夏熱冬冷地區(qū)既有建筑節(jié)能改造探究

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夏熱冬冷地區(qū)既有建筑節(jié)能改造探究

摘  要  使用清華斯維爾軟件公司開發(fā)的節(jié)能設(shè)計(jì)軟件TH-BECS2008，對夏熱冬冷地區(qū)（南京）的一幢既有公共建筑的能耗隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)（外墻、外窗、遮陽）改善的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得出對圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的改造對建筑能耗的影響。

關(guān)鍵詞  圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造，動態(tài)負(fù)荷，影響因子

1 引言

南京位于夏熱冬冷地區(qū)，該地區(qū)夏季悶熱，冬季寒冷，室內(nèi)熱環(huán)境較差。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平快速提高，空調(diào)設(shè)備也得到普及使用。如何通過改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，使建筑物具有良好的室內(nèi)熱舒適性，降低建筑耗能成為急需研究的課題。目前八十年代以來的既有建筑仍占有相當(dāng)大比重，因此在對新建建筑加以節(jié)能設(shè)計(jì)的同時，還應(yīng)研究對既有建筑的節(jié)能改造。本文以南京的某幢既有公共建筑為例進(jìn)行了動態(tài)負(fù)荷計(jì)算，分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造對建筑能耗的影響。

2 軟件計(jì)算模型

斯維爾軟件采用DOE-2.1E-119計(jì)算內(nèi)核，DOE-2用反應(yīng)系數(shù)法[1]來計(jì)算建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量。反應(yīng)系數(shù)法，將計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為線性的熱力系統(tǒng)，利用系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得出某單位擾量（如三角波）作用下的反應(yīng)系數(shù)，也即單位擾量作用下系統(tǒng)的得熱量，由于任意變化的室外溫度可以分解成一個個可迭加的三角波，利用導(dǎo)熱微分方程可迭加的性質(zhì)，因此可通過反應(yīng)系數(shù)來求解系統(tǒng)得熱量。反應(yīng)系數(shù)法用時間序列表示外擾變化，不考慮外擾是否呈周期性變化，反應(yīng)系數(shù)的計(jì)算可參考專門的資料[2]。若反應(yīng)系數(shù)已知，就可利用下式計(jì)算第n個時刻,從室外通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室內(nèi)的傳熱得熱量。

空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算中，室溫相對恒定，假定tr不變，以一年8760小時為計(jì)算區(qū)間模擬全年空調(diào)負(fù)荷，則第n時刻的得熱量為：

則n時刻的室內(nèi)冷負(fù)荷為：

3  原有建筑動態(tài)負(fù)荷模擬計(jì)算：

3.1  建筑概況

辦公建筑，建筑節(jié)能計(jì)算面積7193 m2，高度55.5 m，層數(shù)16層，建筑外表面積為：6090.32 m2，體形系數(shù)0.246。各向窗墻比：東向：0.09，西向：0.31，南向：0.42，北向：0.25，均滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2005)第4.2.4條各朝向窗墻比不超過0.7的規(guī)定[3]。

3.2  軟件建模如下：

改造前主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)的做法：

1. 屋頂構(gòu)造：加氣混凝土找坡160   傳熱系數(shù)：K=0.983 W/m•K

2. 外墻構(gòu)造：磚墻240   傳熱系數(shù)：K=2.017 W/m•K

3. 地面構(gòu)造：大理石+砂漿40+細(xì)混凝土60+厚混凝土100+沙石墊層100+素土夯實(shí)800 傳熱系數(shù)：K=3.109 W/m•K

4. 外窗構(gòu)造：6透明玻璃-非隔熱金屬窗框  K=6.5 W/m•K

人員密度值：4 m2/人

照明功率密度值：25 W/m2

電器設(shè)備功率密度值：20 W/m2

3.3  計(jì)算結(jié)果與分析：

表1：全年逐月動態(tài)負(fù)荷

月份

一

二

三

四

五

六

七

八

九

十

十一

十二

總計(jì)

冷負(fù)荷（MWh）

10.8

6.2

24

52.3

66.6

121

178

141

104

68.2

44.6

13.9

830.4

熱負(fù)荷（MWh）

-139

-133

-77

-31

-12

-1.1

-0

-0

-0.8

-9.6

-37

-103

-544

由表1可知全年總冷負(fù)荷為：1169.078MWh，最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在七月192.896 MWh，冷負(fù)荷指標(biāo)為162.5 kWh/m2；全年總熱負(fù)荷為：-513.212MWh，最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在一月-132.114MWh，熱負(fù)荷指標(biāo)為-71.35 kWh/m2。

模擬結(jié)果分析：

冬季某些時刻可能同時存在著熱負(fù)荷與少量的冷負(fù)荷，這是由于在冬季為克服建筑內(nèi)部的燈光、設(shè)備、人體的散熱量以及在白天太陽輻射得熱所造成的冷負(fù)荷。

圖1中，可以看出全年冷負(fù)荷中，由于外窗的太陽輻射得熱而引起的冷負(fù)荷占了最大的比例47.6%，通過外墻導(dǎo)熱而引起的冷負(fù)荷占7.1%，屋頂占0.5%。人員占20.5%，燈光占14.2%，設(shè)備占22.4%。

圖2中，全年熱負(fù)荷中，由于外窗導(dǎo)熱產(chǎn)生的熱負(fù)荷占了最大的比例69.9%，外墻導(dǎo)熱占了69.1%，屋頂占3.4%。外窗輻射得熱抵消了部分熱負(fù)荷-28.9%，人員-7.8%，燈光-7.4%，設(shè)備-8.1%。

由此可知，外墻在建筑熱負(fù)荷中占了相當(dāng)大的比重，而在冷負(fù)荷占的比例相對較小。

 

圖1 建筑各部分在冷負(fù)荷中的比例

圖2 建筑各部分在熱負(fù)荷中的比例

4  改造建筑動態(tài)負(fù)荷模擬計(jì)算

在研究中采用僅改造外墻，即在外墻外表面上用聚氨酯做保溫，而外窗，屋面，室內(nèi)人員，燈光，設(shè)備的條件都不變的條件下，對外墻加以能耗模擬分析，考察外墻傳熱對冷熱負(fù)荷的影響。

4.1  僅改外墻構(gòu)造

分別將外墻的外側(cè)加5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm的聚氨酯保溫。保溫后的外墻傳熱系數(shù)分別為：1.494W/m•K、1.186W/m•K、0.984W/m•K、0.84W/m•K、0.733W/m•K、0.65W/m•K、0.584W/m•K。

圖3 建筑冷負(fù)荷變化規(guī)律

圖4 建筑熱負(fù)荷變化規(guī)律

外墻改造后熱負(fù)荷顯著減少，但冷負(fù)荷減少的并不明顯，由改造前的115.4 kWh/m2減少為113.3 kWh/m2，熱負(fù)荷指標(biāo)由改造前的-75.6 kWh/m2減少為-66.2 kWh/m2。且負(fù)荷指標(biāo)的降低并非按線性規(guī)律變化，減少的程度隨著外墻傳熱系數(shù)的減少而減少，為此定義節(jié)能率[4]：

圖5 建筑負(fù)荷節(jié)能率的變化規(guī)律

由圖5可知：增強(qiáng)外墻的保溫性能，可使冷熱負(fù)荷影響因子增大，且當(dāng)傳熱系數(shù)小于1 W/m•K時，影響因子的增大趨勢減少，而外墻做保溫所需的經(jīng)濟(jì)成本不斷升高，因此應(yīng)綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的可行性。此外，增強(qiáng)外墻的保溫，對熱負(fù)荷的影響要大于對冷負(fù)荷的影響且在五到七倍之間。

4.2  僅改外窗構(gòu)造

改造外窗的傳熱系數(shù)分別為：6.5W/m•K、5.5W/m•K、4.5W/m•K、3.5W/m•K、2.5W/m•K、2W/m•K。

計(jì)算結(jié)果分析：計(jì)算得到節(jié)能率隨著外窗傳熱系數(shù)的變化趨勢如下所示：

圖6 建筑負(fù)荷節(jié)能率的變化規(guī)律

由圖6可以看出由于外窗導(dǎo)熱系數(shù)的減少，外窗結(jié)構(gòu)的保溫性能增強(qiáng)，使建筑熱負(fù)荷減少，建筑冷負(fù)荷略有增加，這是因?yàn)樵谶^渡季節(jié)，由于外窗的保溫性能增強(qiáng)，使得由室內(nèi)進(jìn)入環(huán)境的熱量減少，也即使冷負(fù)荷增加。

4.3  僅改遮陽的構(gòu)造

采用內(nèi)外遮陽設(shè)施夏季（六月至九月底）遮陽系數(shù)0.2，冬季（12月至次年2月底）0.8，過渡季0.5。

計(jì)算結(jié)果分析：采用遮陽設(shè)施以后，全年建筑冷負(fù)荷由1169.078MWH降低為926.338MWH，全年建筑熱負(fù)荷由-513.212MWH降低為-266.667MWH，建筑冷熱負(fù)荷節(jié)能率分別為20.8%，48%，節(jié)能效果很明顯，建筑中各個部分在冷熱負(fù)荷中的比例見圖7，圖8?？梢钥闯鲇捎诓捎昧苏陉栐O(shè)施，外窗輻射在冷負(fù)荷中所占的比例大大減少。

圖7 建筑各部分在冷負(fù)荷中的比例

圖8 建筑各部分在熱負(fù)荷中的比例

5  結(jié)論

上述模擬計(jì)算結(jié)果表明：

1）夏熱冬冷地區(qū)，增強(qiáng)外墻的保溫性能，降低外墻的傳熱系數(shù)，可使冷熱負(fù)荷影響因子增大，也即使夏季冷負(fù)荷，冬季熱負(fù)荷均降低，但敏感的程度不同，對熱負(fù)荷的改善作用大大高于對冷負(fù)荷的改善作用，對熱負(fù)荷的影響要大于對冷負(fù)荷的影響且在五到七倍之間。

2）夏熱冬冷地區(qū)，外窗結(jié)構(gòu)的保溫性能增強(qiáng)，使建筑熱負(fù)荷減少，建筑冷負(fù)荷略有增加。

3）夏熱冬冷地區(qū)，對遮陽設(shè)施的改善可大大降低建筑的冷熱負(fù)荷 。