西安地區圍護結構傳熱系數的修正系數 εi討論

翟文燕

0 引言

冬季熱工計算是以陰寒天氣為準,不考慮太陽輻射作用,但這并不意味著太陽輻射對建筑保溫沒有影響。太陽輻射熱是影響建筑熱過程的主要熱源,也是建筑熱環境四個參量中影響最大的一個,實際上,建筑師設計房屋時,總是要爭取良好的朝向和適當的間距,以便盡可能得到充分的日照。規范中對圍護結構傳熱系數的修正也是考慮到太陽輻射熱和天空輻射熱的影響。由于考慮了太陽輻射熱的補充作用,實際從圍護結構傳出的熱量并沒有我們在理想狀態下所計算得到的多,即kw?eff＜kw,在冷熱負荷計算中,采用有效傳熱系數(kw?eff)可以減少冷熱負荷量,使建筑在滿足室內熱環境要求下,消耗能量減少。

因此從節能的角度上來看建筑熱工設計,我們不但要采用降低墻體、屋面窗戶的傳熱系數,增加隔熱保溫材料厚度來達到節約建筑能耗的目的,更應該充分考慮到太陽輻射的作用。

1 圍護結構傳熱系數的修正系數的意義

隨著科技的發展,能源問題已成為全球共識的問題,2010年陜西省要完成從建筑節能50%到節能65%的過渡,我們就不能忽視太陽輻射和天空輻射對圍護結構傳熱量的影響,因此就引入了圍護結構傳熱系數的修正系數。由于圍護結構不同部分在太陽輻射和天空輻射作用下所吸收熱量程度各不相同,因此節能設計規范根據不同地區和不同朝向給出了修正系數取值的一個參考值。本文旨在評價這一參考值的準確程度,在這里只對墻體的傳熱系數修正系數進行檢驗。

2 外墻傳熱系數修正系數的計算模型及分析

2.1 外墻傳熱系數修正系數的計算模型

外墻有效傳熱系數計算公式:

其中,kw?eff為外墻的有效傳熱系數,W/(m2?K);kw為外墻原傳熱系數,W/(m2?K);tsol?eq為太陽輻射當量溫度,℃。

其中,ρ為外表面的太陽輻射吸收系數;I為垂直面上的太陽輻射照度,W/m2;αe為外表面換熱系數,W/(m2?K)。

2.2 公式分析

把式(1)代入式(3)中得:

因此,從公式推導中可以看出圍護結構傳熱系數的修正系數與圍護結構的原傳熱系數無關,即與圍護結構的構造無關。

3 外墻傳熱系數修正系數的實例計算

3.1 實例說明

3.1.1 選擇圍護結構

取一典型的采暖地區的外圍護結構構造如圖1所示,取其朝向為正南向。

3.1.2 氣候條件

1)已知西安地區冬季室內計算溫度為ti=16℃～18℃,設計計算用采暖期天數為100 d,室外平均計算溫度為te=0.9℃。2)西安的冬季太陽輻射照度采用《民用建筑節能設計手冊》附錄九的冬季太陽輻射照度。

3.2 計算過程

1)已知條件。

取西安地區氣候特點,對圍護結構傳熱系數的修正系數εi進行計算。室內計算溫度為 ti=18℃,室外平均計算溫度為 te=0.9℃。外圍護結構表面材料為水泥砂漿,其ρ=0.48,取其冬季太陽輻射照度為各月垂直南向照度的加權平均值。

2)計算。

由式(2)得:

求結構原傳熱系數:

由式(1)得有效傳熱系數為:

由式(3)得修正系數為:

因此得出的傳熱系數的修正系數εi比規范上的傳熱系數修正值εi=0.79(南向外墻)大0.087。

用同樣的計算方法分別對以下列出的條件下的傳熱系數的修正系數進行計算。

條件:1)室內計算溫度分別取 ti=16℃和 ti=18℃。2)冬季太陽輻射照度分別取最大值 Imax、最小值 Imin和加權平均值ˉI。3)我們采用四種外表面材料分別對其圍護結構傳熱系數修正值進行計算,所采用的四種材料及其太陽輻射吸收系數見表1。

表1 圍護結構外表面材料及其太陽輻射吸收系數

根據上述條件,得出計算結果如表2所示。

表2 計算結果表西安地區(構造見圖1)

4 數據分析

1)室內計算溫度取值分別為 ti=18℃和ti=16℃時,當其他條件相同時,其 ti=16℃時所得的εi值更接近規范上的值。2)計算中所采用的冬季太陽輻射照度取的是晝夜平均值,其值越大,εi越小。3)外表面材料的吸收系數ρ越大,所得的εi越小。而且可以從表2中看出,ρ值的取值是決定修正系數的主要因素。

5 結論與建議

在《民用建筑節能設計標準》(采暖居住建筑部分)規范中,規定西安地區南向外墻圍護結構傳熱系數的修正系數εi=0.79,從數據來看,規范中取的εi值普遍低于驗算得的值,因此我們可以認為在規范中εi的取值高估了太陽輻射的作用。

由以上的圖表我們可以看出,外圍護結構的構造,太陽輻射照度,室外計算溫度對圍護結構傳熱系數的修正系數影響不大,其修正系數主要取決于建筑外圍護結構外表面對太陽輻射的吸收系數,即主要取決于外表面的材料,為了獲得比較大的材料吸收系數,在建筑設計中對材料的選擇是尤為重要的。

對于建筑外圍護結構傳熱系數修正系數的取值,在規范中,由于高估了太陽輻射的作用,使在計算冷負荷時所采用的有效傳熱系數取值偏小,則在計算負荷量時所得值也偏小,進而影響了采暖計算所要求的熱量。造成的結果就是冬季室內溫度達不到規范的要求,因此我們建議應對規范中的傳熱系數的修正系數做再一次的修正。

[1] 楊善勤.民用建筑節能設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1998.

[2] 付祥釗.夏熱冬冷地區建筑節能技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3] 彥啟森,趙慶珠.建筑熱過程[M].北京:中國建筑工業出版社,1986.

[4] JGJ 26-95,民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)[S].