夏热冬冷地区既有建筑节能改造探究
摘 要 使用清华斯维尔软件公司开发的节能设计软件TH-BECS2008,对夏热冬冷地区(南京)的一幢既有公共建筑的能耗随围护结构(外墙、外窗、遮阳)改善的变化规律进行了分析,得出对围护结构各部分的改造对建筑能耗的影响。
关键词 围护结构改造,动态负荷,影响因子
1 引言
南京位于夏热冬冷地区,该地区夏季闷热,冬季寒冷,室内热环境较差。随着经济发展和人民生活水平快速提高,空调设备也得到普及使用。如何通过改善建筑围护结构热工性能,使建筑物具有良好的室内热舒适性,降低建筑耗能成为急需研究的课题。目前八十年代以来的既有建筑仍占有相当大比重,因此在对新建建筑加以节能设计的同时,还应研究对既有建筑的节能改造。本文以南京的某幢既有公共建筑为例进行了动态负荷计算,分析了围护结构的改造对建筑能耗的影响。
2 软件计算模型
斯维尔软件采用DOE-2.1E-119计算内核,DOE-2用反应系数法[1]来计算建筑围护结构的传热量。反应系数法,将计算围护结构作为线性的热力系统,利用系统的传递函数得出某单位扰量(如三角波)作用下的反应系数,也即单位扰量作用下系统的得热量,由于任意变化的室外温度可以分解成一个个可迭加的三角波,利用导热微分方程可迭加的性质,因此可通过反应系数来求解系统得热量。反应系数法用时间序列表示外扰变化,不考虑外扰是否呈周期性变化,反应系数的计算可参考专门的资料[2]。若反应系数已知,就可利用下式计算第n个时刻,从室外通过围护结构向室内的传热得热量。
空调负荷的计算中,室温相对恒定,假定tr不变,以一年8760小时为计算区间模拟全年空调负荷,则第n时刻的得热量为:
则n时刻的室内冷负荷为:
3 原有建筑动态负荷模拟计算:
3.1 建筑概况
办公建筑,建筑节能计算面积7193 m2,高度55.5 m,层数16层,建筑外表面积为:6090.32 m2,体形系数0.246。各向窗墙比:东向:0.09,西向:0.31,南向:0.42,北向:0.25,均满足《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)第4.2.4条各朝向窗墙比不超过0.7的规定[3]。
3.2 软件建模如下:
改造前主要围护结构的做法:
1. 屋顶构造:加气混凝土找坡160 传热系数:K=0.983 W/m•K
2. 外墙构造:砖墙240 传热系数:K=2.017 W/m•K
3. 地面构造:大理石+砂浆40+细混凝土60+厚混凝土100+沙石垫层100+素土夯实800 传热系数:K=3.109 W/m•K
4. 外窗构造:6透明玻璃-非隔热金属窗框 K=6.5 W/m•K
人员密度值:4 m2/人
照明功率密度值:25 W/m2
电器设备功率密度值:20 W/m2
3.3 计算结果与分析:
表1:全年逐月动态负荷
月份 |
一 |
二 |
三 |
四 |
五 |
六 |
七 |
八 |
九 |
十 |
十一 |
十二 |
总计 |
冷负荷(MWh) |
10.8 |
6.2 |
24 |
52.3 |
66.6 |
121 |
178 |
141 |
104 |
68.2 |
44.6 |
13.9 |
830.4 |
热负荷(MWh) |
-139 |
-133 |
-77 |
-31 |
-12 |
-1.1 |
-0 |
-0 |
-0.8 |
-9.6 |
-37 |
-103 |
-544 |
由表1可知全年总冷负荷为:1169.078MWh,最大冷负荷出现在七月192.896 MWh,冷负荷指标为162.5 kWh/m2;全年总热负荷为:-513.212MWh,最大热负荷出现在一月-132.114MWh,热负荷指标为-71.35 kWh/m2。
模拟结果分析:
冬季某些时刻可能同时存在着热负荷与少量的冷负荷,这是由于在冬季为克服建筑内部的灯光、设备、人体的散热量以及在白天太阳辐射得热所造成的冷负荷。
图1中,可以看出全年冷负荷中,由于外窗的太阳辐射得热而引起的冷负荷占了最大的比例47.6%,通过外墙导热而引起的冷负荷占7.1%,屋顶占0.5%。人员占20.5%,灯光占14.2%,设备占22.4%。
图2中,全年热负荷中,由于外窗导热产生的热负荷占了最大的比例69.9%,外墙导热占了69.1%,屋顶占3.4%。外窗辐射得热抵消了部分热负荷-28.9%,人员-7.8%,灯光-7.4%,设备-8.1%。
由此可知,外墙在建筑热负荷中占了相当大的比重,而在冷负荷占的比例相对较小。
图1 建筑各部分在冷负荷中的比例
图2 建筑各部分在热负荷中的比例
4 改造建筑动态负荷模拟计算
在研究中采用仅改造外墙,即在外墙外表面上用聚氨酯做保温,而外窗,屋面,室内人员,灯光,设备的条件都不变的条件下,对外墙加以能耗模拟分析,考察外墙传热对冷热负荷的影响。
4.1 仅改外墙构造
分别将外墙的外侧加5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm的聚氨酯保温。保温后的外墙传热系数分别为: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。
图3 建筑冷负荷变化规律
图4 建筑热负荷变化规律
外墙改造后热负荷显著减少,但冷负荷减少的并不明显,由改造前的115.4 kWh/m2减少为113.3 kWh/m2,热负荷指标由改造前的-75.6 kWh/m2减少为-66.2 kWh/m2。且负荷指标的降低并非按线性规律变化,减少的程度随着外墙传热系数的减少而减少,为此定义节能率[4]:
图5 建筑负荷节能率的变化规律
由图5可知:增强外墙的保温性能,可使冷热负荷影响因子增大,且当传热系数小于1 W/m•K时,影响因子的增大趋势减少,而外墙做保温所需的经济成本不断升高,因此应综合考虑技术与经济的可行性。此外,增强外墙的保温,对热负荷的影响要大于对冷负荷的影响且在五到七倍之间。
4.2 仅改外窗构造
改造外窗的传热系数分别为:6.5W/m•K、5.5W/m•K、4.5W/m•K、3.5W/m•K、2.5W/m•K、2W/m•K。
计算结果分析:计算得到节能率随着外窗传热系数的变化趋势如下所示:
图6 建筑负荷节能率的变化规律
由图6可以看出由于外窗导热系数的减少,外窗结构的保温性能增强,使建筑热负荷减少,建筑冷负荷略有增加,这是因为在过渡季节,由于外窗的保温性能增强,使得由室内进入环境的热量减少,也即使冷负荷增加。
4.3 仅改遮阳的构造
采用内外遮阳设施夏季(六月至九月底)遮阳系数0.2,冬季(12月至次年2月底)0.8,过渡季0.5。
计算结果分析:采用遮阳设施以后,全年建筑冷负荷由1169.078MWH降低为926.338MWH,全年建筑热负荷由-513.212MWH降低为-266.667MWH,建筑冷热负荷节能率分别为20.8%,48%,节能效果很明显,建筑中各个部分在冷热负荷中的比例见图7,图8。可以看出由于采用了遮阳设施,外窗辐射在冷负荷中所占的比例大大减少。
图7 建筑各部分在冷负荷中的比例
图8 建筑各部分在热负荷中的比例
5 结论
上述模拟计算结果表明:
1)夏热冬冷地区,增强外墙的保温性能,降低外墙的传热系数,可使冷热负荷影响因子增大,也即使夏季冷负荷,冬季热负荷均降低,但敏感的程度不同,对热负荷的改善作用大大高于对冷负荷的改善作用,对热负荷的影响要大于对冷负荷的影响且在五到七倍之间。
2)夏热冬冷地区,外窗结构的保温性能增强,使建筑热负荷减少,建筑冷负荷略有增加。
3)夏热冬冷地区,对遮阳设施的改善可大大降低建筑的冷热负荷 。