基于 DeST 的典型居住建筑能耗模擬及節能分析

崔麗麗

中鐵十八局集團第四工程有限公司

夏熱冬冷地區夏季悶熱， 冬季濕冷。尤其是在長江以南， 由于冬季沒有集中供熱， 大部分居住建筑都采用其他取暖方式， 所以能耗較為復雜。因此， 本文選擇國內長江以南一典型夏熱冬冷城市作為研究對象，分析當地典型居住建筑運行能耗的組成， 并對建筑的穩態熱負荷計算和逐時熱負荷模擬， 提出發展節能建筑降低建筑運行能耗的建議。

1 建筑概述及參數選取

1.1 建筑概述

本文取國內一典型夏熱冬冷城市某居民住宅為研究對象， 南北朝向， 建筑面積為 141m2， 采暖面積為91.5m2， 層高為 3.0m， 共兩層， 無地下室， 屋頂采用平屋頂。 建筑體形系數為0.54。 圖1為該別墅的DeST模型圖。

圖1 模型DeST三維圖

1.2 參數選取

遵照《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準（JGJ134-2010）》（以下簡稱 《標準》）， 對于夏熱冬冷地區而言， 居住建筑通過采用增強建筑圍護結構保溫隔熱性能和提高采暖，空調設備能效比的節能措施， 在保證相同的室內熱環境指標的前提下， 與未采取節能措施前相比， 采暖、 空調能耗應節約50%。由此選取適當的圍護結構， 圍護結構參數詳見表1。 由于規范中對于不同窗墻比的傳熱系數要求不同， 且對于東西外窗的遮陽系數SC值需≤0.45。因此在 6+14A+6 Low-E玻璃型號中選取東、 西、 北外窗參數， 選取真空鍍膜復合中空玻璃 （2(Low-e)+0.1+3+9+6） 作為南外窗。

表1 建筑圍護結構參數

1.3 參數驗證與確定

由于本建筑的體形系數為0.54， 大于規范的限值0.52， 因此， 根據規范的要求， 需要對建筑物的耗熱量進行驗證。

建筑物耗熱量指標是由單位建筑面積上單位時間內通過建筑物圍護結構的傳熱量、 單位時間內建筑物空氣換氣耗熱量和單位建筑面積上建筑物內部得熱量組成， 根據 《標準》， 在室外計算平均溫度為1.8 ℃時， 建筑物耗熱量指標為12.8 W/m2。 對于室內熱擾， 規范中取值為3.8 W/m2， 并沒有溫度要求。由此可知， 在去除室內熱擾， 建筑物的單位面積耗熱量應當為兩者之和， 即12.8+3.8=16.6 W/m2。根據此建筑物單位面積耗熱量， 先利用天正暖通對建筑負荷進行計算。

表2 建筑圍護窗墻比

通過計算發現： 在上述圍護結構的情況下， 計算所得建筑物耗熱量指標要高大概6 W/m2。由此可知，體形系數對建筑物的能耗也有著不小的影響， 當體形系數無法滿足要求時， 應當適當調整窗墻比和圍護結構的保溫層厚度。本文選用的建筑在此圍護結構的條件下無法達到節能建筑的標準，需要進行調整。最終將建筑窗墻比修改如表2。

經計算， 修改后的建筑單位面積耗熱量指標恰好為16.6 W/m2， 滿足規范要求。將圍護結構參數設置到DeST中。

對窗戶設置淺色窗簾。將采暖房間室內溫度恒定設置為18℃ （即設置為連續采暖）。對于室內人員、 燈光 （DG）、 設備 （SB） 等的作息， 采用DeST的默認值， 分別對平時 （PS） 和周末 （ZM） 進行設置 （衛生間內不設置設備）。將參數設置完成后分別進行模擬。

2 模擬結果與數據處理

2.1 建筑耗熱量分析

在開始標準模擬前， 同樣對室內熱擾進行設置， 使其參數設置為 0，在此條件下 DeST 的建筑物單位面積耗熱量為12.9 W/m2。輸出DeST中采暖季日平均溫度后發現， DeST在采暖季的日平均溫度為 3.19 ℃， 與室內的溫差為 14.81 ℃， 相對于規范中的 1.8 ℃， 溫差在數值上要高。究其原因：規范中所采用的采暖天數為 92 天， 而 DeST 所取為整個采暖季， 因此 DeST 中所得溫差是規范值的 91%。將 91%作為修正系數對DeST的建筑單位耗熱量進行處理可得計算所得采暖季熱負荷指標為14.1 W/m2， 符合規范要求。

設置DeST的室內發熱量，對穩態算法對其進行模擬。與規范所給值列表如表3：

表3 建筑耗熱量指標

由表3可知， 室內熱擾設置恰好滿足規范要求， 模擬的建筑單位面積耗熱量， 盡管與傳統算法的值可能因為程序內部問題有所不同，但都合乎規范要求。因此， 可以對其進行正常模擬計算。

2.2 日平均溫度對應負荷

在穩態熱負荷計算中， 我國所取得采暖室外計算溫度是歷年平均不保證 5天的日平均溫度[3]。而在逐時負荷模擬中， 采暖季內每一時刻的室外溫度都被計算出來。因此，需要對逐時負荷進行處理才能得到所需日平均溫度以及對應的負荷。

對于日平均溫度tw′， 其中在計算中應為24 h 溫度的平均值， 即：

而在負荷計算中， 熱負荷Q為：

對于t w′-t n，其實可以看作是 24 個逐時溫度分別與室內溫度做差取平均值， 即：

因此，日平均溫度對應的負荷值也就是 24 個逐時負荷值的平均值。

利用上述結論對所得負荷值進行處理， 以模擬的節能 75%的建筑負荷為例， 按照不保證5 天的日平均溫度的方法，將溫度最低的5天的日平均溫度及其對應負荷去掉，剩下的溫度最低的一天為2月11日， 室外溫度為 -4.45 ℃， 模型熱負荷為 2.71 kW， 即不同節能狀態對應的穩態熱負荷值。

在冬季， 由于室外溫度的波動導致熱負荷實際是變化的。在采暖期間， 供熱設備如果一直按照峰值負荷來運行， 會造成嚴重的資源浪費。因此， 在進行模擬供熱時， 需要考慮不同室外溫度值的占比下對應的負荷值。表4為在采暖季中每階段室外日平均溫度最大值對應的負荷情況：

表4 每階段室外日平均溫度最大值對應負荷

由表 4 可以發現， 室外溫度與負荷的變化情況并不相同：與室外溫度最低值對應穩態熱負荷相比， 室外溫度逐漸升高， 負荷值有的升高， 有的反而降低。因此， 可以肯定， 不僅僅是溫度， 還有其他因素影響負荷的變化。

在此情況下，將每日的太陽負荷之和進行統計，提取對應日期的太陽負荷值進行分析， 如表5所示：

表5 每階段室外日平均溫度最大值對應太陽輻射

結合表4和表5可以發現，太陽輻射對于負荷影響很大， 太陽輻射越強， 冬季采暖時熱負荷越小。 因此，不能通過單純的分析室外溫度來得出模擬運行時負荷情況。由于采暖房間的設置計算溫度為18 ℃， 因此無法從室內溫度波動來進行分析， 只能從日平均負荷來入手。在實際工程中，往往用所求穩態負荷值的百分比值來作為采暖季不同階段調控采暖系統的主要依據， 即以穩態熱負荷為基準， 分別乘以不同的系數作為采暖期不同階段的熱負荷值。以表 6為例：

表6 不同比例的穩態熱負荷所占天數及比例

由表6可以發現，在去掉5個最不利溫度的負荷值后， 穩態負荷值在整個采暖季的負荷值占比與其所包括的采暖天數的占比并不相符。如果是按照這樣的值進行計算并選取采暖系統， 那么實際運行中將有大約20天無法滿足實際采暖需求。 這種情況下盡管節省了經濟， 但在同樣追求生活品質的今天， 室內溫度達不到要求， 勢必會造成熱用戶的不滿。因此， 這種單純以穩態負荷值的百分比值來分析采暖期的負荷變化以及所占天數并不是特別合理， 應當找一種新的方式來進行分析。為此，筆者將整個采暖季日平均負荷按照大小進行排列從中摘取不同占比的負荷值以及比該負荷值小的天數， 結果如表7所示：

表7 負荷占比及天數

由表7可知，由于統計的是采暖期每天的熱負荷值，因此負荷值的比例與天數的比例可以一一對應。實際的采暖季不同百分比的負荷值要比以穩態熱負荷為基準的同比例的負荷值要大20%～30%。

隨著節能建筑推廣應用， 不僅應當注意經濟效益，同時也應當注意用戶的使用感受。而同時保證兩者，除了必要的圍護結構建筑材料保溫特性外， 應當逐漸細化負荷等的計算。

3 典型日逐時負荷分析

在傳熱過程中，由 于圍護結構的存在，使 得熱量的傳遞存在衰減和延遲[3]。但對于熱負荷來說，Q=KFΔt， 熱 負荷的變化主要與溫差有關。因 此，在 這種理論下，室 外溫度變化應當與熱負荷變化同步。但對逐時熱負荷進行分析時，這 種理論無法合理解釋負荷的變化。以節能 75%的建筑逐時熱負荷為基礎，從 中挑選出典型日1月2日進行分析。該天的逐時熱負荷及室外干球溫度變化如圖2所示：

圖2 典型日熱負荷與室外干球溫度變化曲線

從圖2中可以看出：

①0:00～2:00 期間， 室外溫度回升， 熱負荷盡管有下降趨勢， 但坡度極緩， 幾乎看不出變化。

②7:00～8:00 期間， 室外溫度幾乎未變， 而室內熱負荷出現了大范圍的驟減。

③8:00～9:00， 溫度正在逐漸上升， 熱負荷也有所上升， 而在9:00～10:00， 熱負荷的變化卻停滯了。

④15:00時， 室外溫度達到了最大值， 但熱負荷的極值卻是出現在了13:00，13:00往后熱負荷逐漸上升。

⑤15:00 值后， 室外溫度逐漸下降， 但在 18:00 至19:00期間， 熱負荷甚至出現了小范圍的下降。

由于在日平均溫度對應的負荷值進行分析時， 出現過太陽輻射的干擾。因此， 筆者將太陽輻射， 室外溫度和熱負荷如圖3所示放在同一坐標軸內進行分析：

圖3 典型日熱負荷，室外干球溫度及太陽輻射變化曲線

結合太陽輻射以及人們的日常作息習慣， 上述問題可以做出解釋：

對于問題②來說： 在7:00時， 太陽輻射出現， 其值對于熱負荷的影響遠大于室外溫度對熱負荷的影響，太陽輻射變化的同時， 熱負荷在同步減小， 且兩者變化幅度很接近。

對于問題③： 由于從 8:00 到 9:00 期間， 很明顯可以看出8:00時太陽輻射開始降低， 太陽輻射比8:00的小峰值有了降低，熱負荷也幾乎同步開始升高。9:00后， 由于室外溫度的升高， 太陽輻射也逐漸升高， 二者的同時升高將室內熱負荷的漲勢停止， 9:00 至 10:00期間， 熱負荷幾乎無變化。

對于問題④： 這期間室外溫度雖然在穩步上升， 但在13:00時， 太陽輻射突增， 這種變化造成了熱負荷的大幅降低， 而在14:00往后， 太陽輻射又大幅度降低并逐漸減少， 而此時由于室外溫度在升高， 但對于熱負荷的影響程度不如13:00的太陽輻射強，因此熱負荷有了些許的回升， 但漲幅很緩， 變化不大。15:00后， 氣溫降低， 太陽輻射也降低， 熱負荷也隨之升高。

由于在問題①和問題⑤中已無太陽輻射， 因此需要從別的角度來進行分析。結合本文一開始交代的作息情況， 由于典型日挑選的是1月2日， 在日期設定中屬于上班日， 因此對于問題⑤可以這樣解釋： 在 18:00時， 由于人們下班回家， 室內熱擾增多， 因此熱負荷在6:00至7:00間有了些許的降低， 但 7:00之后由于室外溫度的逐漸降低， 因此熱負荷并未繼續降低， 而是緩慢上升。

而在問題①中，0:00～2:00期間，室內熱擾已經很小， 模擬中人們已入睡， 燈也都熄滅了。在夜晚， 對熱負荷有影響的， 除了室外溫度， 還有建筑表面對于天空的長波輻射。在白天計算熱負荷時，由于太陽輻射的強度遠遠大于長波輻射， 所以忽略長波輻射的作用是可以接受的。夜間沒有太陽輻射的作用，而天空的背景溫度遠遠低于室外空氣溫度， 因此建筑物向天空的輻射放熱量是不可忽略的 [4] 。而且， 由于本模擬所選建筑模型的體形系數為0.5， 其圍護結構在夜間向天空輻射的熱量的程度要更大。正因如此才會有室外溫度雖然上升， 但是建筑的熱負荷并未減小， 反倒在緩慢的上升。

4 結論

經過本文的 DeST模擬以及分析，可以得出以下結論：

1） 在考慮了長波輻射和太陽輻射后， 建筑熱負荷比傳統穩態熱負荷值大約減少了 15%， 因此， 設計中應盡量避免建筑晝夜間長波輻射及太陽輻射等對建筑運行能耗的影響。

2） 隨著建筑圍護結構保溫性能進一步增強， 在良好的保溫性能條件下， 應當逐漸重視對于不同建筑功能的室內人員作息、 燈光、 設備啟停等狀況對室內熱負荷的影響， 減少人員擾動， 同時對這些參數的設置應有一個規范的設置要求與指導。

3） 體型系數是建筑節能的一個重要參數， 體型系數超過規范標準需對圍護結構保溫隔熱性能進行調整， 以達到良好的保溫效果。

參考文獻

[1] 夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準(JGJ134-2010)[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2010

[2] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1993

[3] 章熙民.傳熱學[M].北京: 中國建筑工業出版社,2001

[4] 朱穎心.建筑環境學[M].北京:中國建筑工業出版社,2005