260基于DeST模拟办公建筑冷负荷的传热分析.doc

基于Dest模拟办公建筑冷负荷的传热分析李琼1 吴金顺1 张伟捷2 1 华北科技学院2 河北工程大学摘要：建立了一个住宅类型建筑模型，从理论上分析了室内冷负荷与围护结构及内扰的关系，并基于Dest软件对住宅建筑室内的冷负荷与围护结构和内扰的关系进行验证，找出了冷负荷与传热系数的拟合关系式，进行了经济性分析，为建筑节能设计提供了参考。关键词： 理论分析；Dest软件；围护结构；负荷的经济性分析根据国家强制性规定，要搞好节能工作，就要切实执行耗节能建筑50的规定，并进一步执行节能65节能建筑的规定，提高能源在建筑能耗中的利用率。我国建筑能耗在总能耗中已占27.8，而空调能耗又占了建筑能耗的50以上，可见做好空调节能是做好建筑节能的关键。负荷是确定空调系统最基本的依据之一。冷（热）负荷也是选取空调设备、运行调节、系统评价等方面的基础资料。冷（热）负荷的大小直接关系到空调能耗的多少，也是建筑施工必须考虑的重要因素之一。冷（热）负荷大，系统耗电量大，能量消耗大；冷（热）负荷小，系统耗电量小，能消耗小。然而，建筑构成诸因素中，哪些是影响冷（热）负荷的主要因素，哪些是次要因素，各个因素对冷（热）负荷的影响程度又是多大，可以通过Dest软件来解决这些问题。Dest 是由清华大学开发的建筑模拟分析软件(designers simulation toolkits)。可用于建筑能耗模拟分析和环境控制系统的设计校核，起到提高设计质量、保证设计可靠性、对如何降低建筑及系统能耗、保证建筑环境质量具有重要的指导作用。本文旨在利用Dest软件对办公建筑进行能耗分析，通过能耗分析优化建筑模型。1. 理论研究房间冷负荷是由对流得热、辐射得热及内扰得热形成，热量从维护结构外表面传到内表面再换热给室内空气需要延时。为了研究维护结构及室内内扰对负荷的作用，把负荷的逐时值累加，比较维护结构和室内内扰变化时对室内冷负荷的作用，假定维护结构材料不变，用传热得热表示对流得热形成的冷负荷。CL（）=Qtr（）+Qrad（）+ Qequ （1） Qtr（）=Ak（toti） （2）CL（）为逐时冷负荷（W）, Qtr（）逐时传热量形成的冷负荷（W），Qrad（）逐时辐射量形成的冷负荷（W），Qequ室内灯光设备等内扰形成的冷负荷（W）,A维护结构的面积（m2）, k为维护结构的传热系数（W/(m2K)），to、ti分别为室外逐时温度和室内设定温度（），。下面研究：当白天室外温度高于室内设定温度（toti ），取白天的室外平均温度；夜晚室外温度低于室内设定温度（toti 时,取室外平均温度： = + + Qequ （3）= Ak1（ti）+ Qequ当toti 时,取室外平均温度： = + + Qequ （5）= A k2（ti）+ Qequ当to0，；当及小于零时，负荷不是随k的减小而减小，而呈曲线变化。由（1）式知：负荷随内扰的增大而增大，而CL与Qequ无关，即内扰不是造成负荷曲线变化的原因。2. 建筑模型 建立一个住宅建筑模型，建筑面积为150平方米，窗都为外窗，门外门，形状比为1：1，朝向为南向，尺寸为：12.247m12.247m。在通风设定时，只设定房间与室外的通风，房间之间互相不存在通风。在进行冷负荷模拟计算时，我们研究某些因素的变化对负荷的影响程度，如：墙的传热系数、屋顶传热系数、灯光设备功率对冷负荷的影响。其它的参数如：门、窗、内墙、地板的材料等都使用Dest系统提供的默认值。2.1 住宅建筑类型定义不同类型的房间其功能不同，其冷负荷也不同，所以房间的类型是决定冷负荷的重要因素。此处所说的房间类型特指房间的不同用途，如：办公室型、商场型、住宅型等。办公室类型房间的默认设计参数见文献1。2.2 住宅建筑作息模式在Dest模拟空调房间冷负荷时，采用的是逐时冷负荷，室内温、湿度的设定不是确定值，而是一个变动范围，这样设定的最大优点是使模拟的冷负荷更加准确地贴近实际的冷负荷值。实际上，室内冷负荷与人员、设备、灯光等因素有直接的关系，而人员、灯光、设备散热在办公建筑中呈现一定的周期性，Dest软件是严格按照热扰的周期性，逐时地模拟室内冷负荷。同理，室内的湿负荷也是按照逐时模拟的。室内温、湿度的设定范围见文献1，在计算负荷时，不考虑热负荷，只考虑夏季的冷负荷。表1 内扰系数分布人员热扰设备热扰灯光热扰时间内扰系数时间内扰系数时间内扰系数23:006:00,9:0016:00(22:00)7：008:0019：0021:0000.331011:00,14:0018:0013：0014:0019:0022:000.2250.6881.00：0017:0018：0022:0023:0001.00.5表1给出内扰数据，表中数据不是真正内扰值，而是在一天当中任意时刻的内扰占最大内扰量的比例，表中列出了(周一到周五)一天24小时的内扰比例系数，周六、周日8：0021：00的内扰系数都为0.2。人员最大值3人，灯光功率为10w/m2,设备功率时本文中的一个内扰变量，包括5个水平：10W、20W、30W、40W、50W。2.4 房间通风 在Dest模拟房间冷负荷的通风设定时，只设定房间与室外的通风，房间之间互相不存在通风。3 建筑能耗因素对冷负荷的影响 分别给出墙的传热系数、屋顶传热系数、灯光设备3个因素的不同水平，模拟不同水平下的逐时冷负荷，并把整个夏季的逐时冷负荷累加。作出各个水平下逐时冷负荷累加值的变化图。在分析冷负荷因素水平的变化而变化的时候，逐时冷负荷的大小不是本文所讨论的重点，我们关心的是空调季总冷量（以下简称冷量）随因素水平的变化而如何改变以及改变程度，只要保证计算的正确性和条件设定的完整性就可以。因此，为了节省计算时间和降低计算的复杂性，我们只选定了从6月1日8月30日的91天的累计值，在这91天中空调只提供冷量。 选择混凝土聚苯板内保温墙体，在室内热扰取5个水平的条件下，取保温层的6个水平，模拟得到各个水平下的冷负荷如图2；再取混凝土层的6个水平，模拟得到各个水平下的冷负荷如图3; 由（2）可知，全年的冷负荷与传热系数有线性关系，但从图2、3中可见随墙体传热系数的变化，冷负荷并不成直线变化。由（8）式知，冷负荷并不与传热系数成正比变化，即在夏季的白天，室内设定温度低于室外温度，冷负荷随传热系数减小而减小；在夜晚，室内温度高于室外温度，冷负荷随传热系数减小到一定值后又增大。图中的曲线不与冷负荷成正比关系验证了（8）式。其中当图3中k=0.895 W/(m2K)时CL=4022W,图2中k=1.321 W/(m2K)时CL=4008W，是因为保温层的比热小于混凝土的比热。 选择钢筋混凝土膨胀聚苯板屋顶，同样在室内热扰取5个水平的条件下，取保温层的6个水平，模拟得到各个水平下的冷负荷如图4；再取混凝土层的6个水平，模拟得到各个水平下的冷负荷如图5; 从图2、3、4、5中可见墙体传热特性类似屋顶传热特性图中的曲线不与冷负荷成正比关系验证了（8）式。其中当图3中k=0.895 W/(m2K)时CL=4022W比图2中k=1.321 W/(m2K)时CL=4008W大，是因为保温层的比热小于混凝土的比热，故混凝土层可看成是一个畜热层，在晚间室外温度低于室内温度时，可向室内持续放热，导致冷负荷增大。表2中列出墙体、屋顶传热系数与冷负荷的关系式，可作为建筑基础设计时的参考内扰值10W/m220 W/m230 W/m240 W/m250 W/m2墙体保温层传热系数变化曲线方程y=9.9107x2-27.604x+1193.3y=11.018x2-44.954x+1801.9y=10.143x2-43.857x+2423y=7.8036x2-21.111x+3087.7y=5.3393x2-17.204x+3912.9墙体结构层传热系数变化曲线方程y=3.9643x2+9.1643x+1200.8y=5.1786x2+0.0357x+1764y=2.6071x2+21.179x+2328y=7.625x2-7.1464x+3066.7y=3.1607x2+5.2179x+3880.3屋顶保温层传热系数变化曲线方程y=4.6786x2+3.5929x+1427.8y=4.1071x2+14.793x+1941.6y=6.1429x2+2.3429x+2562.8y=2.5714x2+24.371x+3336.2y=4.8571x2+6.4571x+4181.4屋顶结构层传热系数变化曲线方程y=4.2738x2-17.869x+1524y=4.4286x2-12.357x+2046y=6.0476x2-24.952x+2659y=5.2143x2-18.429x+3449.1y=4.9286x2-15.571x+4256.44 经济性分析 从维护结构传热系数与冷负荷的曲线看，冷负荷随传热系数的增大先减小后增大，单从节能角度上说存在一个最优墙体（墙体也包括屋顶，下同），即使得冷负荷最小时的墙体，墙体传热系数： 考虑墙体造价，又存在一个经济意义上的最优墙体，即考虑了节能墙体减少的运行投资(SE)与墙体节能的初投资(EE)两方面因素，墙体又存在一个最优经济墙体。当EE增加时，SE先减小再增加，可见SE随E变化有最小值；当EE减小时，SE增大，故E存在一个最小值Emin：Emin=f(EE)+EE, SEmin=f(EE)G而E与为一一对应关系： E ，由此对应关系可得到一系列的值，E最小时的墙体传热系数为： Emin为下的最低投资，得到的建筑为低投资、低能耗的维护结构，此处建筑能耗并不一定是最低。5结论1) 冷负荷随着维护结构传热系数的减小而减小，当减小到一定程度，负荷反而增大，即冷负荷不与传热系数呈正比变化，同时，得到了维护结构传热系数与冷负荷的经验关系式，可作为建筑节能设计时的参考。2) 冷负荷最小时的维护结构的传热系数不一定等于经济性墙体的传热系数，只有当两个条件下的传热系数相等时，才唯一存在即最节能又最经济的维护结构。参考文献1 清华同方股份有限公司研究开发中心. Dest2.0商业版M.: 2004.2 燕达，谢晓娜，宋芳婷.建筑模拟技术与Dest发展简介J.暖通空调，2004，34（7）：48-57.3 谢晓娜，宋芳婷，燕达.建筑动态热过程模型J.暖通空调，2004，34（8）：35-48.4 张晓亮，谢晓娜，燕达.建筑环境动态模拟结果的验