窗戶(hù)傳熱系數(shù)對(duì)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響

袁麗婷, 亢燕銘, 鐘 珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海201620)

夏季悶熱、冬季寒冷是我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)的典型氣候特征。隨著人們對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境水平要求的提高, 利用空調(diào)分別改善兩個(gè)典型季節(jié)的室內(nèi)熱環(huán)境已成為一種普遍方式, 但這僅限于城市。在鄉(xiāng)村, 由于受經(jīng)濟(jì)條件和生活習(xí)慣等的制約, 很多家庭仍未安裝空調(diào)設(shè)備, 即使部分家庭安裝了空調(diào)設(shè)備, 但也僅在天氣極端惡劣情況下使用[1]。因此, 自然通風(fēng)條件下室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)農(nóng)村居民的生活質(zhì)量具有很大影響。

外窗是圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的重要組成部分, 通過(guò)玻璃和窗框的傳熱損失約占空調(diào)能耗的30 %[2-5]。Oral[6]通過(guò)分析不同類(lèi)型窗戶(hù)對(duì)供暖能耗的影響發(fā)現(xiàn), 無(wú)論何種類(lèi)型窗戶(hù), 隨著窗戶(hù)傳熱系數(shù)的減小, 房間日平均熱損失均減小。Amaral等[7]也就空調(diào)能耗對(duì)窗戶(hù)性能(朝向、尺寸、遮陽(yáng)和綜合傳熱系數(shù))進(jìn)行了優(yōu)化。

上述文獻(xiàn)均圍繞窗戶(hù)傳熱系數(shù)對(duì)空調(diào)建筑能耗的影響來(lái)分析, 實(shí)際上, 自然通風(fēng)建筑的室內(nèi)外溫差遠(yuǎn)小于空調(diào)房間, 并且空調(diào)房間中室內(nèi)氣溫在夏(冬)季絕大多數(shù)時(shí)間低(高)于室外氣溫, 熱量單向傳遞, 而自然通風(fēng)建筑中, 室內(nèi)外氣溫相對(duì)大小不一, 熱量傳遞方向會(huì)頻繁改變。因此, 外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑傳熱過(guò)程及熱環(huán)境的影響在自然通風(fēng)建筑與空調(diào)建筑中不同。然而, 目前關(guān)于外窗傳熱系數(shù)對(duì)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境影響的研究仍較少。

為探究外窗傳熱系數(shù)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)建筑夏、冬季室內(nèi)熱環(huán)境的影響規(guī)律, 本文采用EnergyPlus模擬程序, 以上海地區(qū)的氣候特征為背景, 針對(duì)自然通風(fēng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱特點(diǎn)和室內(nèi)氣溫變化進(jìn)行計(jì)算和討論。

1 數(shù)值模型的建立

DOE-2、DeST和EnergyPlus均為常用建筑能耗模擬程序。DOE-2在計(jì)算過(guò)程中, 需假定室內(nèi)溫度恒定, 故不適用于自然通風(fēng)建筑中的傳熱計(jì)算[8]；DeST可在考慮空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合換熱關(guān)系的基礎(chǔ)上求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷, 但不能輸出壁面溫度等過(guò)程量, 因此無(wú)法深入分析室內(nèi)熱環(huán)境[8]；EnergyPlus采用CTF (conduction transfer function)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱, 是一種更為精確的反應(yīng)系數(shù)法, 并采用熱平衡法計(jì)算負(fù)荷。EnergyPlus數(shù)值程序克服了DOE-2和DeST在計(jì)算自然通風(fēng)狀態(tài)下傳熱的局限[8], 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)得到的結(jié)果更為合理。

1.1 建筑模型

本文研究對(duì)象為上海郊區(qū)典型居住建筑中間層中間位置房間。由于居住建筑普遍為南北朝向, 故選擇住宅建筑內(nèi)南向客廳作為計(jì)算對(duì)象。房間內(nèi)部尺寸為進(jìn)深 × 寬 × 高 = 5 m × 3 m × 2.8 m, 外墻窗戶(hù)尺寸為寬× 高 = 2 m × 1.6 m。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)Table 1 Thermal parameters of building envelope

根據(jù)JCJ 134—2010分別選用傳熱系數(shù)為4.7、4.0、3.2和2.5 W/(m2·℃) 的4種標(biāo)準(zhǔn)外窗材料進(jìn)行研究。

取窗戶(hù)遮陽(yáng)系數(shù)為0.4, 夏季采用外遮陽(yáng)使得外窗幾乎接收不到太陽(yáng)直接輻射, 冬季不采取遮陽(yáng)措施。夏季每日9:00～20:00時(shí)段內(nèi)窗戶(hù)緊閉, 空氣滲透換氣次數(shù)為0.5次/h,其他時(shí)段窗戶(hù)部分開(kāi)啟, 通風(fēng)換氣次數(shù)為4次/h;冬季全天窗戶(hù)均緊閉, 空氣滲透換氣次數(shù)為0.5次/h。

室內(nèi)熱源包括一人(代謝率46 W/m2)、電視機(jī)一臺(tái)(100 W)、節(jié)能燈一盞(8 W)和夏季電風(fēng)扇一臺(tái)(60 W)。

1.2 氣候條件

本文以上海實(shí)際氣候條件為背景進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境計(jì)算, 夏季計(jì)算計(jì)算時(shí)間為6月1日～9月30日, 冬季為12月1日～次年3月30日。

由于EnergyPlus未集成上海市整個(gè)夏季和冬季的室外氣象數(shù)據(jù), 為了反映實(shí)際室外氣候, 本文采用上海2012年的氣象數(shù)據(jù), 按照內(nèi)嵌數(shù)據(jù)的格式取代程序中的原有氣象數(shù)據(jù), 用于模擬仿真。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

2 結(jié)果與分析

在自然通風(fēng)房間中, 外墻內(nèi)壁面與室內(nèi)換熱量q1、室內(nèi)外溫差下窗戶(hù)傳熱q2、自然通風(fēng)換熱量q3、通過(guò)窗戶(hù)日射得熱q4、室內(nèi)人和設(shè)備向室內(nèi)對(duì)流散熱q5、空氣的得熱量q6及內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面與室內(nèi)空氣換熱量q7, 這7部分因素共同構(gòu)成房間的熱平衡關(guān)系。房間的熱平衡關(guān)系如式(1)所示。

(1)

2.1 降低窗戶(hù)傳熱系數(shù)改善自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的潛力

隨著室外氣候日夜變化, 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分傳熱的強(qiáng)度和傳遞方向均可能發(fā)生變化, 最終留在室內(nèi)的得熱量決定了下一日室內(nèi)熱環(huán)境變化趨勢(shì)。房間每日凈得熱量Qnet表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

(a) 夏季

(b) 冬季圖1 房間日凈得熱量、室內(nèi)空氣及內(nèi)墻內(nèi)表面日平均溫度變化趨勢(shì)Fig.1 Variation tendency of daily net heat gain of the room and the mean daily indoor air and internal wall surface temperature

通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入(出)房間的凈熱量是導(dǎo)致自然通風(fēng)房間熱環(huán)境惡化的根本原因, 為此本文將夏季傳入(冬季傳出)房間的熱量稱(chēng)之為不利傳熱量。窗戶(hù)作為傳熱薄弱部位, 其傳熱量是房間凈得熱量的重要組成部分。為評(píng)估降低窗戶(hù)傳熱系數(shù)對(duì)自然通風(fēng)房間熱環(huán)境的改善潛力, 本文將窗戶(hù)傳熱形成的不利傳熱量占總不利傳熱量的比值定義為窗戶(hù)傳熱不利因子η, 計(jì)算式如式(3)所示。

(3)

式中：Q2為窗戶(hù)傳熱造成的不利傳熱量總和, MJ；Qsum為自然通風(fēng)房間通過(guò)所有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)熱源得到的總不利傳熱量, MJ。窗戶(hù)不利因子越大, 表明窗戶(hù)傳熱對(duì)自然通風(fēng)房間熱環(huán)境產(chǎn)生的不利影響越大, 降低窗戶(hù)傳熱系數(shù)可提高室內(nèi)熱環(huán)境的改善潛力。

夏季和冬季窗戶(hù)傳熱不利因子隨窗戶(hù)傳熱系數(shù)的變化曲線如圖2所示。由圖2(a)可知, 即使窗戶(hù)傳熱系數(shù)很大, 夏季各月窗戶(hù)傳熱不利因子均小于0.25。這表明, 在夏季, 相對(duì)其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)熱源, 窗戶(hù)傳熱對(duì)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境造成的不利影響很小, 降低窗戶(hù)傳熱系數(shù)對(duì)夏季室內(nèi)熱環(huán)境的改善潛力較小。在冬季(見(jiàn)圖2(b)), 不論窗戶(hù)傳熱系數(shù)如何變化,各月窗戶(hù)傳熱不利因子均大于0.55,意味著窗戶(hù)傳熱造成的不利傳熱量遠(yuǎn)大于其他外圍護(hù)結(jié)構(gòu), 即窗戶(hù)傳熱是冬季室內(nèi)熱環(huán)境惡化的主要原因。因此, 降低窗戶(hù)傳熱系數(shù)對(duì)冬季室內(nèi)熱環(huán)境具有很大的改善潛力。

(a) 夏季

(b) 冬季圖2 窗戶(hù)傳熱不利因子隨窗戶(hù)傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)Fig.2 Variation tendency of the disadvantage factor with heat transfer coefficient of windows

2.2 提高窗戶(hù)保溫性能改善自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的效果

當(dāng)窗戶(hù)傳熱系數(shù)不同時(shí), 夏季和冬季室內(nèi)空氣、外墻和內(nèi)墻內(nèi)表面溫度(Ti、θi和Tw)變化曲線如圖3所示。由圖3(a)可以看出, 夏季室內(nèi)氣溫和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度幾乎均不受窗戶(hù)傳熱系數(shù)的影響, 表明降低窗戶(hù)傳熱系數(shù)對(duì)夏季室內(nèi)熱環(huán)境幾乎無(wú)改善效果, 這與2.1節(jié)的預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

由圖3(b)可知, 與夏季情況不同, 減小窗戶(hù)傳熱系數(shù), 不僅可顯著提高冬季室內(nèi)氣溫, 還可以提高外墻和內(nèi)墻的內(nèi)表面溫度, 溫度升高幅度約為1～3 ℃。這表明提高窗戶(hù)保溫性能可有效改善自然通風(fēng)房間冬季室內(nèi)熱環(huán)境, 與2.1節(jié)的預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

在冬季, 自然通風(fēng)建筑室內(nèi)氣溫與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度有一定差別, 由于空氣溫度和固體表面溫度共同影響著人體熱舒適, 因此, 需要將兩者結(jié)合起來(lái)評(píng)價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境。本文采用操作溫度Top反映室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度的綜合影響, 其計(jì)算表達(dá)式如式(4)和(5)所示。

(4)

hc=8.3v0.5

(5)

當(dāng)窗戶(hù)傳熱系數(shù)不同時(shí), 冬季室內(nèi)操作溫度頻率分布曲線如圖4所示。

圖4 窗戶(hù)傳熱系數(shù)不同時(shí), 冬季室內(nèi)操作溫度頻率分布Fig.4 Frequency of operative temperature for different heat transfer coefficient of windows

由圖4可知, 自然通風(fēng)房間冬季室內(nèi)操作溫度呈現(xiàn)雙峰或多峰分布。隨窗戶(hù)傳熱系數(shù)減小, 頻率峰值右移, 即頻率峰值對(duì)應(yīng)的操作溫度升高, 甚至在更高的溫度段還會(huì)增加頻率峰值。例如, 當(dāng)傳熱系數(shù)較大時(shí)(4.7 W/(m2·℃)和4.0 W/(m2·℃)), 操作溫度有兩個(gè)頻率峰值, 分別出現(xiàn)在低溫段(Top<12 ℃)和較高溫度段(12 ℃17 ℃)又多了一個(gè)頻率峰值。

整個(gè)冬季, 當(dāng)窗戶(hù)傳熱系數(shù)不同時(shí), 室內(nèi)操作溫度累計(jì)時(shí)間(小于某溫度的累計(jì)小時(shí)數(shù))如圖5所示。據(jù)國(guó)際衛(wèi)生學(xué)規(guī)定, 室內(nèi)熱環(huán)境最低限值為12 ℃, 因此操作溫度低于12 ℃的區(qū)間視為不可接受區(qū)。由圖5可知, 窗戶(hù)傳熱系數(shù)對(duì)整個(gè)冬季操作溫度分布有明顯影響, 窗戶(hù)傳熱系數(shù)由4.7 W/(m2·℃)降低至2.5 W/(m2·℃)時(shí), 室內(nèi)操作溫度低于12 ℃ 的時(shí)間從2 000 h降為1 500 h, 減少了約25%。

圖5 窗戶(hù)傳熱系數(shù)不同時(shí)整個(gè)冬季操作溫度累計(jì)時(shí)間曲線圖Fig.5 Cumulative hours of operative temperature during winter for different heat transfer coefficient of windows

由圖5還可以看出, 統(tǒng)計(jì)溫度越低, 相應(yīng)的累計(jì)時(shí)間隨著窗戶(hù)傳熱系數(shù)降低而減少的幅度越大, 表明提高窗戶(hù)保溫性能對(duì)低要求熱環(huán)境的改善效果更有效。

為了評(píng)價(jià)冬季窗戶(hù)傳熱系數(shù)降低對(duì)自然通風(fēng)房間室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果, 本文定義熱環(huán)境偏離溫差ΔTop為

ΔT(τ)=TL-Top(τ),當(dāng)Top

(6)

ΔT(τ)=0，當(dāng)Top>TL

(7)

(8)

式中：ΔT(τ)為室內(nèi)操作溫度低于可接受最低溫度的程度, ℃；τwin為整個(gè)冬季總時(shí)間，h；TL為夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)房間熱環(huán)境可接受最低溫度, 本文取TL=12 ℃。熱環(huán)境偏離溫差的值越大, 室內(nèi)熱舒適性越差。

冬季熱環(huán)境偏離溫差隨窗戶(hù)傳熱系數(shù)變化曲線如圖6所示。由圖6可知, 隨窗戶(hù)傳熱系數(shù)減小, 冬季熱環(huán)境偏離溫差的值幾乎直線下降。熱環(huán)境偏離溫差在窗戶(hù)傳熱系數(shù)為4.7 W/(m2·℃)時(shí)高達(dá)2 ℃, 而當(dāng)傳熱系數(shù)減小至2.5 W/(m2·℃), 僅為0.8 ℃, 即熱環(huán)境偏離溫差降低了60 %。由此可見(jiàn), 提高窗戶(hù)保溫性能是改善夏熱冬冷地區(qū)冬季自然通風(fēng)建筑室內(nèi)環(huán)境的有效途徑。

圖6 冬季熱環(huán)境偏離溫差隨窗戶(hù)傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)Fig.6 Variation tendency of temperature difference of thermal unacceptability with the heat transfer coefficient of windows

由圖6還可以看出, 熱環(huán)境偏離溫差與窗戶(hù)傳熱系數(shù)幾乎呈線性關(guān)系, 擬合結(jié)果如式(9)所示。

ΔTop=0.52K0.47 (TL=12 ℃)

(9)

根據(jù)式(9), 可以方便地估計(jì)出上海地區(qū)不同氣候條件下, 窗戶(hù)傳熱系數(shù)與自然通風(fēng)房間冬季室內(nèi)熱環(huán)境的關(guān)系。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用EnergyPlus模擬程序, 分析了夏季和冬

季窗戶(hù)傳熱系數(shù)對(duì)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響。為了評(píng)估降低窗戶(hù)傳熱系數(shù)對(duì)熱環(huán)境的改善潛力和效果, 本文提出了不利因子和熱環(huán)境偏離溫差, 主要結(jié)論如下：

(1) 在冬季, 不論窗戶(hù)傳熱系數(shù)如何變化,窗戶(hù)傳熱不利因子均大于0.55, 而在夏季, 即使窗戶(hù)傳熱系數(shù)很大, 窗戶(hù)傳熱不利因子仍小于0.25, 表明窗戶(hù)傳熱是自然通風(fēng)建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境惡化的主要原因, 但對(duì)夏季室內(nèi)熱環(huán)境造成的不利影響很小。因此, 降低窗戶(hù)傳熱系數(shù)可改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境的潛力較大, 而改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境的潛力較小。

(2) 在冬季, 提高外窗保溫性能可明顯減少自然通風(fēng)建筑室內(nèi)操作溫度處于不舒適范圍內(nèi)的時(shí)間, 且熱環(huán)境要求越低改善效果越好。

(3) 隨窗戶(hù)傳熱系數(shù)減小, 冬季熱環(huán)境偏離溫差幾乎直線下降, 故為了改善夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)建筑的室內(nèi)熱環(huán)境, 應(yīng)盡量提高窗戶(hù)的保溫性能。

參 考 文 獻(xiàn)

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