夏热冬冷地区住宅建筑差异化热工优化设计研究

2020-09-24周曼王智伟闫增峰

建筑热能通风空调 2020年8期

周曼王智伟闫增峰

1 西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

2 西安建筑科技大学建筑学院

0 引言

近些年，由于人们对室内热环境要求提高，住宅建筑的采暖、空调能耗在近些年成倍增长[1]，夏热冬冷地区受到了广泛关注。该地区冬季阴冷，夏季闷热，住宅建筑热工性能差，能耗增长空间大。在保证该地区住宅建筑室内热环境的同时，如何避免建筑能耗的大幅增加是我国目前面临的一个挑战。我国《民用建筑设计规范》将夏热冬冷地区划分为两个气候子区，主要指出了自然通风和遮阳设计在两个子区的重视程度差异。现行的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》将该地区视为整体，给出了该地区建筑围护结构的热工设计要求，对该地区及我国的建筑节能工作有重大意义[2]。但以上的相关标准，规范以及目前其他建筑节能方面的研究缺少对该地区不同气候特征下具体建筑热工设计做法的研究。

本文在文献[3]的气候区划结果的基础上，选择该地区一个典型的7 层住宅建筑建立基础建筑模型，以建筑年累积总负荷（热负荷+冷负荷）最小为优化目标，利用EnergyPlus 模拟计算不同气候特征下、不同的热工设计工况下的建筑年累积供暖、空调能耗。通过统计得到最优解邻域，并对邻域里的热工参数要素进行分析，最终提出一个节能且经济的热工设计方案，为以后的研究工作及相关规范的编制工作尽可能的提供一些指导作用。

1 模型建立

本文采用的基础建筑层高为2.7 m，建筑朝向为南向。该住宅建筑的平面图表示在图1 中。每层建筑面积336 m2，建筑的尺寸为28 m×12 m×2.7 m（长×宽×高）。该建筑各层布局一致，每层4 户，户型为3 室1厅。外墙、屋顶、外窗的热工取值分别取文献[2]中的规定建筑热工限值，传热系数分别为1、0.8、3.2 W/(m·K)，外窗太阳得热系数为0.4。外墙和屋顶的构造来源于DeST 构件库，列于表1 中。表2 列出了各建筑材料的热物理性质。

图1 夏热冬冷地区基础建筑平面图

表1 基础建筑的外墙、屋顶构造说明

表2 建筑材料性质

分体式空调是夏热冬冷地区住宅建筑中最广泛使用的供热、供冷设备，空调运行普遍具有间歇启停的特征[4]。钱晓倩等学者对该地区不同的类型房间最普遍的人员在室时间情况进行了大规模问卷调查[5]。基于该问卷调查的结果，本文设定了各个类型房间的人员在室情况和各个类型房间的设备、灯光等内热源的启闭情况。表3 列出了不同类型房间的人员数量和内热源功率密度。表4 为不同功能房间的内热源及空调启闭运行时间表。供暖期为12.01～次年02.28，空调期为06.15～08.31。冬、夏季室内供暖设计温度分别为18 ℃、26 ℃，换气次数为1.0 次/h。

表3 不同类型房间的人员和灯具、设备的功率

表4 不同房间类型内热源及分体式空调设备运行时间表

2 试验设计

本文确定了外墙、屋顶、外窗的传热系数Kwall，Kroof，Kwin及外窗太阳得热系数SHGC 为优化变量。但由于EnergyPlus 中的建筑模型中不能设置Kwall和Kroof，只能设置保温层厚度，变量用外墙、屋顶的保温层厚度分别代替Kwall、Kroof。表5 列出了该优化试验中各围护结构部件设计变量及其水平。优化变量的变化范围参考我国寒冷B 区[6]及夏热冬暖北区[7]的住宅建筑规范里热工限值要求设置。

表5 围护结构部件设计变量说明

考虑到全面试验法可以考虑更多的热工参数组合、获得更多的信息量，本文使用全面试验法来分别确定适合各个气候子区的住宅建筑热工设计。本文选择EnergyPlusV8-1-0 对建筑能源需求进行评估。由于全面试验次数多，逐次对建筑模型设定来计算1728 种热工设计工况下的建筑能耗，不仅工作量大，而且十分耗时。为了加快运算速度，本文使用了Python-EnergyPlus 并行计算程序。该程序可以对EnergyPlus 建筑模型IDF 文件进行批量修改，调用EnergyPlus 进行批量模拟，对模拟结果进行统计和储存，实现多进程并发模拟计算，可以大大提升模拟效率缩短各个试验工况的求解速度。

3 模拟结果分析

本文采用的天气文件为典型气象年的逐时数据[8]，采用其计算的年能耗最能反映能耗的“平均”水平。汉中，长沙和桂林分别为夏热冬冷地区的Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅱ区的代表城市。对模拟结果的分析包含两个步骤：1）各围护结构热工变量对建筑负荷的影响分析。2）各气候子区住宅建筑热工限值的确定。

3.1 围护结构热工变量对建筑负荷影响分析

基于基础建筑，本文分析了各个热工变量对建筑供暖、空调负荷的影响。图2～4 中依次为外墙、屋顶保温层厚度及外窗传热系数对建筑负荷的影响。这里之所以没有分析外窗SHGC 对建筑负荷的影响，是因为该变量对于建筑冷、热负荷的影响是显而易见的，在以往的研究中不存在争议。

图2 外墙保温层厚度对建筑负荷的影响

图3 屋顶保温层厚度对建筑负荷的影响

图4 外窗传热系数对建筑负荷的影响

由图2 和图3 可以发现，增加外墙和屋顶的保温层厚度对建筑冷负荷的影响较小，对建筑热负荷的影响较大，尤其是对于以汉中为典型代表城市的寒冷地区过渡区来说。由图4 可以发现，外窗的传热系数对于建筑负荷的作用比较复杂。对于建筑供暖负荷来说，采用具有更低的传热系数的外窗可以降低供暖负荷。但是对于建筑空调负荷来说，外窗的传热系数在低于某临界值的范围变化时会出现建筑反节能现象。但对于总负荷来说，降低外窗传热系数对建筑节能有利。

3.2 夏热冬冷地区住宅建筑热工限值的确定

为了在建筑能耗和建筑经济初投资之间取得一个平衡，本文没有直接将总负荷最小对应的热工设计组合作为各个气候子区住宅建筑热工限值，而是统计分析了使建筑总负荷更小的最优解邻域。该邻域内包含50 个试验工况，这样保证了最优解邻域中的建筑总负荷都处于较低水平。通过统计最优解邻域内的热工设计工况，分析不同热工参数的不同水平在最优解邻域所占的比例。对于某一个热工设计变量，如果某一水平在50 个设计工况中出现的频率远高于其他水平（不同水平出现的次数差＞3，即频率差＞6），则确定该水平为该设计的变量在该地区的住宅建筑热工限值。对于一个热工设计变量，如果几个水平的出现比例相差不大（不同水平出现的次数差≤3，即频率差≤6），则优先选择热工水平稍低、但更为经济的热工水平设计作为该地区的住宅建筑热工限值。

图5～7 表示出了汉中、长沙及桂林在不同热工设计工况下的最优解邻域。对每个城市的总负荷最优解邻域内的热工参数进行统计分析，得到外墙、屋顶、外窗各输入变量不同水平所占频率分布，如图8 所示。

图8 为外墙保温层厚度频率分布图。在总负荷最优的目标下，汉中在外墙保温层厚度为40 mm 时占比为46%，长沙在外墙保温层厚度35 mm、40 mm 时占比分别为32%、38%，桂林在外墙保温层厚度30 mm、35 mm、40 mm 时占比分别为28%、32%、34%，均远高于其他项的分布频率。对于频率分布接近的围护结构保温水平，考虑到经济因素优先选择较低水平。因此汉中、长沙及桂林的住宅建筑外墙保温层厚度最优选择分别为40 mm、35 mm、30 mm，经计算对应气候子区的住宅建筑外墙传热系数限值分别为0.7、0.8、0.9 W/(K·m2)。

图5 热工优化试验最优解邻域—汉中

图6 热工优化试验最优解邻域—长沙

图7 热工优化试验最优解邻域—桂林

图8 最优解邻域内外墙保温层厚度频率分布图

图9 为屋顶保温层厚度频率分布图。在总负荷最优化的目标下，汉中在屋顶保温层厚度为350 mm 时占比为34%，长沙在屋顶保温层厚度300 mm、350 mm时占比分别为26%、28%，桂林在屋顶保温层厚度250 mm、300 mm、350 mm 时占比分别为22%、26%、28%，远高于其它项的分布频率。因此汉中，长沙及桂林的住宅建筑屋顶保温层厚度最优选择分别为350 mm、300 mm、250 mm，其对应气候子区的住宅建筑屋顶的传热系数限值分别为0.5、0.6、0.7 W/(K·m2)。

图9 最优解邻域内屋顶保温层厚度频率分布图

图10 为Kwin频率分布图。在总负荷最优化的目标下，汉中在Kwin为2.0 时占比为44%，长沙在Kwin为2.0、2.4 时占比分别为36%、32%，桂林在Kwin为2.0、2.4、2.8 时占比分别为30%、26%、24%，远高于其他项的分布频率。因此，汉中、长沙及桂林对应气候子区的住宅建筑Kwin限值分别为2.0、2.4、2.8 W/(K·m2)。