办公建筑外墙传热系数对空调负荷的影响.pdf

四川建筑科学研究Sichuan Building Science第 36 卷第 3 期2010 年 6 月收稿日期:2008-09-02作者简介:冯劲梅(1969 )，女，吉林长春人，博士，副教授，主要从事建筑复合节能研究。基金项目:上海应用技术学院科技发展基金(KJ2008-15，KJ2008-16)E mail:fengjinmei 办公建筑外墙传热系数对空调负荷的影响冯劲梅1，2，连之伟2，黄宋斌1，叶梦佳1(1.上海应用技术学院建安学院，上海200235;2.上海交通大学低温与制冷研究所，上海200030)摘要:采用建筑空调模拟软件 DeST 对我国南北 6 城市不同传热系数外墙的办公建筑的空调冷热负荷进行模拟计算，计算和分析的结果表明，冬季，外墙的传热系数越小，空调热负荷越小，建筑越节能;夏季的情况与冬季不同，传热系数越小，空调冷负荷越大，建筑反而不节能。室内设定温度升高或降低，空调负荷并不是按相同比例变化，因此，存在满足人体热舒适的情况下最佳室内设定温度。室外气象条件对建筑能耗节能率的影响程度在夏热冬暖地区超过了围护结构的传热系数。关键词:外墙传热系数;空调负荷;DeST;节能率中图分类号:TU111.95文献标识码:A文章编号:1008 1933(2010)03 312 04The influence of heat transmission coefficient of office building onair-conditioning loadFENG Jinmei1，2，LIAN Zhiwei2，HUANG Songbin1，YE Mengjia1(1.School of Construction Safety Eng.，Shanghai Institute of Technology，Shanghai200235，China;2.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200030，China)Abstract:Using the simulating software DeST to calculate the air conditioning cool and heat loads of office buildings with different heattransmission coefficient envelope in six cities of China.The results show that the lower the heat transmission coefficient of buildingenvelope，the lower the air conditioning loads，the better energy saving of building in winter.Inverse，the lower the heat transmissioncoefficient of building envelope，the higher the air conditioning loads，the worse energy saving of building in summer.The airconditioning loads varied with different proportion when the indoor set temperature was higher or lower 1.So there exists an optimizedtemperature setting for satisfaction human.The influence of the outdoor meteorological parameter was greater than the envelope heattransmission coefficient to building fractional energy saving.Key words:the heat transmission coefficient of envelope;air-conditioning load;DeST;fractional energy saving0引言中国建筑能耗占全国总能耗的27%，而其中空调能耗又占 60%左右 1，因此，空调系统的节能多年来一直是空调技术领域的研究热点。在建筑能耗中，使用能耗(按使用期 50 年计)约占总能耗的 80%90%。建筑围护结构能耗是建筑使用能耗的重要组成部分，其占建筑能耗的比例随建筑类型的不同而有差异，其中办公建筑的围护结构能耗所占比例较大。减少办公建筑的围护结构能耗，有利于实现建筑节能。在建筑外围护结构中，墙体所占比重较大，冬季通过墙体散失的热量，约为建筑总散热量的 20%;夏季通过外墙体吸收的热量，约为建筑总吸热的30%2。所以，对于外围护结构墙体的传热过程进行深入的研究，对于减少空调能耗有重大的意义。文献 3 对既有建筑围护结构能耗进行模拟，文献 4 对新建建筑围护结构的各种节能措施进行了详细介绍。由于我国幅员辽阔，地理纬度跨度较大，各地的室外气象条件千差万别，这些文献没有针对不同地域的具体情况进行分析，仅仅是针对某一城市进行分析，缺乏全局推广性。本文通过 DeST 软件模拟计算分析中国南北方典型 6 个城市(成都、上海、广州、沈阳、北京、西安)在不同气候条件下，由外围护结构引起的空调负荷，进而分析不同外围护结构对建筑空调负荷的影响。1DeST 建筑空调模拟软件介绍DeST 是建筑环境及 HVAC 系统模拟的软件平213台，该平台以清华大学建筑技术科学系环境与设备研究所 10 余年的科研成果为理论基础，将现代模拟技术和独特的模拟思想运用到建筑环境的模拟和HVAC 系统的模拟中去，为建筑环境的相关研究和建筑环境的模拟预测、性能评估提供了方便实用可靠的软件工具，为建筑设计及 HVAC 系统的相关研究和系统的模拟预测、性能优化提供了一流的软件工具。2建筑模型建立2.1建筑模型参数设置选用某商用办公楼建筑。总长为 43 m，宽为 17m，每层层高为 3.7 m。地下 1 层，地上共 7 层，其中1 7 层均为办公区，建筑总高约为 26 m，建筑呈南北向排列。办公楼标准层平面及轴测如图 1，2 所示。图 1办公建筑标准层平面Fig.1The standard floor plan of the office building图 2办公建筑标准层轴测Fig.2The standard floor axonometric drawing of theoffice building建筑围护结构的相关参数如下。(1)外墙:分别选取 8 种不同墙体，分别是:选用 24 墙，名称为 24 砖墙_15_2，构件号为24，主要为重砂浆粘土和多孔混凝土，热阻为 1.247(m2K)/W;传热系数为 0.712 W/(m2K)。选用 24 墙，名称为 24 砖墙_15_7，构件号为29，主要为重砂浆粘土和膨胀珍珠岩，热阻为 3.614(m2K)/W;传热系数为 0.265 W/(m2K)。选用 24 墙，名称为 24 砖墙_1，构件号为 3，主要 为 240 mm 厚 重 砂 浆 粘 土，热 阻 为 0.319(m2K)/W;传热系数为 2.095 W/(m2K)。选用 24 墙，名称为 24 砖墙_10，构件号为12，主要为 240 mm 硅酸盐砖砌体，热阻为 0.300(m2K)/W;传热系数为 2.185 W/(m2K)。选用 37 墙，名称为 37 砖墙_4，构件号为 2，主要 为 370 mm 厚 重 砂 浆 粘 土，热 阻 为 0.629(m2K)/W;传热系数为 1.270 W/(m2K)。选用 37 墙，名称为 37 砖墙_7，构件号为 7，主要为 370 mm 厚重砂浆粘土和沥青蛭石板，热阻为 2.368(m2K)/W;传 热 系 数 为0.396W/(m2K)。选用 37 墙，名称为 37 砖墙_10，构件号为13，主要为 370 mm 硅酸盐砖砌体，热阻为 0.449(m2K)/W;传热系数为 1.648 W/(m2K)。选用混凝土墙，名称为陶粒混凝土墙_夹苯300，构件号为 428853443，主要为广东陶粒混凝土和聚苯乙烯泡沫塑料，热阻为 7.125(m2K)/W;传热系数为 0.137 W/(m2K)。(2)内墙:选用 24 墙，名称为 24 砖墙_1，构件号为3，主要为240 mm 厚重砂浆粘土，热阻为0.319(m2K)/W;传热系数为 2.095 W/(m2K)。(3)屋顶:轻质保温屋面_聚苯 100 mm，热阻为0.804(m2K)/W;楼板:钢筋混凝土150 mm，热阻为 0.141(m2K)/W。(4)窗:铝合金玻璃窗，无外遮阳和窗帘。(5)门:单层木质门，大门为商场玻璃外门。2.2空调系统设计参数(1)房间设计空调参数夏季室内计算温度分别为 23，25，27，29，相对湿度为 50%60%，冬季室内计算温度分别为 19，21，23，相对湿度为 40%50%。(2)人员、设备和灯光负荷扰量灯光、设备和人员散热量决定了建筑内部负荷。灯光散热量直接构成房间显热负荷。根据目前在我国取工作区内灯光热扰为 20 W/m2，设备热扰为 20W/m2。人员热扰包括显热和潜热负荷。每人办公面积为 5 m2。每人产热量为 53 W，产湿量为 0.102g/h，每人所需的最小新风量为 20 m3/h 以上。(3)作息模式建筑类型为办公类建筑，全年工作时间按 8:00到 18:00 计算，星期六、星期日停机休息，不考虑其他的节假日，夏季从 6 月计算到 9 月，冬季从 11 月计算到次年 4 月。3132010 No.3冯劲梅，等:办公建筑外墙传热系数对空调负荷的影响3模拟计算结果及分析本课题运用 DeST-c 进行模拟计算，分别计算南北方不同城市(成都、上海、广州、沈阳、北京、西安)、不同温度(夏季 23，25，27，29;冬季19，21，23)及 8 种墙体相互组合时空调系统的冷热负荷，从而分析外墙传热系数对空调负荷的影响。3.1全年空调冷、热负荷分析6 城市不同传热系数外墙的办公建筑全年冷热负荷计算结果见图 3，4。从图 3，4 中可以看出，冬季，在其他因素(包括室内热扰)不变的前提下，随着传热系数的增加，空调热负荷也随之增加，空调热负荷的趋势也就是空调系统能耗的趋势，外墙的保温效果好，传热系数降低，空调热负荷将减少，建筑节能。图 36 城市不同传热系数外墙的全年热负荷Fig.3The annual heat loads of different envelopeheat-transfer coefficient in six cities图 46 城市不同传热系数外墙的全年冷负荷Fig.4The annual cooling loads of different envelopeheat-transfer coefficient in six cities夏季，空调冷负荷的变化趋势与空调热负荷是相反的，传热系数减少，空调冷负荷反而增加。也就是说墙体保温效果好，冷空调能耗不降反增，这与传统观念上认为的墙体热阻越大，保温效果越好，空调冷负荷就越小，建筑就越节能有所不同。究其原因，当外墙传热系数减小，保温效果好时，墙体的蓄热功能相应就好，虽然在炎热的白天或者极端气候条件下，对建筑节能有利。但是，在夜间或者非极端气候条件下，反而阻碍了墙体向室外散热，增加了空调冷负荷。因此模拟计算结果表明，夏季总冷负荷随着传热系数的增加反而减少。因此，对于目前围护结构保温层厚度的研究不应过分关注增加外墙热阻，减少外墙传热系数，应寻求一个较理想的墙体传热系数，能够满足建筑节能和建筑环境热稳定性的要求。3.2空调冷热负荷波动分析6 城市不同传热系数外墙的办公建筑全年冷热负荷变化规律不同，传热系数变化对冷热负荷的影响程度也是不同的，空调负荷波动率可以反映其影响程度。空调负荷波动率=(空调最大负荷 空调最小负荷)/最大负荷不同传热系数外墙的空调负荷波动率计算结果如图 5 所示。图 56 城市空调冷热负荷波动率Fig.5The fluctuation ratio of air conditioning heat andcooling loads about different envelopeheat-transfer coefficient in six cities从图 5 中可以看出，6 城市夏季不同传热系数外墙空调冷负荷波动率在 6.48%11.54%之间，冷负荷变化幅度不大，而对于冬季而言，不同传热系数外 墙 空 调 热 负 荷 波 动 率 则 达 到 56.29%93.96%之间，变化幅度非常大，外墙传热系数的变化对于空调热负荷影响更大，而对于夏季冷负荷的影响相对小得多。因此，对于冬季空调热负荷较大的建筑物，尽量增大外墙的热阻，减少传热系数将会大幅度地降低建筑能耗。综合考虑到全年总的空调负荷(包括冷热负荷)，应选取传热系数较小的外墙，使得全年空调总负荷降低。3.3室内设定温度对空调负荷的影响室内设定温度对空调负荷有较大影响，通过模拟计算可以得出其影响的程度，成都不同室内设定413四川建筑科学研究第 36 卷温度空调负荷分布见图 6，成都不同室内设定温度空调负荷节能情况见图 7。图 6成都不同室内设定温度空调负荷分布Fig.6The air conditioning loads of different indoor settemperature in Chengdu图 7成都不同室内设定温度空调负荷节能情况Fig.7The energy saving of air conditioning aboutdifferent indoor set temperature in Chengdu从图 6 中可以看出，在冬季，随着室内设定温度的增加，空调热负荷增加;在夏季，随着室内设定温度的降低，空调冷负荷增加。从图 7 可知，夏季，室内设定温度由 25 升高到 27节省的空调冷负荷是由 23升高到 25的节省的空调冷负荷的 60%，虽然同样是升高 2的温差，节省的空调冷负荷相差却很大，过多降低设定温度付出的能耗代价将是近 1.5 倍的增加，因此，在满足人体热舒适的条件下，室内空调设定温度存在一个最优值的确定。从节能以及热舒适的角度考虑，采用 25的室内设定温度既满足了人体热舒适的要求，同时也更加节能。冬季空调热负荷的模拟计算结果与夏季类似。经计算，其他城市的情况也与成都类似，在满足人体热舒适的前提下存在最佳的室内设定温度。3.4全年能耗节能率的比较考虑到本文中办公建筑的能耗，取制冷性能系数(COP)为4，冬季采用锅炉，取制热性能系数为1，因此:全年实际能耗=全年累计冷负荷/4+全年累计热负荷从本文全年实际能耗的定义可知，全年累计冷负荷的 1/4 计入全年能耗。节能率定义为全年最大能耗与各传热系数对应能耗之差与最大能耗的比值。=(E0 E)/E0=1 E/E0式中 节能率;E 各传热系数对应的全年能耗;E0 全年最大能耗。通过节能率的计算比较墙体传热系数对全年能耗的影响情况，图 8 为上海地区各墙体传热系数在不同室温时的节能率。图 8上海地区节能率统计Fig.8The statistical energy saving ratio of Shanghai从图 8 中可以看出，不论冬夏季室内设定温度是多少，节能率基本上都遵循外墙的传热系数越小，墙体热阻越大，节能率越高的规律，而且不同传热系数节能率的变化均超过 10%。通过对其他城市的模拟计算，除广州外，变化规律与上海地区的计算结果类似，墙体传热系数越小，建筑能耗越低，建筑越节能。对于广州这样夏热冬暖的地区，变化规律与其他城市有所不同。图 9 为广州地区节能率统计。图 9广州地区节能率统计Fig.9The statistical energy saving ratio of Guangzhou(下转第 324 页)5132010 No.3冯劲梅，等:办公建筑外墙传热系数对空调负荷的影响自然通风是防热设计的重要一环，也是改善建筑室内热环境的重要手段。(1)利用绿化组织通风:在教室周围进行绿化，可显著降低房屋周围的空气温度及减少太阳辐射的作用。绿化安排得当，对风向起到导流或阻挡作用。由于绿化环境的降温作用，被导入室内的空气温度降低，因而，更有利于防热降温。(2)间歇机械通风:在连续高温天气下，利用自然通风不仅达不到通风的效果，而且还会在室内积蓄大量热量。为解决这一问题，可利用间歇机械通风，其本质就是利用夜间室外相对冷的空气，直接降低室内夜间气温，消除在白天积蓄的热量，使第二天的温度不致过高。4结语建筑热环境的舒适性是建筑功能性的一个重要指标，不同使用功能的建筑，室内人员、灯光和办公设备的密度不同，其热环境也不同。本文通过对南充地区某教学楼的测试调查，对教室室内热环境进行了分析表明，该教室环境中人体热舒适感较差，人体的工作效率较低。对此，作者提出了改善措施，希望能对南充地区甚至夏热冬冷地区北部的教育建筑提供一些借鉴。参 考 文 献:1 巴赫基 L.房间的热微气候 M.傅忠诚，译.北京:中国建筑工业出版社，1987.2 中国建筑气象数据库 R.西安:西安建筑科技大学，2007.3 纪秀玲，李国忠，戴自祝.室内热环境舒适性的影响因素及预测评价研究进展J.卫生研究，2003，32(3).4 马克斯 T.A.建筑物气候能量 M.陈士驎，译.北京:中国建筑工业出版社，1990.5 麦金太尔 D.A.室内气候 M.龙惟定，等译.上海:上海科学技术出版社，1988.6 叶歆.建筑热环境 M.北京:清华大学出版社，櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏1995.(上接第 315 页)从图 9 中可以看出，不同室内设定温度的节能率变化规律差异较大，冬季，传热系数对节能率基本无影响，不同传热系数节能率的变化在 2%以内;夏季，当室温设定在 27 以上时，由于冷负荷相对热负荷占全年能耗的比重较小，因此，基本上遵循传热系数对热负荷的影响规律，传热系数越小，节能率越高，建筑能耗越低，但节能率变化幅度同其他城市相比变化不大，最大波动幅度在 8%以内，围护结构传热系数对能耗的影响程度较小;当室温设定低于27时，冷负荷相对热负荷占全年能耗的比重较大，相应地，冷负荷对节能率的影响也较大，此时，综合全年能耗，传热系数的变化对节能率基本无影响。因此，在夏热冬暖地区，室外气象参数对建筑能耗节能率的影响程度超过了围护结构的传热系数。4结论采用建筑空调模拟软件 DeST 对我国南北 6 城市不同传热系数外墙的办公建筑的空调冷热负荷进行模拟计算，计算和分析的结果表明:(1)在冬季，传热系数越小，空调热负荷越小，建筑越节能;夏季的情况正好与冬季相反，传热系数越小，空调冷负荷越大，建筑越不节能。因此，应根据各地不同的气候条件选择合理的建筑外墙结构。对于北方寒冷地区，应尽量采用传热系数小的外墙以达到减少空调热负荷的目的;对于南方以空调冷负荷为主的建筑，盲目追求传热系数小的外墙对夏季空调节能反而会起到相反的效果。(2)综合考虑全年空调能耗，传热系数小的外墙综合节能效果更好。但在不同的地理气候条件下，必须进行相应的计算分析以确定合理的外墙传热系数。(3)无论室外气象参数如何，室内设定温度在冬低夏高情况下，空调负荷最小，在满足人体热舒适的情况下，室内设定温度每升高或降低 2，空调负荷并不是按相同比例变化，存在最优值，应根据建筑物及室外气象参数的情况进行合理确定。参 考 文 献:1 曹叔维.房间热过程和空调负荷 M.上海:上海科学技术文献出版社，1991.2 米祥友，刘大伟.世界建筑科技发展水平与趋势 M.北京:中国科学出版社，1993.3 王沣浩，王东洋，罗昔联.既有建筑围护结构能耗模拟及节能分析 J.建筑科学，2007，23(2):22-26.4 涂逢祥，王美君.建筑节能技术的跨越式发展 J.建筑技术，2002，33(10):728-731.423四川建筑科学研究第 36 卷