采暖負荷與空調負荷的計算

0建筑節能的重要性傳統能源和溫室氣體排放的低碳人類生活和可持續發展將受到嚴重挑戰。節能可以說是我們全人類共同的問題,在建筑領域的節能工作,也同樣具有重大意義。在建筑的使用階段,減少產生對室外環境負荷的生態建筑、綠色建筑等越來越多地成為研究者的課題。太陽能、風能等新型能源也在各個領域得到了應用,建筑領域也有被動太陽輻射采暖等局部領域的研究。由于氣候對建筑熱環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果,建筑節能也有必要從全局分析不同氣候帶來的不同熱負荷影響以及把握負荷與主要外界影響因素的關系,以便有針對性地采取節能措施。1能措施的效果隨著建筑熱模擬計算的開發及應用,可以通過計算的方式對建筑物的能耗進行預測與評估,也可以評價節能措施的效果。建筑物的形式千差萬別,沒有一個統一的標準式樣,為了比較不同氣候區域的能耗狀況,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會的寫字樓標準式樣(也便于與日本的能耗情況進行比較)作為對象,在中國270個地點采用相同的建筑式樣進行熱負荷模擬計算。1.1建筑物使用條件模擬計算采用了清華大學開發的DeST作為計算工具。相應的氣象數據為其所有地點的標準年氣象數據。圖1,2為計算對象建筑物的式樣圖。參考了日本建筑學會的寫字樓用標準問題,并簡化了標準層模型。建筑物的設定與使用條件見表1。墻體采用了150mm混凝土與20mm發泡樹脂,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能標準及日本標準式樣的條件。只計算比較S-1與S-2室的全年間歇采暖與空調負荷。S-3,S-4與S-5室作為自然室溫考慮。1.2空調負荷的分布通過對全國270個地點的負荷計算,分別得出各地點全年的采暖負荷與空調負荷。然后基于Kriging算法算出空間網格,對網格等高線化處理得出全國的采暖負荷與空調負荷分布等高線如圖3,4所示。對于本文采用的建筑模型,采暖負荷大于400MJ/m2的地域集中在東北、內蒙古與青藏高原,在東北的北部與青海省的中西部極端地域的采暖負荷超過900MJ/m2;華東、華南的大部分地域采暖負荷小于200MJ/m2,只有海南島的一部分是沒有采暖負荷的地區。華北與華東的部分地區及新疆、西藏的南部介于兩者之間,采暖負荷為200~400MJ/m2。采暖負荷的分布規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荷減小的趨勢。由圖4所示的空調負荷等高線可以看出,大于300MJ/m2的地區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負荷大于600MJ/m2。東北部、內蒙古及青藏高原地區采暖負荷小于100MJ/m2,特別是青海省的一部分存在無空調負荷地域。西北的新疆的空調負荷也在大部分地區小于200MJ/m2,華北、華中及華東的一部分地區處在中間位置,空調負荷也介于100~300MJ/m2之間。綜合采暖與空調負荷的全國分布狀況分析,采暖負荷大的地域分布在東北與西部,而這些區域的空調負荷又很小,在建筑物的節能方面,建議多采用針對采暖負荷的措施,增強建筑物本身的熱性能,設計時,太陽能等自然能源的利用應該被足夠地考慮,以降低建筑物的能耗。而在華東、華南及西部的一部分地區,這里的全年負荷主要體現在空調負荷,這就有必要對節能的措施針對在空調負荷方面,太陽遮擋、夜間通風等手法應被積極地采用以降低建筑的空調能耗。對于華北及華中的大部分地區,既有采暖又有空調,而且都處于全國分布的中間,就需要考慮節能措施的平衡,既要考慮到冬季的采暖,又需要考慮夏季的空調,如可拆裝的遮陽器材等,在平衡中找到最節能的建筑方式。2供暖季和空調季負荷與主要氣候因素之間的相關性2.1份分布的份分布對270個地點的負荷在12個月份中分別求和,得到了全國所有地點的采暖負荷月份分布(圖5)與空調負荷月份分布(圖6)。從圖中可以看出,冬季的1月,2月與12月的3個月的采暖負荷的和為全年負荷的61%,夏季的6月,7月與8月的3個月的空調負荷的和為全年空調負荷的67%,以及考慮到南北差異及結合實際情況,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月份。2.2全年立法數據分析外界環境對建筑物的影響是一個復雜的過程,對于建筑的熱環境來說,通常溫度、濕度與太陽輻射為最主要的氣象影響因素。呂思強等在比較了5種標準年氣象數據、掌握了數據間差異的基礎上,這里用ChinesStandardWeatherData的標準年氣象數據的全年數據作為分析基礎,因為它包含了最多的270個地點,同時大部分地點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個地點在采暖季(上述1,2及12月)與空調季(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,通過與各地點負荷的比較,得出相關關系。在采暖季,三主要氣象要素的在這個季節的平均值與全年采暖負荷的比較如圖7所示。采暖季的平均氣溫及平均絕對濕度與采暖負荷有很大的相關關系,直線相關的相關系數分別達到-0.95與-0.83,結合散點分布的形態,更傾向于曲線。通過比較,更強的關系分別來自二次多項式曲線與指數函數曲線。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,輻射值與采暖負荷的關系非常弱。2.3太陽輻射的影響同樣地,對空調季的計算結果與主要氣象因素的關系如圖8所示。與采暖季類似,平均氣溫及平均絕對濕度與空調負荷表現出很強的相關性,相關系數分別為0.76與0.86,更強關系的曲線的決定系數分別為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,太陽輻射的數值在空調季與空調負荷的相關性略強,相關系數為-0.48。這也說明,需要在夏季的節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季的負荷的相關性由大到小為溫度、濕度、太陽輻射的順序。對于氣溫與絕對濕度更強的相關線型來自于曲線。與太陽輻射的相關性在空調季要明顯強于采暖季。3采暖+空調的日變化在我們評估建筑物的熱負荷時,往往用到采暖度日數與空調度日數,空調度小時數等指標來評價當地的氣候環境,而且度日數比起用某一種建筑物的計算更能單純地體現氣候特征。本文計算采暖度日數與空調度日數采用的是冬季18℃,夏季為26℃,當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個地點的采暖度日數與空調度日數的計算,并與所有地點的采暖負荷與空調負荷相對應的相關如圖9,10所示。采暖與空調的二者直線相關系數分別為0.99與0.86,在采暖季表現出非常強的相關關系。采暖度日數與空調度日數作為外界的影響因子,基本可以體現負荷的大小,對負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荷模擬計算,做出了全國范圍的采暖負荷及空調負荷分布圖。通過分析,得到了以下的見解。(1)解析出重點采暖負荷與空調負荷地域,同時提示需要針對性地采取建筑節能措施。(2)通過對采暖季與空調季的代表月份的選出,得出代表月的平均溫度