模拟两个北方城市的屋顶反射对建筑能量平衡的影响

模拟两个北方城市的屋顶反射对建筑能量平衡的影响摘 要在建筑物屋顶表面的太阳辐射影响制冷和供热的能源需求。在这项研究中是使用计算机模拟的有四个屋顶的大型零散建筑随明尼苏达州明尼阿波利斯每小时的天气数据变动的隔离水平（R-4到R-24）来研究增强屋顶反射的效果。在夏季黑色的屋顶表面温度可达到160多华氏度（71）；白色屋顶可达到大约100华氏度（38），导致比黑色低了6-17的冷却能源消耗。虽然在冬季增加的供热成本否定了一部分冷却节约，白色屋顶节约的总能量价值仍为正。此外，最大每小时压缩机功率的降低每月计费负责所需求的电力高峰达0.06-0.3 W每平方英尺（0.6至3 W/）可以坚持归因于高反射率的屋顶。节约的成本需求可能超出节约能源的成本。白色屋顶对于R-4到R-24的保温全年节约的总能可达到每一千平方英尺27美元（$0.3/）每一千平方英尺10美元（$0.1/）。对于丹佛有限公司，位置远南于明尼阿波利斯，有一个温暖的气候，有限的模拟结果表明最高节约了两倍。对于具有较高的绝缘水平，白色屋顶节约的能源相比与黑色屋顶较低，而增加屋顶反照率节约的总成本可比增加保温节约的成本更高。另外，积雪和外界空气省煤器的运行在屋顶反射节约的能量上的影响进行调查。绪 论商业和住宅楼宇的反射屋顶的涂料有降低冷却能源消耗和降低屋顶的温度需求的潜力。节约能源和冷却设备的潜在裁员是由于较低平均温度下获得的屋顶与屋面材料具有较高的太阳能反射率。在采暖季节反射屋顶也将降低屋顶温度（相对于非反射屋顶），从而增加了热负荷和创造了一个权衡冷却节能和供热能源的优劣标准（罚款）。对于一般为商业，机构和工业设施的有大型平板或南倾的屋顶的低层建筑效果是显著的，否则将有深色沥青或金属板材屋面。无条件的阁楼空间或高屋顶隔热值将减轻效果。权衡冷却节能与加热利用优劣（罚款）在以前出版的如明尼阿波利斯的北方气候的文献中没有广泛的研究。进行这项研究是确定使用了反射屋顶时的在北方气候中对于加热和冷却的综合能耗。本文总结是用计算机模拟模型修建的TRNSYS分析的结果，这是一个专门设计来模拟瞬态传热过程和太阳能系统的仿真程序。该程序包括所有必要的例程以有效地计算太阳辐射对建筑物以及建筑和空调组件模型。以明尼阿波利斯TMY2气象数据仿真驱动。文献回顾在以往对屋顶反射和建筑节能的使用的研究中，作者认为，具有较高反射率的屋顶可以针对南部气候传递空调系统节能空间（阿克巴里等人1998、阿克巴里1998年、帕克、宣威等1998）。在此之前对模拟结果进行补充，用实验证明屋顶表面温度随佛罗里达州制冷能耗相应降低而显着降低（阿里奇1998年、帕克、黄等1998）。在温暖气候，空调的节能成本超过了增加的供暖费。对于更冷气候，它已被认为可能是相反的案例。（阿克巴里等1998年）得出结论，高反射屋顶在明尼阿波利斯有一个关于全年建筑能源成本的负面影响。正的净储蓄，但是，可能发生在这些气候，由于夏季高峰负荷较小空调系统的大小减少时，造成为了一年中的更大比例在较小的风机和较高部分负荷比下运行。从柏，黄等人（1998年）可以得出结论，在明尼阿波利斯市住宅反射屋对每年的能源成本有负面影响（如有）。然而，不同的方法用于分析能源消耗不会产生一致的结果（希尔德布朗等1998年）和和DOE-2为基础的模拟可能会大大低估了屋顶反射对能源使用的影响，包括一个节能的主观预测高达两倍（阿克巴里1998年）。此外，结果可能只适用于某些确定类型分析的建筑。对于北方的气候，问题是反光屋顶是否提供积极的净能储蓄，若有，哪些类型的建筑物没有决定性地确定。影响参数节能与夏季加强屋顶反射与冬季损失的关系是依赖以下因素：屋顶方向：根据一年中不同的坡度和时间，南坡屋顶（在北半球）能够获得比平屋顶更高的辐射强度；另外，倾斜的屋顶有少雪覆盖。日照：年日照时数在冬季和夏季分别影响最大热负荷利益和冷却节能潜力。当屋顶被白雪覆盖，屋顶的反射效果是不利的。因此，冬天一个反射屋顶可能对具有悠久雪季的地点的罚款（加热利用）较小。屋面工程施工及保温：屋顶的热阻值越高，所得的传热越低因此，屋顶温度对建筑能源消耗使用的影响很少。高导热能力的屋顶施工，如厚厚的混凝土，将延迟太阳能加热效果，减少屋顶反射率的影响。内部热源和制冷季节长度：在制冷季节，任何额外热量的增加（或热损失减少），因为屋顶温度升高增加了冷负荷。如果冷却季节很长，要么是由于温暖的气候或内部热收益高（商业及工业楼宇），反射屋顶往往会提供更高的节能。模型总结该模拟建筑是一个大的、单层的（即为“BigBox“）零售商店，拥有25英尺的高度，316英尺长度，总面积为100000平方英尺。四面外墙有一个11h-ft2-F/Btu的热阻值。全部的5的墙面积由内部遮阳80为单窗格窗口组成。建筑物的内部热收益来自源如灯光及其他电子设备和人类，并按照建筑物居住规定定值。一个2.5 W/ft2照明强度用于模拟。建筑物内除灯以外电器设备是假设工作在功率为0.3 W/ft2，每天24小时。该设施的人数每小时变化着且不同平日和周末。在模拟中一个居住时间表被提供给一个大盒子零售房中使用了。该设施中在开放的小时期间人数最多是400，一个4/1000 ft2人流密度被假设。对于在商店顾客的预期活动水平每人产生的热量被假定为315 Btu/h显热和325 Btu/h潜热，基于ISO标准7730（ISO1994年）。这个模拟中建筑模型有一个大的内部热收益。将这个模拟的结果运用到无重大内部负载的建筑内，如住宅建筑，可能不会产生这里提出的类似的结果。这种分析比较了模型每小时加热和冷却的能源消耗。热阻值在建成的绝缘安装的屋顶的参数变化（R-0到R- 24），屋顶反照率（黑= 6对比白色=65），以及在屋顶上存在的积雪覆盖。 雪盖模型基于每小时的天气数据和占由于穿过屋顶的热通量而额外的熔化量。重要的是强调我们将一个“R-24”定义为一个有三元乙丙橡胶膜和一个足够水平的绝缘材料的金属板屋顶，增加了一个24h-ft2-F/Btu的热阻值（标称值）。实际屋顶的总传热阻力，包括内部和外部变量、对流和辐射传热系数，因此，使用的整体热阻值是在仿真过程中每一个时间步根据当时的室外和室内条件不断更新的。空调系统该机械仿真系统提供的服务设施是典型的恒容包装天台机组。在加湿不变的情况下，建筑的加热津贴是在72华氏度，而最高相对湿度为60时冷却的津贴是76华氏度。建筑物中的送风速率为1.5cfm/ft2，是对于大型零售设施以满足冷却需求高峰的典型值。室外的气流速度为0.2 cfm/ft2，一个依据ASHRAE标准62-2001中对零售商店，商场，和商场协会（ASHRAE2001年）的数值。在空置的小时，外面的空气流通设置为最低值为2.5的送风，或0.0375 cfm/ft2。风扇功率在一个假设的静压降共2英寸水的基础估计，风机的效率为0.5时总供给流量15 cfm（电动机0.85，风机0.6）。这些假设导致了70千瓦风机总功率，这更增加了内部收益。热是由屋顶机组的燃气单位提供。在较低的加热值时供热单位假设有一个恒定的效率为0.8。在这项研究中假设为屋顶满负荷制冷能效比为9.0（性能系数=2.64）。能效比包括供应风机电机功率以及由于风扇的热添加制冷量降低。屋顶机组的能效比是按照既定的ARI标准340/360（ARI2000年）建立的。在部分负荷条件下，当建筑的冷却需求明显低于屋顶机组的容量，有三个选项，以满足减少的需求：压缩机可以卸载到某水平，压缩机可循环和关闭，或总负载可划分为服务于同一屋顶单位热区，以便只有少数机组在高负荷运行而另一些仍然关闭。前两个选项，装卸及循环，减低压缩机和制冷系统效率。然而，这是由于一般外气温较低的巧合的部分补偿，导致更好的散热能力和降低的冷凝压力。确切的部分负荷效率的计算需要超出本次调查范围之外的详细压缩机及系统建模，但这不会对结果有任何重大影响。但是，高反射屋顶的实际节约能源可能会比预期略有降低，由于在减少制冷负荷时再以较低的部分负荷运行，同时使设备和设计能力相同。这些费用是根据2004年在明尼阿波利斯当地的公用事业商业客户一般服务率评价的。电额率0.031/kWh为需求收费$6.61/kW（十月至五月）和$9.26/kW（六月至9月）;天然气率是$0.481/therm。传 热 在外面屋顶的表面上的对流换热系数依据风速而定。有限的研究已进行了围护结构中的对流换热方面，现有的各种关系产生矛盾的结果（1991年贝克曼和达菲;ASHRAE1997年）。这里提出的方法是结合相关湍流流动的努塞尔数超过横平平板（和德威特2002年）和恒定项在低风速的自然对流（贝克曼和达菲1991年）。努塞尔数可表示为常数而自由对流估计为5 W/m2K（0.88 Btu/h-ft2-F）。 对这些用平均空气性质产生一个曲线拟合方程对流系数与对流hk（W/m2K）系数和风速度v（米/秒）。在屋顶表面内对流换热系数通常是具有十分重要的意义。墙的热阻力通常是相较于流阻力的系数的增加来说是非常高的。模拟中,通常系数默认值为0.5 Btu/h-ft2-F (3W / m2K)。然而,由于在这个项目中进行了详细的分析屋顶是需要,内部对流系数不是固定的,而是基于气流条件和计算温度。在一个研究有天花板通风的典型的办公房间的墙的传热系数的实验研究中。研制了一种相关对流仅与通风率系数的关系。 (费舍尔和佩德森1997)。在方程中，h是对流系数关于W/m2K天花板和ACH是基于供应气流速度和房间体积的每小时换气率：然而,这些结果被假定为对于一个更大的设备是有限的相关性由于房间和送风口特殊的配置，并由于疏忽的自由对流，对不同房间和天花板的温度的影响。假设不占有自由对流，热从天花板上转移到屋里，系数取决于天花板的表面温差和大量的空气。此外,系数将是不同的，对于一个凉爽的天花板(冬季)和一个温暖的天花板(夏季)。密度差异导致的浮力发生冷和热空气加强对流。重的冷的空气下沉，温暖的空气上升，朝向的凉爽天花板(冬季)。当天花板的温度比室内空气热(夏季)，浮力抑制对流，导致分层不稳只有通过诱导干扰在天花板下面的供应空气扩散和返回的空气摄入。应用奴塞尔数分别关联式在底部边你会看到一个横板的自由对(因柯培拉和德维特- 2002) 方程四和五冷分别是却板和加热板。用于奴塞尔数的长度尺寸分别是10英尺 (3.05米),一种近似支撑梁之间的距离在天花板下困扰流动。这个项目中的模拟,状态自由对流方法与扩散通风率的叠加相关性被采用。四、五方程是求解实际温度和平均空气性能曲线拟合,然后为了方便使用的仿真程序。这综合收益混合内部对流系数方程六是针对温暖天花板，方程7针对天花板为冷却天花板关于大量房间室温T的实际薪金暖气和空调。在对流换热之外,屋顶也和天空交换辐射。屋顶表面治理辐射传热的屋顶表面温度、天空温度和红外微距。天空温度是天空作为黑体的等效温度，在地球表面的辐射交换。这温度和空气露点温度和干球温度和一天时间的相关。布达哈和马丁的实证相关(1984)是用来在这里。屋顶反射 在该模型中黑暗屋顶的反射是建设6%，一个对沥青、沥青涂料或黑色的三元乙丙橡胶(EPDM)膜屋顶的典型的价值 (冷屋顶材料数据库，2000)。市场的大多数反射屋顶材料可被安装为太阳能反射率80%或更高。尽管这样，有一65%的值作为光屋顶模拟保守的反射率。在安装时能源之星级别有百分之六十五的最低限度，并允许从初始安装价值的80%有15%降解。雪的效果雪模型考虑了在屋顶上的积雪堆积的熔化速度。而对当地雪的高度地面气象台站实测了由于升华、辐射、对流、雨、每小时的融化，由于在温暖的屋顶表面融化得额外的熔化速度的控制方程9也必须考虑。熔化速度依赖于从屋顶的热流密度,是房间温度的函数, 与外界对流系数的整体热屋顶的阻力:这里h 是每小时每英尺的熔化速度。E是表明在积雪的屋顶上能量的变化。只有考虑积雪的基底层，在屋顶上作为温暖的雪的传导从顶部表面到寒冷的雪是可以忽略不计。因此,将等于热流方程通过屋顶(8)集成在一个一个小时时间步长。这层顶表面基底积雪的温度恒定为32F (0C)自从雪开始融化,等于兜售。雪密度,假定等于意味着雪密度为5.05磅/ ft3(80.9公斤/方的降雪),自1650年起事件在22期测量1973-1994 28年天气气候。在本研究中考虑气候区站 (罗伯等人2002)。焓的融合,hfw,因为水在32C(0F)是 144磅(335 kJ保护/公斤)。该方式的传热系数从屋顶表面融化的积雪将等于对导水层厚度为20(0.5毫米),73000 h-ft2-F(1100 W /K)。仿真结果仿真数据的比较分析包括每小时暖气和空调能耗(显热和潜热),屋顶表面温度。不同的参数的绝缘水平(R-4-R-24),到屋顶反射率(黑= 6% vs.白= 65%),和雪覆盖在屋顶上的百分比。不同暖通空调能耗的来源于躺在屋顶的屋顶表面的白色或黑暗的建筑物温度。在夏天的几个月里,从5月到9月，日常的峰值温度通常是黑色的屋顶超过140F(60C)，六月的最大峰值192F(89C)，而白色屋顶夏天的峰值大约100F(38个月C) 6月最高可达122F(50C)。每日最高温度的概述如图1。我们发现是与开始这个项目前的我们的假设相比是显著的，表面温度在很大程度上是独立的绝缘水平。这热量损失的大小/获得通过屋顶是微不足道与入射的太阳能负荷相比,甚至对R-0的例子。图1 屋顶表面温度（热阻R-8）由于加热或冷却效果的屋顶温度对建筑、建筑负荷和相应的能耗暖气和空调是不同的。对仿真结果总结了表1和2。这些结果反映了一个省煤器的使用和雪盖在屋顶上。表1 年度加热仿真结果总结表2 年度冷却仿真结果总结研究结果表明,正如人们所预料的那样,较高的热负荷和降低冷负荷是白色屋顶而黑色屋顶正相反。每年热负荷是强烈依赖于绝缘水平的屋顶。例如,建筑R-24的绝缘屋顶只有消耗不绝缘大楼R-0的能量大约30%的热量。冷却能量用法不遵循这一趋势。相反,它也跟著R值增加由于大内部荷载的不能通过高度绝缘屋顶逃脱。在这种情况下利用室外空气节能器这个效果下降,如果模拟没有外界空气节能器运行报告后来差别会更明显。压缩机高峰用电需求最高时对应最低的热值，是由于屋顶增加的高热量的传输。表3只能反映在拥有黑色的和白色的屋顶的两座建筑物之间的差异（区别=黑色-白色)。所得表的数据应更少依赖对于模拟建筑物和类似的建筑类型而做的特定的假设为今后普遍应用。表3 每年的白色屋顶比一个黑色的屋顶加热和冷却的积蓄总结一般来说,表1、2和3显示如何增加了屋顶绝缘限制了屋顶反射率对供暖和冷却负荷的影响。而低热值有很大的差异,模拟表明,R-24的供暖罚量和冷却获益都大致减少供应量,一个类似的减少应用于高峰用电需求的不同。尽管有可能对于高热值来说从增加储蓄的反射率节省较小,这一趋势,冷却获益大于加热罚款是与绝缘值无关独立的。图2 月降低压缩机峰值功率需求在夏天的几个月里,每月的压缩机高峰用电需求因素很重地进入每月结算电器高峰。每月压缩机功率峰值减少是由于在夏天的几个月里安装一个R-4屋顶反光率是10%至15%。在夏季的几个月一个R-24屋顶，减少的需求下降到3%至5%,。这每月减少需求绘制在图2。对建筑物业主和公用事业的需求侧管理(DSM)项目需求减少可以是重要的。表4 雪的影响模拟总结积雪屋顶上的积雪已经总体效果的否定屋顶的颜色的影响。当雪花覆盖是存在的,所有的屋顶是白色的。这将消除加热处罚,光屋顶超过了黑暗的屋顶。正如前面提到的,前面章节的模型正在开发确定一个适当的不同的绝缘水平的屋顶雪的熔化速度。该模型即可用于模拟中。到目前为止报告结果反映出这样的目标模型。该模型假设当时落雪屋顶重演整个一年。比较结果在表4提供。在R-4绝缘值下, 建筑物模拟有雪时每年的热能量的使用,分别为低黑暗和光明的屋顶比没有积雪的同样建筑降低2.9%和4.5%。R-4绝缘条件下积雪的总持续时间为低积雪yangjianzhuangjianzhu 615小时/年。更高的绝缘值,在考虑积雪在模拟中变大由于屋顶是持续更长时间覆盖。R-24绝缘的屋顶,每年的供暖能源是分别高于黑暗与光明没有雪的屋顶6.6%和9.4%。雪覆盖的总时间1511小时/年。白色R-4屋顶的能源成本节约是没有雪的低22%,但由于增加了需求成本的节约, 因为它们的雪发生在冷的季节是独立的, 白色屋顶是忽视了积雪总成本节约的只有降低7.5%,。为一个绝缘值R-24雪的影响差异大,白色和黑暗的屋顶之间的较小,没有雪的节约能量低26%,虽然总体储蓄水平下降了17%。表6 在白色屋顶储蓄中省煤器的影响虽然你可以想象积雪覆盖全世界,积雪将决定是否有反光的屋顶降低整体能源消耗费用, ,明尼阿波利斯TMY2每年数据结果表明即便是没有积雪反光的屋顶节能冷却节约仍高于加热的能量罚款。因此,雪的模型夹杂物,表5所示,不明显改变的结论,即使在一年内降雪很小，白色屋顶提供几乎是一样的优势。外部空气节能器没有一个省煤器时操作的影响也模拟。室外空气节能器提供了一个十分可观在每年的冷却减少能源消耗。R-4储蓄一个24%的屋顶可以达到R-24的29%冷却成本模拟由黑色屋顶由于一个省煤器的增加。没有一个省煤器,有一个更大的冷负荷。这个更大的负荷结果在相当多的节能技术对于一个不节约反光的屋顶,建筑见表6。省煤器并不影响供暖能源消耗。回顾结果提出一些在表6的审查。没有省煤器较大的储蓄建筑是因为有更多的进步的空间。例如,一个与一个省煤器附属屋顶从79美元提高10001,000 ft2至66/1,000 ft2,而没有省煤器相同建筑从$ 104/1,000 ft2提高至86/1,000 ft2。在我们推荐一个省煤器的安装之前钱是花在了反光的屋顶。表7 在屋面保温节省了增量增加增加绝缘的效果作为比较,仿真分析了一点增产效果不改变屋顶反射的增产效果。表7显示导出的储蓄增量增加屋顶隔热材料。在这个模拟,仍然是黑色的,包括屋顶,用积雪，一个省煤器。正如所料,增量的储蓄随绝缘水平的增加减少，因为较高的内部荷载作用下,供暖季增加储蓄存款和冷却季减少。这是因为添加额外的绝缘延伸冷却季节,但是这是有些省煤器的使用。有趣的是,我们注意到从提高在任何给定的反射率绝缘水平节能比较增加R-value屋顶的选择要高,通过模拟选择,可以通过比较表3和7看出。例如,一个R-16屋顶转换的白色屋顶来代替提高R-value 8 h-ft2-F /完全以节省额外R-24$ 3.99/1,000 ft2。转换一个R-4屋顶甚至反射屋顶是一半在隔热一样有效的R-24水平。进一步的研究应探讨的投资回报率这两个选项。表8 白色屋顶每年的二氧化碳储蓄减碳随着公众对全球变暖的警觉一样,它感兴趣的可能出二氧化碳量化储蓄屋顶可以达到的目标。计算是基于假设发电每千瓦时0.8公斤的二氧化碳主要从煤和0.22公斤的二氧化碳。每千瓦时的热值较低天然气。一年一度的二氧化碳储蓄见表8改变参数的影响分析在这一节中,对仿真结果某些因素的影响进行了研究。以前的明尼阿波利斯报道气候模型数据用于基础的案子。这能源价格因素, 系统效率 ，TMY2天气数据研究来自丹佛。能源价格白色屋顶较低的天然气,更高的电费,和需求收费将带来的经济效益明显提高。损益两平点,在此分析的根据反射率屋顶减低能源成本,而忽略了研究了电力需求费用为一系列电器和天然气利率和如图3。每当点的实际瓦斯和电力利率处于下面的各自的线储蓄出现。从节约成本的需求就愈明显在许多地区，低估储蓄总的潜力。暖通空调系统的效率暖通空调系统的功效成分,炉、压缩机、冷凝器、和球迷, 会以上面提到的类似方式影响储蓄能源成本。一个散热效率的两倍,相当于减少一半的电力成本,节省能源急剧下降。（接近于零),自绝缘水平较低的供暖损失是不变的。然而,尽管需求储蓄降低50%,可能还会产生积极的储蓄图3 保本能源成本、储蓄下面、损失线上总额。一个高性能制冷可能达到中央冷却的两倍屋顶的效率在基准单位承担。在加热的一面,只有差异很小,但效益占主要地位, 显然,图3的效果是非常有限的。总的来说,系统效率的影响很小在目前能源成本,特别是在高绝缘的价值观。丹佛的天气数据丹佛的气候,因为反对那个明尼苏达具有短,与更多的温暖的冬天、日照时数和更少的雪和长时间的、暖和的、干的夏天。两个温暖的冬天和夏天的时间越长冷负荷增加白色屋顶的优点。而相对较高,由于加热处罚阳光增加冬天和少数小时屋顶是雪覆盖,绝对加热处罚低;此外,冷却储蓄,绝对与相对、在丹佛掘金比明尼阿波利斯更高。因此,正如所料,为一个更南方的位置,储蓄的白色屋顶可以提供更高。作了总结,显示存款48/1,000 ft2为R-4绝缘16/1,000 ft2是