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)能設計軟件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結構（外墻、外窗、遮陽）改善的變化規(guī)律進行了分析，得出對圍護結構各部分的改造對建筑能耗的影響。

關鍵詞  圍護結構改造，動態(tài)負荷，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)濟發(fā)展和人民生活水平快速提高，空調(diào)設備也得到普及使用。如何通過改善建筑圍護結構熱工性能，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大比重，因此在對新建建筑加以節(jié)能設計的同時，還應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行了動態(tài)負荷計算，分析了圍護結構的改造對建筑能耗的影響。

2 軟件計算模型

斯維爾軟件采用DOE-2.1E-119計算內(nèi)核，DOE-2用反應系數(shù)法[1]來計算建筑圍護結構的傳熱量。反應系數(shù)法，將計算圍護結構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，利用導熱微分方程可迭加的性質(zhì)，因此可通過反應系數(shù)來求解系統(tǒng)得熱量。反應系數(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，反應系數(shù)的計算可參考專門的資料[2]。若反應系數(shù)已知，就可利用下式計算第n個時刻,從室外通過圍護結構向室內(nèi)的傳熱得熱量。

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

則n時刻的室內(nèi)冷負荷為：

3  原有建筑動態(tài)負荷模擬計算：

3.1  建筑概況

辦公建筑，建筑節(jié)能計算面積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)能設計標準》(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：

改造前主要圍護結構的做法：

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

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

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

4. 外窗構造：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

電器設備功率密度值：20 W/m2

3.3  計算結果與分析：

表1：全年逐月動態(tài)負荷

月份

一

二

三

四

五

六

七

八

九

十

十一

十二

總計

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

模擬結果分析：

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

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

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

由此可知，外墻在建筑熱負荷中占了相當大的比重，而在冷負荷占的比例相對較小。

 

圖1 建筑各部分在冷負荷中的比例

圖2 建筑各部分在熱負荷中的比例

4  改造建筑動態(tài)負荷模擬計算

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荷的影響。

4.1  僅改外墻構造

分別將外墻的外側加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 建筑冷負荷變化規(guī)律

圖4 建筑熱負荷變化規(guī)律

外墻改造后熱負荷顯著減少，但冷負荷減少的并不明顯，由改造前的115.4 kWh/m2減少為113.3 kWh/m2，熱負荷指標由改造前的-75.6 kWh/m2減少為-66.2 kWh/m2。且負荷指標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 建筑負荷節(jié)能率的變化規(guī)律

由圖5可知：增強外墻的保溫性能，可使冷熱負荷影響因子增大，且當傳熱系數(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)濟成本不斷升高，因此應綜合考慮技術與經(jīng)濟的可行性。此外，增強外墻的保溫，對熱負荷的影響要大于對冷負荷的影響且在五到七倍之間。

4.2  僅改外窗構造

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。

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

圖6 建筑負荷節(jié)能率的變化規(guī)律

由圖6可以看出由于外窗導熱系數(shù)的減少，外窗結構的保溫性能增強，使建筑熱負荷減少，建筑冷負荷略有增加，這是因為在過渡季節(jié)，由于外窗的保溫性能增強，使得由室內(nèi)進入環(huán)境的熱量減少，也即使冷負荷增加。

4.3  僅改遮陽的構造

采用內(nèi)外遮陽設施夏季（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。

計算結果分析：采用遮陽設施以后，全年建筑冷負荷由1169.078MWH降低為926.338MWH，全年建筑熱負荷由-513.212MWH降低為-266.667MWH，建筑冷熱負荷節(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荷中的比例見圖7，圖8?？梢钥闯鲇捎诓捎昧苏陉栐O施，外窗輻射在冷負荷中所占的比例大大減少。

圖7 建筑各部分在冷負荷中的比例

圖8 建筑各部分在熱負荷中的比例

5  結論

上述模擬計算結果表明：

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

2）夏熱冬冷地區(qū)，外窗結構的保溫性能增強，使建筑熱負荷減少，建筑冷負荷略有增加。

3）夏熱冬冷地區(qū)，對遮陽設施的改善可大大降低建筑的冷熱負荷 。