构传递的能量。充分利用辐射所带来的热量,做好夏季围护结构防热及冬季利用辐射得热的工作,对建筑节能有很大的意义。由此,应确定不同月份投射到南墙及屋顶外表面上辐射能的具体吸收情况。

各月份标准日从上午5:00开始至第二天上午5:00为止,24小时内的南墙及屋顶净得热总量为

(13)

式中:Q3是标准日24小时内南墙及屋顶净得热总量,kJ/m2。南昌全年各月份南墙及屋顶太阳辐射净得热总量的具体情况,结果如图9、10所示。

南墙外表面日净得热总量11月时最大, 约为3.78×103kJ/m2,而5月时最小, 约为0.102×103kJ/m2。造成这种现象是因为南墙一方面受到太阳高度和方向角的影响,另一方面也受到当地气候影响。冬季时太阳直射南回归线附近, 而北半球的南昌地区,建筑南墙可以接收更多的太阳直射,因此11月时南墙外表面的净得热总量较大。在夏天, 情况正好相反, 夏季太阳直射北回归线附近, 由于太阳高度与方向角的缘故,南墙这时可以接收的太阳直射小于冬季,所以5月时南墙外表面净得热总量更小。而对于屋顶来说, 由于屋顶是水平面围护结构, 夏季可以接收更多的太阳辐射, 而冬季接收的辐射能则少于夏季, 由图10可看出, 南昌屋顶净得热总量在7月时最大, 约为4.544×103kJ/m2, 在1月时最小, 约为0.028×103kJ/m2。围护结构所接收的太阳辐射量可以决定围护结构外表面净得热总量的多少。

图9 标准日南墙辐射净得热总量Fig.9 Total net heat gain for south wall under standard day

图10 标准日屋顶辐射净得热总量Fig.10 Total net heat gain for roofs under standard day

为预测南墙及屋顶净得热总量随时间的变化, 运用拟合软件1stOpt 15PRO拟合出南墙及屋顶外表面净得热总量随时间变化的曲线关系, 南墙(式(14))和屋顶(式(15))净得热总量与时间的关系为

Q3=0.913+3.14n-2.91n2+0.96n3-

0.15n4+0.01n5-0.000 32n6;

(14)

Q3=-124.67+137.51n-12.89n1.5+3.16×

10-5en-115.53n0.5lnn,

(3)地下水。场地地下水类型以潜水为主，富含于淤泥质土以及卵石层中，主要靠降雨和河流补给，平时地下水相对较为稳定，基本上与河水位持平，水位标高在6.00～6.50 m之间，雨水季节水位较高。

(15)

式中:n代表月份(n=1, 2, …, 12)。式(14)均方根误差(RMSE)为0.078,误差平方和(SSE)为0.073,决定系数(R2)为0.995; 式(15)均方根误差(RMSE)为0.092,误差平方和(SSE)为0.101,决定系数(R2)为0.997。误差检验说明,两式均有很好的拟合优度,可以准确表示南墙及屋顶太阳辐射净得热总量随时间的变化情况。