西藏地區太陽能采暖建筑熱工性能優化研究

王 磊，馮 雅，曹友傳，余南陽

（1.西南交通大學 機械學院；2.中國建筑西南設計研究院；成都610031；3.西藏軍區后勤部基建營房處，拉薩850000）

西藏地區氣候寒冷、太陽輻射照度高，并且常規能源匱乏，當地生態環境脆弱。在西藏地區大力推廣太陽能采暖系統有非常重要的現實與戰略意義。筆者自2006一直從事太陽能采暖系統設計、優化與施工研究。根據現場實踐，筆者最大感受是業主愿意投資大量資金建設太陽能主動采暖系統，如安裝大面積太陽能集熱板，但不愿對提高建筑圍護結構熱工性能進行投資，這就造成了建筑基準能耗過高，在同樣太陽能保證率情況下（例如65%保證率），主動式系統投資過大，系統運行能耗過高。本文以某一典型的實際工程為例，利用建筑動態能耗模擬軟件（EnergyPlus與TRNSYS）對建筑圍護結構熱工性能對主動式太陽能采暖系統及系統能耗的影響進行定量分析，從全壽命周期出發確定最優建筑熱工保溫與主動式采暖系統配置。該新建建筑為西藏地區典型四層條式住宅建筑，建筑總面積為1 840m2，其中采暖面積為1 230m2，非采暖面積為610m2。建筑外墻面積1 150m2，外窗面積422m2，屋頂面積457m2，體型系數為0.37。對該典型建筑進行研究，其結果具有一定的普遍參考意義。

1 建筑基本情況

新建建筑為4層條式住宅建筑，總面積為1 840m2，各層房間布局與結構完全一樣。建筑為磚混結構，外墻為240mm厚實心砼磚塊，內墻為200mm厚實心砼磚塊；屋頂為200mm厚現澆鋼筋混凝土，20mm厚水泥保護層，60mm厚爐渣找坡，4mm厚SBS防水卷材，20mm厚水泥砂漿；地面貼磚，衛生間吊頂鋁合金；外窗為塑鋼單層玻璃；外飾面為彈性涂料。圖1給出了標準層平面圖。

圖1 標準層平面圖

2 計算模型及參數

目前建筑動態能耗模擬軟件可以分兩大類［3］：

1）建筑能耗模擬軟件—此類軟件主要用于建筑和系統的動態模擬分析，以EnergyPlus、DOE－2、DesT和ESP－r等為代表。這類軟件的主要模擬目標是建筑和系統的長周期的動態熱特性（往往以小時為時間步長），采用的是完備的房間模型和較簡單的系統模型及簡化的或理想化的控制模型，適于模擬分析建筑物圍護結構的動態熱特性及模擬建筑物的全年運行能耗。

2）空調采暖系統仿真軟件—此類軟件主要用于空調系統部件的控制過程的仿真，以TRNSYS、SPARK和HVACSIM＋等為代表。這類軟件的主要模擬目標是各種模塊搭成的系統的動態特性及其在各種控制方式下的響應。它們采用的是簡單的房間模型和復雜的系統模型，可以根據需要由使用者靈活地組合系統形式和控制方法，適用于系統的高頻（如以幾s為時間步長）動態特性及過程的仿真分析。

為了研究建筑圍護結構動態熱特性對主動式太陽能采暖系統的配置優化的影響，需同時采用上述兩類軟件，對建筑能耗與主動式太陽能采暖系統進行模擬計算。因此分別采用了EnergyPlus與TRNSYS對建筑能耗與主動式太陽能采暖系統進行模擬計算，其計算模型示意圖見圖2與圖3所示。EnergyPlus模型計算所得出的建筑動態負荷，輸入TRNSYS動態模型中進行主動式太陽能采暖系統模擬計算。

圖2 建筑能耗計算模型

2.1 熱工模型輸入條件與假設

1）圍護結構（外墻、屋頂、內墻、外窗）熱工性能參數見表1～表3所示。

2）建筑換氣次數選取1次／h

3）假設內熱源為0W／m2。

4）房間采暖溫度取18℃

5）太陽能集熱器選取平板式太陽能集熱器，其集熱效率選取 ASHRAE Handbook［5］的典型平板式集熱器效率曲線 ，并選取0.8修正系數，以考慮現場因素對集熱效率影響。

6）室外氣象數據選用拉薩市典型氣象年［4］

表1 現有基準建筑圍護結構熱工模型

圖3 主動式太陽能采暖系統模型

表2 建筑物屋頂結構熱工參數表

表3 建筑物內墻結構熱工參數表

表4 建筑物外窗結構熱工參數表

2.2 經濟模型輸入條件與假設

1）外窗由單玻改為雙玻，初投資增加200元／m2。

2）屋頂保溫采用XPS保溫，外墻采用EPS外墻外保溫，初投資增加與保溫厚度關系如圖4所示。

3）采暖散熱器（銅鋁復合）取700元／kW。

4）電鍋爐造價取180元／kW。

5）太陽能集熱板造價取600元／m2。

6）蓄熱水箱造價取2 300元／m3。

7）能源單價0.65元／kWh。

圖4 屋頂與外墻保溫成本與厚度關系圖

3 計算結果分析

3.1 基準建筑計算結果分析

本文首先對基準建筑的設計負荷、全年動態能耗進行計算，并分析了在基準建筑熱工性能條件下，太陽能集熱板面積對系統的太陽能保證率與能耗的影響。其計算結果分別見表5與圖5。

表5 基準建筑采暖負荷與能耗結果

圖5 太陽能保證率、能耗與集熱板面積關系圖

當太陽能主動式采暖系統選取保證率為65%時，對應的太陽能集熱板面積為420m2，即每平米太陽能板可以服務3.46m2采暖面積。集熱水箱的體積與系統保證率的關系如圖6所示。

圖6 太陽能保證率與蓄熱水箱關系圖

從圖6中可以看出，最優蓄熱水箱體積為42m3即每平米集熱板對應于100L蓄熱水。采用主動式太陽能采暖系統后，建筑全年的能耗為59 547 kWh，即41kWh／m2。

3.2 不同保溫措施熱工性能分析

3.2.1 外窗采用中空玻璃（6＋6＋6） 當外窗由單玻窗，改為雙玻窗（6＋6＋6），建筑的采暖負荷可降低6%，在滿足同樣太陽能保證率（65%）條件下，太陽能集熱板面積可減少4.4%，全年能耗減少4.3%。

3.2.2 增加屋頂保溫 屋頂保溫層厚度對建筑采暖負荷、集熱板面積、全年能耗的敏感性分析見圖7所示。

圖7 屋頂保溫層XPS厚度敏感性分析

從圖7中可以看出，當屋頂保溫層厚度大于60mm時，建筑采暖負荷、集熱板面積以及全年能耗的進一步減小的相對變化率低于1%。此時，建筑采暖負荷降低約12%，集熱板面積降低約16%，全年能耗降低約17%。

3.2.3 增加外墻保溫 外墻保溫層厚度對建筑采暖負荷、集熱板面積、全年能耗的敏感性分析見圖8所示。

圖8 外墻EPS保溫厚度敏感性分析

從圖8中可以看出，當外墻保溫厚度大于50mm時，建筑設計負荷、太陽能集熱板、全年能耗進一步減少的相對變化率小于2%。此時建筑采暖負荷率降低了約23.1%，太陽能集熱板面積減少約27.7%，全年能耗減少約30.3%。

3.3 不同保溫措施經濟性分析

在上述敏感性分析的基礎上，本節分析建筑熱工保溫對太陽能采暖系統的初投資、運行費用及全壽命周期費用的影響，以確定最優的建筑熱工保溫范圍。經濟計算中，假設建筑保溫層與主動太陽能采暖設備系統的壽命為25a，不考慮能源價格升高與貨幣貶值率。

初投資同時考慮，建筑保溫提高所造成的投資增加，以及當建筑保溫性能提高后，采暖末端、輔助熱源、集熱板面積、蓄熱水箱體積等減少所帶來的設備初投資降低。

外窗改為雙層玻璃，屋頂保溫、外墻保溫對建筑與太陽能采暖系統總投資節省、運行費用節省及全壽命周期費用節省的計算結果見表6，與圖9，圖10，所示。

表6 外窗計算結果

從表6中可以看出，當外窗由單玻窗改為雙玻窗時，總初投資增加約19 600元（10.7元／m2），總運行費用節省41 625元（22.6元／m2），全壽命周期費用 可以節約21 980元（11.9元／m2）。

圖9 屋頂保溫經濟性分析

由圖9可以看出，當屋頂保溫厚度為60mm時，建筑初投資的節省值最高，約為46 657元（25.4元／m2）。當屋頂保溫層厚度為100mm，全壽命周期節省值最高，約為219 025元（119元／m2），因此對于太陽能采暖建筑屋頂保溫層的最優厚度為60～100mm，對應的傳熱系數為0.42～0.27W／m2·K。

圖10 外墻保溫經濟性分析

圖10 中可以看出，當外墻保溫厚度為50mm時，初投資費用節省值最高，約為35 793元（19.5元／m2）。當外墻保溫層厚度為70mm，全壽命周期費用節省值最高，約為344 183元（187.1元／m2），因此對于太陽能采暖建筑屋頂保溫層的最優厚度為50～70mm，對應的傳熱系數為0.60～0.46W／m2·K。

4 結 論

利用數值模擬方法對太陽能采暖建筑的熱工性能對主動式太陽能采暖系統設計參數與能耗的影響進行分析。并從初投資與全壽命周期兩個方面，確定最佳的太陽能建筑熱工性能保溫要求，得出了以下結論：

1）當外窗改為中空玻璃時，建筑的采暖負荷降低6%，太陽能集熱板面積可減少4.4%，全年能耗減少4.3%。每平米建筑面積對應初投資增加約10.7元／m2，全壽命周期節省11.9元／m2。

2）當屋頂XPS保溫層厚度大于60mm后，建筑采暖負荷、集熱板面積以及全年能耗的相對減小率低于1%。初投資費用最低的屋頂XPS保溫層厚度為60mm，對應傳熱系數0.42W／m2·K，全壽命周期費用最低的屋頂XPS保溫層厚度為100mm，對應的傳熱系數為0.27W／m2·K。

3）當外墻EPS保溫厚度大于50mm時，建筑設計負荷、太陽能集熱板、全年能耗的相對減少率低于2%。初投資費用最低的外墻EPS保溫層厚度為50mm，對應的傳熱系數為0.60W／m2·K；全壽命周期費用最低的外墻EPS保溫層厚度為70mm，對應的傳熱系數為0.46W／m2·K。

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