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夏熱冬冷地區(qū)既有建筑節(jié)能改造探究
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 。
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