提要 本文使用集成于CAD之上的模拟软件DeST(Designer's Simulation Toolkit),通过状态空间法计算房间的冷、热负荷和热特性,对北京地区典型的板式和塔式住宅建筑进行了逐时模拟计算。计算中考虑建筑外表面的阴影遮挡、建筑内部发热量、房间与外界以及房间之间的通风换气。最后得出不同朝向、体形系数、外墙传热系数时建筑的采暖耗热量与热负荷指标。通过分析这些结果,得出不同建筑参数对冬季两个采暖指标的影响,从而给出住宅建筑整体设计的相关指导性结果。对实际中可能出现的朝向、体形系数的建筑,本文则给出了耗热量和热负荷指标的变化比例。为了达到节能要求,对于偏东西朝向或体形系数超出标准的建筑物,需要降低围护传热系数,加强保温性能,以满足节能住宅相关标准。 关键词 耗热量指标 热负荷指标 住宅建筑 | 一、前言
目前,建筑能耗(包括建材生产能耗、建筑施工能耗、建筑使用能耗)占国家总能耗的第一位。我国的建筑能耗约占总能耗的25%,在一些发达国家可高达30%~40%,因此建筑节能具有非同一般的意义。在建筑能耗中,使用能耗(按期50年计)约占总能耗的80%~90%。建筑围护结构能耗是建筑使用能耗的重要组成部分,其占建筑能耗的比例随建筑类型的不同而有差异,其中住宅建筑的围护结构能耗所占比例圈套。减少住宅建筑的围护结构能耗对于建筑节能具有非同一般的意义。 二、计算对象描述与条件设定 在Dest软件中构造住宅建筑,砖混结构的板式与塔式住宅(图1),通过模拟计算得出其冬季采暖的耗热量与热负荷指 标。 图1 板式(左)和塔式(右)建筑平面图及各户编号 计算中使用北京地区气象数据,采暖期平均外温为-1.4℃,低于-9℃时间为122小时,平均总辐射强度为384W/m2,平均散射辐射强度为114 W/m2。采暖天数由11月12日至次年3月20日,共129天。建筑内部发热量按照《民用建筑节能设计标准》(采暖居住建筑部分)定义采暖期内住宅单位建筑面积的建筑物内部得热量(包括炊事、照明、家电和人体散热)为3.8 W/m2。房间与外界的换气次数按照《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》(GB7107)中建筑外窗空气渗透性能分级规定的级水平定义,即空气渗透量为2.5m3(m·h)。内部房间之间的换气次数为0.5次。 建筑围护结构定义 表1 类别 | 板楼 | 塔楼 | 构件名称 | 导热热阻 (m3K)/W·h | 传热系数 W/m2 | 构件名称 | 导热热阻 (m3K)/W·h | 传热系数 W/m2 | 外墙 | 37砖外墙 | 0.629 | 1.04 | 混凝土保温外墙 | 0.647 | 1.02 | 内墙 | 24砖外墙 | 0.338 | 1.10 | 混凝土隔墙 | 0.237 | 1.24 | 楼梯间内墙 | 37砖内墙 | 0.629 | 0.83 | 混凝土保温内墙 | 0.647 | 0.82 | 屋顶 | 加气混凝土保温屋面 | 0.607 | 0.54 | 加气混凝土保温屋面 | 0.607 | 0.54 | 楼地 | 混凝土保温楼地 | 3.239 | 0.29 | 混凝土保温楼地 | 3.239 | 0.29 | 楼板 | 钢筋混凝土保温楼板 | 1.895 | 0.32 | 钢筋混凝土保温楼板 | 1.895 | 0.32 | 门 | 双层实体木制外门 | ―― | 2.3 | 双层实体木制外门 | ―― | 2.3 | 窗 | 双层铝合金窗 | ―― | 3.2 | 双层铝合金窗 | ―― | 3.2 |
三、模拟计算结果及分析 1.不同朝向计算结果 不同朝向的耗热量与热负荷结果汇总(W/m2) 表2 南向角度 | 270度 | 255度 | 240度 | 225度 | 210度 | 195度 | 180度 | 6层板楼耗热量 | 19.63 | 19.83 | 240.33 | 20.80 | 21.04 | 21.11 | 21.17 | 16层板楼耗热量 | 18.67 | 18.80 | 19.16 | 19.45 | 19.52 | 19.45 | 19.45 | 6层板楼热负荷 | 37.71 | 38.54 | 42.28 | 45.02 | 46.27 | 46.85 | 47.49 | 16层板楼热负荷 | 38.64 | 38.67 | 38.84 | 38.97 | 39.01 | 39.05 | 39.17 |
按照最大的幅度计算,板楼与塔楼的耗热量分别增加7.8%和4.5%,热负荷分别增加25.9%和1.4%。 6层板楼和16层塔楼不同朝向时的耗热量指标 图2 不同朝向时势建筑物耗热量指标(W/m2) 朝向对耗热量指标、热负荷招标的影响可总结为: 1.建筑物朝向的变化主要为接受的太阳辐射多少的变化: 2.建筑物朝南时耗热量和热负荷最小,南向角度变化后,两指标祭同程度地增大; 3.板楼的耗热量和热负荷受朝向影响较大,塔楼则不明显; 4.部分房间由于所处位置的原因,会有相反的变化,但不影响整幢建筑的变化趋势。 2.不同体形系数计算结果 图3 建筑物大批量指标随体形系数变化曲线 图4 建筑物热负荷指标随体形系数变化曲线 体形系数对耗热量指标、热负荷指标的影响可总结为: 1.随着体形系数增加,建筑的耗热量与热负荷指标分别提高; 2.体形系数接近时,板式和塔式建筑耗热量基本相当,而塔式建筑的热负荷明显大于板式; 3.体形系数对建筑耗热量和热负荷的影响程度不同;板式建筑变化趋势更明显。
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3 同外墙传热系数
计算结果
不同外墙保温厚度时的建筑耗热量与热负荷指标 表3
6层板楼 | 16层塔楼 |
外墙保温厚度 mm | 外墙传热系数 W/(m2·K) | 耗热量指标 W/m2 | 热负荷指标 W/m2 | 外墙保温厚度 mm | 外墙传热系数 W/(m2·K) | 耗热量指标 W/m2 | 热负荷指标 W/m2 |
0 | 1.04 | 19.63 | 37.71 | 0 | 1.02 | 18.67 | 38.64 |
15 | 0.82 | 17.64 | 35.46 | 30 | 0.92 | 17.98 | 38.24 |
30 | 0.68 | 16.94 | 34.49 | 50 | 0.70 | 16.26 | 35.45 |
50 | 0.55 | 15.32 | 32.06 | 70 | 0.56 | 15.17 | 33.56 |
80 | 0.43 | 14.16 | 29.78 | 100 | 0.44 | 14.22 | 32.36 |
建筑耗热量与热负荷指标随外墙传热系数减小比例 表4
外墙传热系数减小 | 耗热量减小 | 热负荷减小 | 外墙传热系数减小 | 耗热量减小 | 热负荷减小 |
-21.29% | -10.14% | -5.97% | -9.88% | -3.07% | -1.05% |
-35.10% | -12.71% | -8.54% | -31.66% | -12.91% | -8.26% |
-47.37% | -21.95% | -14.99% | -44.96% | -18.78% | -13.16% |
-59.03% | -27.89% | -21.03% | -57.39% | -23.84% | -16.25% |
根据外墙、外窗、屋顶的传热系数及各自面积,可以由
计算出整个建筑的综合传热系数K。
建筑耗热量与热负荷指标随综合传热系数减小比例 表5
6层板楼 | 16层塔楼 |
综合传热系数K减小 | 耗热量减小 | 热负荷减小 | 综合传热系数K减小 | 耗热量减小 | 热负荷减小 |
-21.29% | -10.14% | -5.97% | -9.88% | -3.70% | -1.05% |
-35.10% | -13.71% | -8.54% | -31.66% | -12.91% | -8.26% |
-47.37% | -21.95% | -14.99% | -44.96% | -18.78% | -13.16% |
-59.03% | -27.89% | -21.03% | -57.39% | -23.84% | -16.25% |
建筑的耗热量减小比例与建筑综合传热系数K的减小比例基本一致,建筑的热负荷减小比例低于耗热量的减小比例。
四、结论
根据以上结果,可以总结出节能建筑朝向、体形系数、窗墙比以及外墙传热系数的取值情况。
建筑朝向尽可能是坐北朝南,即南向角度0度,偏东或偏西尽量不超过15度。最好的体形是长轴朝东西的长方形,板式住宅优于点式住宅。在可能的情况下,应尽量避免建造东西向建筑。在建筑物各部分围护结构传热系数和窗墙面积比不变的情况下,耗热量与热负荷指标随体形系数增大而升高。在满足建筑功能的前提下,体形系数应尽量小,一般建筑都应控制在0.30以下,高层建筑更容易做到这一点。外围护结构的传热系数则应该综合考虑外墙、外窗以及屋顶等等,因为综合传热系数K最终影响着建筑物能耗情况。
参考文献
1.彦启森,赵床珠,建筑热过程,北京:中国建筑工业出版社,1986。
2.陆耀庆,供暖通风设计手册,北京:中国建筑工业出版社,1987。
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