基于DeST的住宅建筑負荷模擬研究

段立英, 王志勇, 卜暉

(湖南工業大學 土木工程學院, 湖南 株洲, 412007)

傳統建筑在建造及后期使用過程中具有能源投入高、產出低、利用量大的特征, 隨著建筑的不斷增多, 建筑能耗逐漸成為人們關注的問題。建筑能耗的產生是由多方面因素決定的, 包括建筑圍護結構組成成分、窗戶朝向及面積比、建筑面積體積比、氣密性與供暖、冷系統等, 其中建筑的氣密性對能源的消耗具有較大影響, 是室內空氣與外界環境交流的一個性能評價指標, 氣密性的大小即可影響能耗的大小, 也影響人們對環境的適應程度及接受度。建筑的換氣次數與傳熱系數是建筑氣密性的主要因素,國內外對其單一因素研究較為成熟, 但兩者的交互作用對能耗的影響研究甚少。本文主要分析換氣次數與傳熱系數在不同組合工況下對氣候差異較大地區的住宅建筑冷、熱負荷的影響, 以確定最佳節能組合工況, 提高能源利用率。

1 模擬分析方法

建筑能耗模擬可采用PHPP與DeST模擬軟件, PHPP 被動房設計包(Das Passivhaus Projektierungs Paket)為德國所研發的用于計算被動房負荷及能耗的專業型模擬分析軟件, 其即可判斷模擬計算結果是否滿足國家合格標準要求, 又可優化模擬建筑模型的各項參數, 使其滿足要求, 達到合格標準, 其模擬計算采用熱平衡原理[1–2]。DeST[3–4]能耗模擬分析軟件起源于早期的清華大學, 至今已發展成熟, 通過模擬軟件進行一年的逐時模擬計算, 可得到全年或某一特定范圍的冷、熱負荷, 其模擬計算采用能量守恒原理, 找出模擬建筑模型的所有節點, 在其節點根據能量守恒原理建立熱平衡方程, 并保持所有節點的進出能量相同, 且溫度在時間上不間斷。通過對所有節點的熱平衡方程進行整理計算, 將其表示為矩陣的形式, 將建筑熱過程的求解過程轉變為用矩陣的方法求解以各節點溫度為未知量的常微分方程,DeST為我國科研團隊所研發, 以我國建筑環境為基礎, 符合我國建筑分析的參考要求, 所得計算結果會更加縝密。

PHPP與 DeST軟件各有優勢, 兩者都可滿足建筑能耗模擬的要求, 鄒艾娟等[5]通過兩種軟件對比研究得出兩者內置的計算方法差異較大, DeST是以空間問題為基礎采用線性代數進行建筑負荷能耗求解, 而 PHPP則是以月度為計算長度, 但兩者都可以完成能耗建筑能耗的計算。由于地方存在差異性,DeST在能耗分析方面常應用于 DeST-C(商業建筑)與 DeST-H(住宅建筑), 目前我國對商業公共建筑研究較為廣泛, 如張國慶[6]對保定市高速公路的氣密性研究得出氣密性對建筑熱負荷和濕負荷具有顯著性影響, 對建筑冷負荷影響較小。牛志強等[7]分析了外圍護結構傳熱系數對冬冷夏熱地區教學樓建筑負荷的影響, 并提出了一些針對性及使用性的對策, 楊志偉等[8]分析了沈陽高校辦公樓不同朝向對負荷的影響, 提出夏季比冬季夜間通風存在較大優勢, 西、南朝向建筑比東、北朝向節能效果更明顯, 王玉嬌等[9]利用DeST得出對新疆辦公建筑能耗的影響因素。住宅建筑在運行期間的能源消耗在耗能總量中占有不可忽視的地位, 本文采用軟件DeST-H對住宅建筑進行365 d能耗逐時計算模擬研究。

2 建筑模型及參數設置

模擬建筑模型為8層4居室住宅建筑, 裝設有電梯, 總建筑面積共9 528 m2, 總空調建筑面積4 810 m2, 總建筑高度29.2 m, 其中第1層為車庫, 層高4.0 m, 其余層均為居住樓層, 高均為3.6 m, 房間可分為起居室、廚房、臥室、陽臺等類型。根據各房間類型與功能, 其人員熱擾、燈光熱擾、設備熱擾、窗簾作息、溫度、濕度、照明時間、設備功率等均采用DeST-H系統默認值。空調均采用獨立空調系統, 其運行作息由房間功能及人員作息確定, 人員統一采取平均值4人, 通風均采用房間與外界通風和房間互通風的通風方式, 采暖與空調時間均采用國家統一標準, 采用系統默認值。

通過設置換氣方式與墻體材料, 研究它們對負荷的影響, 各房間參數設置如表1所示, 根據建筑各層平面布置及通風方式建立DeST模型, 居住層平面圖如圖1所示, DeST模擬建筑模型立體圖如圖2所示。

選取兩個代表城市, 哈爾濱(嚴寒地區)與廣州(溫暖地區), 分別代表我國氣候差異較大的兩個地區, 哈爾濱處于我國北部, 緯度高,氣溫低, 冬長夏短, 冬冷夏涼, 夏季多雨且潮濕, 平均氣溫可達21 ℃左右, 冬季寒冷, 霧雪天氣頻繁, 冬季常年積雪, 平均氣溫20 ℃左右,最低氣溫可達37 ℃。春季處于風季, 氣溫變化幅度較大, 秋季氣溫適中, 較為涼爽, 但晝夜溫差大, 平均氣溫10 ℃左右, 最低氣溫可達0℃。廣州處于我國南部, 穿越北回歸線, 全年氣溫高, 較為潮濕。冬短夏長, 夏季光照十足、炎熱多雨, 平均氣溫可達32 ℃左右, 最高可達41 ℃, 冬季霜短雨多, 較為潮濕, 平均氣溫可達13 ℃左右, 最低氣溫可達9 ℃, 全年平均溫差不大。哈爾濱及廣州其全年溫度分布如圖3、4所示。

表1 參數設置表

圖1 建筑模型平面圖

圖2 建筑模型立面圖

圖3 廣州全年溫度分布圖

圖4 哈爾濱全年溫度分布圖

將36種模擬參數組合工況依次代入DeST模型進行模擬計算, 使用DeST模擬軟件對分別處于哈爾濱及廣州的建筑模型進行全年365 d逐時冷、熱負荷模擬計算, 得到每個對比組的全年累計冷、熱負荷指標。以傳熱系數為 0.2, 換氣次數為 4.0次/h為例, 得哈爾濱、廣州兩地冷、熱負荷全年分布情況如圖5、6所示, 以研究傳熱系數與換氣次數最佳組合方式, 即圍護結構材料最佳組合, 為達到節才、節能的目的提供數據分析。

圖5 哈爾濱全年負荷分布圖

圖6 廣州全年負荷分布圖

在圖 5、6負荷分布圖中熱負荷分布在零軸線以上, 冷負荷分布在零軸線以下, 由圖可得廣州、哈爾濱模擬結果數據如表2、3所示。

表2 廣州模擬結果數據表

表3 哈爾濱模擬結果數據表

3 模擬結果分析

本文通過36種不同換氣次數與傳熱系數參數組合方式, 研究其對氣候差異較大的兩個地區冷、熱負荷的影響, 從而得出其對冷、熱負荷的變化情況。冷負荷是指供冷設備為使人們所需的溫度、濕度保持一定數值所需要供應的冷量。熱負荷是指供熱設備或燃料燃燒時為使人們所需的溫度、濕度保持一定數值所需要釋放的熱量。兩者異曲同工, 計算方法相似。

3.1 寒冷地區模擬結果分析

寒冷地區晝夜溫差較小, 全天對熱負荷需求量較大, 所以每天的換氣次數與建筑圍護結構的傳熱性能對其具有較大影響, 如開窗時間與墻的構造組成, 對寒冷地區至關重要。

經對哈爾濱寒冷地區住宅建筑DeST能耗負荷模擬分析, 計算了36種工況, 可得到36種負荷統計數據, 對數據進行處理后得到全年累計冷、熱負荷分布如圖 7、8所示。通過觀察圖形可得到, 在冷負荷分布圖中, 當換氣次數接近2.5次/h時, 冷負荷出現轉折, 變化率上升, 當傳熱系數為0.16, 換氣次數介于2.0～2.5次/h時, 對冷負荷影響最大, 熱負荷較為平緩, 變化浮動較小, 當傳熱系數為0.6, 換氣次數介于2.0～2.5次/h時, 對熱負荷影響最大。

圖7 哈爾濱冷負荷分布圖

圖8 哈爾濱熱負荷分布圖

3.2 溫暖地區模擬結果分析

溫暖地區晝夜溫差較大, 白天對冷負荷需求量較大, 夜晚相對較小, 開窗時間與圍護結構的氣密性對其也有一定影響。經對廣州溫暖地區居住建筑DeST能耗負荷模擬分析計算, 得到全年累計冷、熱負荷如圖9、圖10所示。

圖9 廣州冷負荷指標分布圖

圖10 廣州熱負荷指標分布圖

由圖9、10可知, 在冷負荷分布圖中, 當換氣次數接近3.0次/h時, 冷負荷出現急劇轉折, 冷負荷由下降趨勢轉為上升階段, 當傳熱系數為0.2，換氣次數介于4.0～4.5次/h時, 對冷負荷影響最大, 熱負荷較為平緩, 當傳熱系數為0.8, 換氣次數介于3.4～4.0次/h時, 對熱負荷影響最大。

4 結論

換氣次數與傳熱系數雙因素分析變量不僅可以體現單個變量的影響, 又可表達出其相互作用的結果, 同時改變建筑圍護結構的傳熱系數與內外通風換氣次數, 其節能效果明顯優于僅改變單個外圍護結構的情況。由以上分析可得, 建筑圍護結構的傳熱系數與換氣次數對哈爾濱、廣州住宅建筑的冷、熱負荷均有不同的影響, 但兩工況相比, 換氣次數對哈爾濱(寒冷地區)、廣州(溫暖地區)的冷負荷影響較大, 對熱負荷的影響相差不大, 可見換氣次數對于寒冷地區的影響研究具有較大意義, 通過這種雙因素組合研究方式, 再結合當地實際情況, 根據人們所需要的舒適度、溫度、濕度, 可得出最佳圍護結構傳熱系數與換氣次數組合工況, 根據建筑的整體情況, 節約維護結構的材料資源, 即可達到“四節一環保”對節材的要求, 也可達到節能的目的, 提高能量利用率。