基于DeST的住宅建筑负荷模拟研究

段立英, 王志勇, 卜晖

(湖南工业大学 土木工程学院, 湖南 株洲, 412007)

传统建筑在建造及后期使用过程中具有能源投入高、产出低、利用量大的特征, 随着建筑的不断增多, 建筑能耗逐渐成为人们关注的问题。建筑能耗的产生是由多方面因素决定的, 包括建筑围护结构组成成分、窗户朝向及面积比、建筑面积体积比、气密性与供暖、冷系统等, 其中建筑的气密性对能源的消耗具有较大影响, 是室内空气与外界环境交流的一个性能评价指标, 气密性的大小即可影响能耗的大小, 也影响人们对环境的适应程度及接受度。建筑的换气次数与传热系数是建筑气密性的主要因素,国内外对其单一因素研究较为成熟, 但两者的交互作用对能耗的影响研究甚少。本文主要分析换气次数与传热系数在不同组合工况下对气候差异较大地区的住宅建筑冷、热负荷的影响, 以确定最佳节能组合工况, 提高能源利用率。

1 模拟分析方法

建筑能耗模拟可采用PHPP与DeST模拟软件, PHPP 被动房设计包(Das Passivhaus Projektierungs Paket)为德国所研发的用于计算被动房负荷及能耗的专业型模拟分析软件, 其即可判断模拟计算结果是否满足国家合格标准要求, 又可优化模拟建筑模型的各项参数, 使其满足要求, 达到合格标准, 其模拟计算采用热平衡原理[1–2]。DeST[3–4]能耗模拟分析软件起源于早期的清华大学, 至今已发展成熟, 通过模拟软件进行一年的逐时模拟计算, 可得到全年或某一特定范围的冷、热负荷, 其模拟计算采用能量守恒原理, 找出模拟建筑模型的所有节点, 在其节点根据能量守恒原理建立热平衡方程, 并保持所有节点的进出能量相同, 且温度在时间上不间断。通过对所有节点的热平衡方程进行整理计算, 将其表示为矩阵的形式, 将建筑热过程的求解过程转变为用矩阵的方法求解以各节点温度为未知量的常微分方程,DeST为我国科研团队所研发, 以我国建筑环境为基础, 符合我国建筑分析的参考要求, 所得计算结果会更加缜密。

PHPP与 DeST软件各有优势, 两者都可满足建筑能耗模拟的要求, 邹艾娟等[5]通过两种软件对比研究得出两者内置的计算方法差异较大, DeST是以空间问题为基础采用线性代数进行建筑负荷能耗求解, 而 PHPP则是以月度为计算长度, 但两者都可以完成能耗建筑能耗的计算。由于地方存在差异性,DeST在能耗分析方面常应用于 DeST-C(商业建筑)与 DeST-H(住宅建筑), 目前我国对商业公共建筑研究较为广泛, 如张国庆[6]对保定市高速公路的气密性研究得出气密性对建筑热负荷和湿负荷具有显著性影响, 对建筑冷负荷影响较小。牛志强等[7]分析了外围护结构传热系数对冬冷夏热地区教学楼建筑负荷的影响, 并提出了一些针对性及使用性的对策, 杨志伟等[8]分析了沈阳高校办公楼不同朝向对负荷的影响, 提出夏季比冬季夜间通风存在较大优势, 西、南朝向建筑比东、北朝向节能效果更明显, 王玉娇等[9]利用DeST得出对新疆办公建筑能耗的影响因素。住宅建筑在运行期间的能源消耗在耗能总量中占有不可忽视的地位, 本文采用软件DeST-H对住宅建筑进行365 d能耗逐时计算模拟研究。

2 建筑模型及参数设置

模拟建筑模型为8层4居室住宅建筑, 装设有电梯, 总建筑面积共9 528 m2, 总空调建筑面积4 810 m2, 总建筑高度29.2 m, 其中第1层为车库, 层高4.0 m, 其余层均为居住楼层, 高均为3.6 m, 房间可分为起居室、厨房、卧室、阳台等类型。根据各房间类型与功能, 其人员热扰、灯光热扰、设备热扰、窗帘作息、温度、湿度、照明时间、设备功率等均采用DeST-H系统默认值。空调均采用独立空调系统, 其运行作息由房间功能及人员作息确定, 人员统一采取平均值4人, 通风均采用房间与外界通风和房间互通风的通风方式, 采暖与空调时间均采用国家统一标准, 采用系统默认值。

通过设置换气方式与墙体材料, 研究它们对负荷的影响, 各房间参数设置如表1所示, 根据建筑各层平面布置及通风方式建立DeST模型, 居住层平面图如图1所示, DeST模拟建筑模型立体图如图2所示。

选取两个代表城市, 哈尔滨(严寒地区)与广州(温暖地区), 分别代表我国气候差异较大的两个地区, 哈尔滨处于我国北部, 纬度高,气温低, 冬长夏短, 冬冷夏凉, 夏季多雨且潮湿, 平均气温可达21 ℃左右, 冬季寒冷, 雾雪天气频繁, 冬季常年积雪, 平均气温20 ℃左右,最低气温可达37 ℃。春季处于风季, 气温变化幅度较大, 秋季气温适中, 较为凉爽, 但昼夜温差大, 平均气温10 ℃左右, 最低气温可达0℃。广州处于我国南部, 穿越北回归线, 全年气温高, 较为潮湿。冬短夏长, 夏季光照十足、炎热多雨, 平均气温可达32 ℃左右, 最高可达41 ℃, 冬季霜短雨多, 较为潮湿, 平均气温可达13 ℃左右, 最低气温可达9 ℃, 全年平均温差不大。哈尔滨及广州其全年温度分布如图3、4所示。

表1 参数设置表

图1 建筑模型平面图

图2 建筑模型立面图

图3 广州全年温度分布图

图4 哈尔滨全年温度分布图

将36种模拟参数组合工况依次代入DeST模型进行模拟计算, 使用DeST模拟软件对分别处于哈尔滨及广州的建筑模型进行全年365 d逐时冷、热负荷模拟计算, 得到每个对比组的全年累计冷、热负荷指标。以传热系数为 0.2, 换气次数为 4.0次/h为例, 得哈尔滨、广州两地冷、热负荷全年分布情况如图5、6所示, 以研究传热系数与换气次数最佳组合方式, 即围护结构材料最佳组合, 为达到节才、节能的目的提供数据分析。

图5 哈尔滨全年负荷分布图

图6 广州全年负荷分布图

在图 5、6负荷分布图中热负荷分布在零轴线以上, 冷负荷分布在零轴线以下, 由图可得广州、哈尔滨模拟结果数据如表2、3所示。

表2 广州模拟结果数据表

表3 哈尔滨模拟结果数据表

3 模拟结果分析

本文通过36种不同换气次数与传热系数参数组合方式, 研究其对气候差异较大的两个地区冷、热负荷的影响, 从而得出其对冷、热负荷的变化情况。冷负荷是指供冷设备为使人们所需的温度、湿度保持一定数值所需要供应的冷量。热负荷是指供热设备或燃料燃烧时为使人们所需的温度、湿度保持一定数值所需要释放的热量。两者异曲同工, 计算方法相似。

3.1 寒冷地区模拟结果分析

寒冷地区昼夜温差较小, 全天对热负荷需求量较大, 所以每天的换气次数与建筑围护结构的传热性能对其具有较大影响, 如开窗时间与墙的构造组成, 对寒冷地区至关重要。

经对哈尔滨寒冷地区住宅建筑DeST能耗负荷模拟分析, 计算了36种工况, 可得到36种负荷统计数据, 对数据进行处理后得到全年累计冷、热负荷分布如图 7、8所示。通过观察图形可得到, 在冷负荷分布图中, 当换气次数接近2.5次/h时, 冷负荷出现转折, 变化率上升, 当传热系数为0.16, 换气次数介于2.0～2.5次/h时, 对冷负荷影响最大, 热负荷较为平缓, 变化浮动较小, 当传热系数为0.6, 换气次数介于2.0～2.5次/h时, 对热负荷影响最大。

图7 哈尔滨冷负荷分布图

图8 哈尔滨热负荷分布图

3.2 温暖地区模拟结果分析

温暖地区昼夜温差较大, 白天对冷负荷需求量较大, 夜晚相对较小, 开窗时间与围护结构的气密性对其也有一定影响。经对广州温暖地区居住建筑DeST能耗负荷模拟分析计算, 得到全年累计冷、热负荷如图9、图10所示。

图9 广州冷负荷指标分布图

图10 广州热负荷指标分布图

由图9、10可知, 在冷负荷分布图中, 当换气次数接近3.0次/h时, 冷负荷出现急剧转折, 冷负荷由下降趋势转为上升阶段, 当传热系数为0.2，换气次数介于4.0～4.5次/h时, 对冷负荷影响最大, 热负荷较为平缓, 当传热系数为0.8, 换气次数介于3.4～4.0次/h时, 对热负荷影响最大。

4 结论

换气次数与传热系数双因素分析变量不仅可以体现单个变量的影响, 又可表达出其相互作用的结果, 同时改变建筑围护结构的传热系数与内外通风换气次数, 其节能效果明显优于仅改变单个外围护结构的情况。由以上分析可得, 建筑围护结构的传热系数与换气次数对哈尔滨、广州住宅建筑的冷、热负荷均有不同的影响, 但两工况相比, 换气次数对哈尔滨(寒冷地区)、广州(温暖地区)的冷负荷影响较大, 对热负荷的影响相差不大, 可见换气次数对于寒冷地区的影响研究具有较大意义, 通过这种双因素组合研究方式, 再结合当地实际情况, 根据人们所需要的舒适度、温度、湿度, 可得出最佳围护结构传热系数与换气次数组合工况, 根据建筑的整体情况, 节约维护结构的材料资源, 即可达到“四节一环保”对节材的要求, 也可达到节能的目的, 提高能量利用率。