穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法計(jì)算建筑耗熱量指標(biāo)中的幾個(gè)問(wèn)題

清華大學(xué)

建筑節(jié)能研究中心

燕達(dá)、張野、劉燁、李婷、吳如宏

摘要

標(biāo)準(zhǔn)[1]上給出的計(jì)算建筑耗熱量指標(biāo)的穩(wěn)態(tài)算法，包括通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量、空氣滲透耗熱量、建筑內(nèi)部得熱三個(gè)方面，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量一項(xiàng)計(jì)算復(fù)雜，對(duì)結(jié)果影響重大，是計(jì)算的關(guān)鍵。本文就穩(wěn)態(tài)算法中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量計(jì)算的幾個(gè)影響因素進(jìn)行分析，主要探討地面?zhèn)鳠崃坑?jì)算、太陽(yáng)輻射得熱量計(jì)算、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算三個(gè)問(wèn)題，通過(guò)比擬不同算法對(duì)以上問(wèn)題的影響，研究穩(wěn)態(tài)算法計(jì)算建筑耗熱量指標(biāo)的可應(yīng)用性。

關(guān)鍵字

穩(wěn)態(tài)算法；圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量

前言

建筑耗熱量指標(biāo)是評(píng)價(jià)建筑能耗水平的重要指標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)[1]中通過(guò)建筑耗熱量指標(biāo)的穩(wěn)態(tài)算法〔以下簡(jiǎn)稱穩(wěn)態(tài)算法〕，計(jì)算1980~1981年通用設(shè)計(jì)的住宅的建筑耗熱量指標(biāo)，來(lái)確定節(jié)能前建筑能耗的基準(zhǔn)水平的，同樣通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)上的穩(wěn)態(tài)算法，可以計(jì)算設(shè)計(jì)建筑的耗熱量指標(biāo)，與基準(zhǔn)水平比照，來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)建筑是否到達(dá)預(yù)定的節(jié)能目標(biāo)。由此可見(jiàn)，穩(wěn)態(tài)算法的計(jì)算準(zhǔn)確性對(duì)設(shè)計(jì)建筑是否能真正實(shí)現(xiàn)既定節(jié)能目標(biāo)的關(guān)鍵，也是正確評(píng)價(jià)建筑采暖能耗水平的關(guān)鍵。

穩(wěn)態(tài)算法中建筑耗熱量指標(biāo)由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量、空氣滲透耗熱量、建筑內(nèi)部得熱量三個(gè)指標(biāo)確定，其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量計(jì)算最復(fù)雜，對(duì)結(jié)果影響重大。本文就穩(wěn)態(tài)方法中影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量的幾個(gè)因素進(jìn)行分析，并通過(guò)建筑算例計(jì)算，探討地面?zhèn)鳠崃坑?jì)算、太陽(yáng)輻射得熱量計(jì)算、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算三個(gè)問(wèn)題，研究穩(wěn)態(tài)算法的計(jì)算準(zhǔn)確性。

地面?zhèn)鳠嵊?jì)算

地面?zhèn)鳠崃坑腥N常見(jiàn)計(jì)算方法：基于外溫的地面平均傳熱系數(shù)法、基于地溫的地面平均傳熱系數(shù)法、基于外溫的地面劃分地帶計(jì)算法。

基于外溫的地面平均傳熱系數(shù)法是采用室內(nèi)外空氣溫度差，并利用對(duì)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正來(lái)考慮地面通過(guò)土壤與室外空氣換熱的熱阻；基于地溫的地面平均傳熱系數(shù)法那么不考慮室內(nèi)地面通過(guò)土壤與室外空氣的換熱，直接采用室內(nèi)溫度與室外地溫之差進(jìn)行計(jì)算；而基于外溫的地面劃分地帶計(jì)算法是考慮到室內(nèi)熱量通過(guò)地面?zhèn)鞯绞彝獾穆烦涕L(zhǎng)短不同，而熱阻也相應(yīng)有所不同，因此對(duì)室內(nèi)地面劃分不同的地帶，并采用不同的傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

由于基于外溫的地面劃分地帶計(jì)算法采用的傳熱系數(shù)是考慮了距離外墻遠(yuǎn)近不同導(dǎo)致土壤傳熱熱阻不同的綜合傳熱系數(shù)，因此比擬好的反映了地面?zhèn)鳠岬膶?shí)際狀況，是應(yīng)該選用的算法。

基于外溫的地面平均傳熱系數(shù)法計(jì)算建筑耗熱量時(shí)，單位面積的地面?zhèn)鳠岷臒崃繛椋?/p>

(2.1)

式中：Q1

—

單位面積地面?zhèn)鳠岷臒崃?，kWh/(m2·a)

εf

—

地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正系數(shù)，取0.6；

Kf

—

地面的平均傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

N

—

供暖期小時(shí)數(shù)，h；

tout

—

室外空氣溫度，℃；

tin

—

室內(nèi)控制溫度，℃；

基于地溫的地面平均傳熱系數(shù)法在計(jì)算建筑耗熱量時(shí)，具體計(jì)算方法為：

(2.3)

式中：tg

—

供暖期平均地溫，℃；

其他符號(hào)同前。

采用基于外溫的地面劃分地帶計(jì)算法時(shí)，工程上一般采用近似方法計(jì)算，把地面沿外墻平行的方向分成四個(gè)計(jì)算地帶，對(duì)應(yīng)每個(gè)地帶取不同的傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算

[2]。單位面積地面?zhèn)鳠岷臒崃康挠?jì)算公式為：

(2.2)

式中：A

—

地面總面積，m2；

Am

—

各地帶地面面積，m2；

Km

—

各地帶地面的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

其他符號(hào)同前。

以北京地區(qū)為例，參考北京典型年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，tout

取0.16℃，tin

取18℃，供暖期122天，即N

=24×122=2928h。建立地面面積為52m×10m的建筑模型，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Kf

=4.08

W/(m2·K)，根據(jù)以上三種方法計(jì)算得到單位面積地面?zhèn)鳠岷臒崃咳绫?.1：

表2.1

基于三種方法的地面?zhèn)鳠岷臒崃坑?jì)算

基于外溫的地面

平均傳熱系數(shù)法

基于地溫的地面

平均傳熱系數(shù)法

基于外溫的地面

劃分地帶計(jì)算法

單位面積地面?zhèn)鳠岷臒崃縦Wh/m2?a

130

圖2.1

基于三種方法的地面?zhèn)鳠岷臒崃勘葦M

根據(jù)以上結(jié)果可以看出，三種算法的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，前兩種算法中地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的取值直接決定計(jì)算結(jié)果，當(dāng)取值不考慮土壤熱阻、僅考慮地面構(gòu)造做法的熱阻時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯然偏大很多，同時(shí)算法二沒(méi)有表達(dá)地面通過(guò)土壤與室外空氣的換熱，對(duì)進(jìn)深不大的地面影響很大。

太陽(yáng)輻射得熱量計(jì)算

文獻(xiàn)[1]中，單位建筑面積通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量按照下式計(jì)算：

(3.1)

式中：Q2

—

單位建筑面積通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量，kWh/(m2·a)

εi

—

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)；

Kni

—

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Fi

—

圍護(hù)額結(jié)構(gòu)的面積，m2；

A0

—

建筑面積，m2；

N

—

供暖期小時(shí)數(shù)，h；

tout

—

室外空氣溫度，℃；

tin

—

室內(nèi)控制溫度，℃；

式中，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)修正系數(shù)來(lái)表達(dá)太陽(yáng)輻射得熱量對(duì)建筑耗熱量的影響，本節(jié)通過(guò)對(duì)算例應(yīng)用逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)模擬計(jì)算的方法來(lái)檢驗(yàn)穩(wěn)態(tài)算法中修正系數(shù)法的準(zhǔn)確性。

對(duì)式(3.1)中的修正系數(shù)ε分別按照文獻(xiàn)[1]取值和全部取1，計(jì)算兩種取值算例的圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量之差，即為穩(wěn)態(tài)算法中對(duì)太陽(yáng)輻射得熱量的修正。

對(duì)算例應(yīng)用動(dòng)態(tài)模擬軟件計(jì)算供暖期建筑耗熱量，模型參數(shù)除氣象數(shù)據(jù)外與穩(wěn)態(tài)算法取值一致，分別對(duì)氣象參數(shù)中有太陽(yáng)輻射參數(shù)與太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)全部取零的情況計(jì)算，兩種工況建筑耗熱量之差即為太陽(yáng)輻射得熱量。

采用建筑環(huán)境模擬軟件DeST建立建筑模型，并對(duì)北京、西安、烏魯木齊三個(gè)地區(qū)進(jìn)行計(jì)算。建筑共五層，層高為2.8m，建筑外墻為37磚墻，外窗為雙層塑鋼窗，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)見(jiàn)表3.1：

模型平面圖如下所示：

圖3.1

建筑模型平面圖

表3.1

建筑模型外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型

傳熱系數(shù)W/(m2·K)

面積m2

修正系數(shù)

北京

西安

烏魯木齊

屋頂

1.786

520

0.91

0.94

0.95

南外窗

3.1

400.4

0.18

0.28

0.34

北外窗

3.1

149.3

0.76

0.73

0.86

東外窗

3.1

8.4

0.57

0.60

0.59

西外窗

3.1

8.4

0.57

0.60

0.59

南外墻

1.27

327.6

0.70

0.79

0.76

北外墻

1.27

578.7

0.92

0.91

0.95

東外墻

1.27

131.6

0.86

0.88

0.85

西外墻

1.27

131.6

0.86

0.88

0.85

根據(jù)以上建筑參數(shù)，分別利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)修正系數(shù)法和根據(jù)逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)兩種方法，計(jì)算北京、西安及烏魯木齊三個(gè)地區(qū)得到供暖期太陽(yáng)輻射得熱量，如表3.2。

表3.2

太陽(yáng)輻射得熱量計(jì)算結(jié)果

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)修正系數(shù)法

動(dòng)態(tài)模擬法

太陽(yáng)輻射得熱量

kWh/m2?a

北京

西安

烏魯木齊

圖3.2

太陽(yáng)輻射得熱量比擬

從計(jì)算結(jié)果可以看出，與采用逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)法計(jì)算得到的太陽(yáng)輻射得熱量相比，北京地區(qū)采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)修正系數(shù)法計(jì)算得到的太陽(yáng)輻射得熱量偏小，而西安和烏魯木齊計(jì)算得到的數(shù)值偏大，說(shuō)明目前應(yīng)用廣泛的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱修正系數(shù)對(duì)太陽(yáng)輻射得熱的考慮有一定誤差。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算

穩(wěn)態(tài)算法中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的計(jì)算對(duì)結(jié)果有直接影響。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表與室內(nèi)的換熱由兩局部組成：與空氣的對(duì)流換熱和與室內(nèi)其他外表的長(zhǎng)波輻射換熱，通常建筑熱工計(jì)算中用圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表的綜合換熱系數(shù)αn來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算上述兩局部熱量，按照文獻(xiàn)[3]，αn通常取8.7

W/m2·K，但此數(shù)據(jù)一般用于供熱負(fù)荷計(jì)算和建筑熱工分析〔都是最不利工況〕，穩(wěn)態(tài)算法中取αn=

8.7

W/m2·K計(jì)算供熱期耗熱量是否準(zhǔn)確有待研究。本節(jié)應(yīng)用動(dòng)態(tài)模擬軟件，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表對(duì)流換熱、長(zhǎng)波輻射換熱分開(kāi)處理，來(lái)與內(nèi)外表綜合傳熱系數(shù)法計(jì)算結(jié)果比照，分析其準(zhǔn)確性。據(jù)文獻(xiàn)[4]介紹，設(shè)定墻、屋頂、樓地內(nèi)外表對(duì)流換熱系數(shù)分別為3.5W/m2·K、1

W/m2·K和4

W/m2·K。

依然選用第3節(jié)中北京地區(qū)算例，室外干球溫度和太陽(yáng)輻射采用逐時(shí)氣象參數(shù)，分別利用兩種方法對(duì)建筑模型進(jìn)行計(jì)算，得到供熱期耗熱量如表4.1：

表4.1

北京地區(qū)建筑采暖季耗熱量比擬

內(nèi)外表綜合傳熱系數(shù)法

單獨(dú)計(jì)算室內(nèi)長(zhǎng)波輻射法

單位面積建筑耗熱量kWh/m2?a

圖4.1

北京地區(qū)建筑采暖季耗熱量比擬

由上表，采用內(nèi)外表綜合傳熱系數(shù)法計(jì)算得到的單位面積建筑耗熱量為53kWh/m2?a，而分別考慮室內(nèi)對(duì)流、長(zhǎng)波輻射換熱法得到的建筑耗熱量?jī)H為34kWh/m2?a，二者相差達(dá)50%，可見(jiàn)正確處理圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表?yè)Q熱模型，對(duì)結(jié)果影響很大。通常應(yīng)用于計(jì)算最不利工況的〔負(fù)荷計(jì)算、防結(jié)露分析的熱工計(jì)算等〕內(nèi)外表等效傳熱系數(shù)值，在應(yīng)用于供熱期累計(jì)耗熱量計(jì)算時(shí)可能引起較大誤差，應(yīng)予以重視。通過(guò)校核計(jì)算可以得到，墻體內(nèi)外表綜合傳熱系數(shù)取4.2W/m2·K，樓板〔樓地〕向上綜合傳熱系數(shù)取4.8W/m2·K，樓板〔屋頂〕向下綜合傳熱系數(shù)取1.2W/m2·K時(shí)，采用內(nèi)外表綜合傳熱系數(shù)法計(jì)算得到的建筑能耗誤差較小。

對(duì)三種因素的綜合考慮

綜合考慮地面?zhèn)鳠崃坑?jì)算、太陽(yáng)輻射得熱量計(jì)算、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算三個(gè)因素對(duì)建筑負(fù)荷的影響，并選用第3節(jié)中北京地區(qū)算例，分兩個(gè)工況采用不同的計(jì)算方法對(duì)該建筑的采暖季耗熱量進(jìn)行計(jì)算。各工況采用的計(jì)算方法如表5.1：

表5.1

不同工況計(jì)算方法比擬

計(jì)算因素

工況1

工況2

地面?zhèn)鳠嵊?jì)算

基于外溫的地面平均傳熱系數(shù)法

基于外溫的地面劃分地帶計(jì)算法

太陽(yáng)輻射得熱量計(jì)算

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)修正系數(shù)法

動(dòng)態(tài)模擬法

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算

內(nèi)外表綜合傳熱系數(shù)法

單獨(dú)計(jì)算室內(nèi)長(zhǎng)波輻射法

計(jì)算得到該建筑在北京地區(qū)的采暖季耗熱量如表5.2：

表5.2

北京地區(qū)建筑采暖季耗熱量比擬

工況1

工況2

單位面積建筑耗熱量kWh/m2?a

圖5.1

北京地區(qū)建筑采暖季耗熱量比擬

由計(jì)算可以看出：采用工況1的方法計(jì)算得到的建筑耗熱量約為工況2的2.5倍，兩種工況的計(jì)算結(jié)果差異較大?？梢?jiàn)，在同時(shí)考慮地面?zhèn)鳠崃?、太?yáng)輻射得熱量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)三個(gè)方面時(shí)，使用的計(jì)算方法不同對(duì)結(jié)果有很大影響。

總結(jié)

1、在進(jìn)行地面?zhèn)鳠崃康挠?jì)算時(shí)，采用三種算法的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)?；谕鉁睾突诘販氐牡孛嫫骄鶄鳠嵯禂?shù)法中，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的取值直接決定計(jì)算結(jié)果，當(dāng)取值不考慮土壤熱阻、僅考慮地面構(gòu)造做法的熱阻時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯然偏大很多，同時(shí)基于地溫的地面平均傳熱系數(shù)法沒(méi)有表達(dá)地面通過(guò)土壤與室外空氣的換熱，對(duì)進(jìn)深不大的地面影響很大。

2、采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)修正系數(shù)法計(jì)算太陽(yáng)輻射得熱量時(shí)，北京地區(qū)的計(jì)算結(jié)果與采用逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)法計(jì)算得到數(shù)值相比偏小，而西安和烏魯木齊計(jì)算得到的數(shù)值偏大，說(shuō)明目前應(yīng)用廣泛的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱修正系數(shù)對(duì)太陽(yáng)輻射得熱的考慮有一定誤差。

3、采用內(nèi)外表綜合傳熱系數(shù)法計(jì)算得到的單位面積建筑耗熱量與分別考慮室內(nèi)對(duì)流、長(zhǎng)波輻射換熱法得到的耗熱量相比，二者相差較大。可見(jiàn)，是否正確處理圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表?yè)Q熱模型，對(duì)結(jié)果影響很大。通常應(yīng)用于計(jì)算最不利工況的〔負(fù)荷計(jì)算、防結(jié)露分析的熱工計(jì)算等〕內(nèi)外表等效傳熱系數(shù)值，在應(yīng)用于供熱期累計(jì)耗熱量計(jì)算時(shí)可能引起較大誤差，應(yīng)予以重視。

4、在同時(shí)考慮地面?zhèn)鳠崃俊⑻?yáng)輻射得熱量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)三個(gè)方面時(shí)，采用不同的計(jì)算方法得到的結(jié)果相差較大。在第5節(jié)的算例中，采用基于外溫的地面平均傳熱系數(shù)法、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)修正系數(shù)法、內(nèi)外表綜合傳熱系數(shù)法計(jì)算得到的結(jié)果是采用基于外溫的地面劃分地帶計(jì)算法、利用逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)模擬法、單獨(dú)計(jì)算室內(nèi)長(zhǎng)波輻射法的2.5倍，可見(jiàn)使用的方法不同對(duì)結(jié)果有很大影響。

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