采暖負(fù)荷與空調(diào)負(fù)荷的計算

采暖負(fù)荷與空調(diào)負(fù)荷的計算

0建筑節(jié)能的重要性傳統(tǒng)能源和溫室氣體排放的低碳人類生活和可持續(xù)發(fā)展將受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。節(jié)能可以說是我們?nèi)祟惞餐膯栴},在建筑領(lǐng)域的節(jié)能工作,也同樣具有重大意義。在建筑的使用階段,減少產(chǎn)生對室外環(huán)境負(fù)荷的生態(tài)建筑、綠色建筑等越來越多地成為研究者的課題。太陽能、風(fēng)能等新型能源也在各個領(lǐng)域得到了應(yīng)用,建筑領(lǐng)域也有被動太陽輻射采暖等局部領(lǐng)域的研究。由于氣候?qū)ㄖ岘h(huán)境的影響不是單純某一個氣象要素決定的,是多要素共同作用的結(jié)果,建筑節(jié)能也有必要從全局分析不同氣候帶來的不同熱負(fù)荷影響以及把握負(fù)荷與主要外界影響因素的關(guān)系,以便有針對性地采取節(jié)能措施。1能措施的效果隨著建筑熱模擬計算的開發(fā)及應(yīng)用,可以通過計算的方式對建筑物的能耗進(jìn)行預(yù)測與評估,也可以評價節(jié)能措施的效果。建筑物的形式千差萬別,沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)式樣,為了比較不同氣候區(qū)域的能耗狀況,同時考慮到民用建筑的能耗大部分集中在民用公共建筑,本文選取了日本建筑學(xué)會的寫字樓標(biāo)準(zhǔn)式樣(也便于與日本的能耗情況進(jìn)行比較)作為對象,在中國270個地點(diǎn)采用相同的建筑式樣進(jìn)行熱負(fù)荷模擬計算。1.1建筑物使用條件模擬計算采用了清華大學(xué)開發(fā)的DeST作為計算工具。相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)為其所有地點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)。圖1,2為計算對象建筑物的式樣圖。參考了日本建筑學(xué)會的寫字樓用標(biāo)準(zhǔn)問題,并簡化了標(biāo)準(zhǔn)層模型。建筑物的設(shè)定與使用條件見表1。墻體采用了150mm混凝土與20mm發(fā)泡樹脂,窗采用了6mm單層普通玻璃。建筑物的使用參照了公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)及日本標(biāo)準(zhǔn)式樣的條件。只計算比較S-1與S-2室的全年間歇采暖與空調(diào)負(fù)荷。S-3,S-4與S-5室作為自然室溫考慮。1.2空調(diào)負(fù)荷的分布通過對全國270個地點(diǎn)的負(fù)荷計算,分別得出各地點(diǎn)全年的采暖負(fù)荷與空調(diào)負(fù)荷。然后基于Kriging算法算出空間網(wǎng)格,對網(wǎng)格等高線化處理得出全國的采暖負(fù)荷與空調(diào)負(fù)荷分布等高線如圖3,4所示。對于本文采用的建筑模型,采暖負(fù)荷大于400MJ/m2的地域集中在東北、內(nèi)蒙古與青藏高原,在東北的北部與青海省的中西部極端地域的采暖負(fù)荷超過900MJ/m2;華東、華南的大部分地域采暖負(fù)荷小于200MJ/m2,只有海南島的一部分是沒有采暖負(fù)荷的地區(qū)。華北與華東的部分地區(qū)及新疆、西藏的南部介于兩者之間,采暖負(fù)荷為200~400MJ/m2。采暖負(fù)荷的分布規(guī)律在東部是由北向南減小的趨勢,在西部是以青海中西部為中心向外輻射而負(fù)荷減小的趨勢。由圖4所示的空調(diào)負(fù)荷等高線可以看出,大于300MJ/m2的地區(qū)主要是在華東及華南,最南部的海南島及廣州、廣西的沿海部分空調(diào)負(fù)荷大于600MJ/m2。東北部、內(nèi)蒙古及青藏高原地區(qū)采暖負(fù)荷小于100MJ/m2,特別是青海省的一部分存在無空調(diào)負(fù)荷地域。西北的新疆的空調(diào)負(fù)荷也在大部分地區(qū)小于200MJ/m2,華北、華中及華東的一部分地區(qū)處在中間位置,空調(diào)負(fù)荷也介于100~300MJ/m2之間。綜合采暖與空調(diào)負(fù)荷的全國分布狀況分析,采暖負(fù)荷大的地域分布在東北與西部,而這些區(qū)域的空調(diào)負(fù)荷又很小,在建筑物的節(jié)能方面,建議多采用針對采暖負(fù)荷的措施,增強(qiáng)建筑物本身的熱性能,設(shè)計時,太陽能等自然能源的利用應(yīng)該被足夠地考慮,以降低建筑物的能耗。而在華東、華南及西部的一部分地區(qū),這里的全年負(fù)荷主要體現(xiàn)在空調(diào)負(fù)荷,這就有必要對節(jié)能的措施針對在空調(diào)負(fù)荷方面,太陽遮擋、夜間通風(fēng)等手法應(yīng)被積極地采用以降低建筑的空調(diào)能耗。對于華北及華中的大部分地區(qū),既有采暖又有空調(diào),而且都處于全國分布的中間,就需要考慮節(jié)能措施的平衡,既要考慮到冬季的采暖,又需要考慮夏季的空調(diào),如可拆裝的遮陽器材等,在平衡中找到最節(jié)能的建筑方式。2供暖季和空調(diào)季負(fù)荷與主要?dú)夂蛞蛩刂g的相關(guān)性2.1份分布的份分布對270個地點(diǎn)的負(fù)荷在12個月份中分別求和,得到了全國所有地點(diǎn)的采暖負(fù)荷月份分布(圖5)與空調(diào)負(fù)荷月份分布(圖6)。從圖中可以看出,冬季的1月,2月與12月的3個月的采暖負(fù)荷的和為全年負(fù)荷的61%,夏季的6月,7月與8月的3個月的空調(diào)負(fù)荷的和為全年空調(diào)負(fù)荷的67%,以及考慮到南北差異及結(jié)合實際情況,把冬季的1月,2月及12月的3個月作為全國性的綜合采暖月份,夏季的6月,7月及8月作為全國綜合空調(diào)月份。2.2全年立法數(shù)據(jù)分析外界環(huán)境對建筑物的影響是一個復(fù)雜的過程,對于建筑的熱環(huán)境來說,通常溫度、濕度與太陽輻射為最主要的氣象影響因素。呂思強(qiáng)等在比較了5種標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)、掌握了數(shù)據(jù)間差異的基礎(chǔ)上,這里用ChinesStandardWeatherData的標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)的全年數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ),因為它包含了最多的270個地點(diǎn),同時大部分地點(diǎn)的太陽輻射的日值采用了觀測值,對利用太陽輻射的研究比較適用。計算了270個地點(diǎn)在采暖季(上述1,2及12月)與空調(diào)季(6,7及8月)的平均高干球溫度,平均絕對濕度與總太陽輻射量,通過與各地點(diǎn)負(fù)荷的比較,得出相關(guān)關(guān)系。在采暖季,三主要?dú)庀笠氐脑谶@個季節(jié)的平均值與全年采暖負(fù)荷的比較如圖7所示。采暖季的平均氣溫及平均絕對濕度與采暖負(fù)荷有很大的相關(guān)關(guān)系,直線相關(guān)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到-0.95與-0.83,結(jié)合散點(diǎn)分布的形態(tài),更傾向于曲線。通過比較,更強(qiáng)的關(guān)系分別來自二次多項式曲線與指數(shù)函數(shù)曲線。畢竟太陽輻射直接作用在建筑物的能量只是一部分,冬季的輻射量又相對較小,而且受到地域差別的影響,輻射值與采暖負(fù)荷的關(guān)系非常弱。2.3太陽輻射的影響同樣地,對空調(diào)季的計算結(jié)果與主要?dú)庀笠蛩氐年P(guān)系如圖8所示。與采暖季類似,平均氣溫及平均絕對濕度與空調(diào)負(fù)荷表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.76與0.86,更強(qiáng)關(guān)系的曲線的決定系數(shù)分別為0.89與0.56。由于總體上夏季的太陽輻射要大于冬季的太陽輻射等原因,太陽輻射的數(shù)值在空調(diào)季與空調(diào)負(fù)荷的相關(guān)性略強(qiáng),相關(guān)系數(shù)為-0.48。這也說明,需要在夏季的節(jié)能措施上充分考慮太陽輻射的影響。綜上,作為最主要的外界影響氣象因素的溫度、濕度及太陽輻射與在采暖季與空調(diào)季的負(fù)荷的相關(guān)性由大到小為溫度、濕度、太陽輻射的順序。對于氣溫與絕對濕度更強(qiáng)的相關(guān)線型來自于曲線。與太陽輻射的相關(guān)性在空調(diào)季要明顯強(qiáng)于采暖季。3采暖+空調(diào)的日變化在我們評估建筑物的熱負(fù)荷時,往往用到采暖度日數(shù)與空調(diào)度日數(shù),空調(diào)度小時數(shù)等指標(biāo)來評價當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境,而且度日數(shù)比起用某一種建筑物的計算更能單純地體現(xiàn)氣候特征。本文計算采暖度日數(shù)與空調(diào)度日數(shù)采用的是冬季18℃,夏季為26℃,當(dāng)室外的日平均溫度低于18℃或者高于26℃的所有天的溫度的分別累加值。通過對所有270個地點(diǎn)的采暖度日數(shù)與空調(diào)度日數(shù)的計算,并與所有地點(diǎn)的采暖負(fù)荷與空調(diào)負(fù)荷相對應(yīng)的相關(guān)如圖9,10所示。采暖與空調(diào)的二者直線相關(guān)系數(shù)分別為0.99與0.86,在采暖季表現(xiàn)出非常強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。采暖度日數(shù)與空調(diào)度日數(shù)作為外界的影響因子,基本可以體現(xiàn)負(fù)荷的大小,對負(fù)荷評價可以作為主要要素考慮。4對荷地域的提示通過對同一個建筑模型的熱負(fù)荷模擬計算,做出了全國范圍的采暖負(fù)荷及空調(diào)負(fù)荷分布圖。通過分析,得到了以下的見解。(1)解析出重點(diǎn)采暖負(fù)荷與空調(diào)負(fù)荷地域,同時提示需要針對性地采取建筑節(jié)能措施。(2)通過對采暖季與空調(diào)季的代表月份的選出,得出代表月的平均溫度