254利用DeST分析建筑冷热负荷指标.doc

利用DeST分析建筑冷热负荷指标侯玮1，郑忠海2，付林1,2，狄洪发2（1北京清华城市规划设计研究院，北京，100083）（2清华大学建筑技术科学系，北京，100084）摘 要： 本文利用建筑能耗模拟软件DeST来初步分析建筑冷热负荷指标选取的问题，首先对某住宅和办公楼进行模拟比较，认为在目前围护结构性能范围内，冷热负荷指标近似与围护结构综合传热系数成正比。然后通过定义负荷不均匀系数，给出了住宅热负荷指标的计算方法，最后给出了多个公共建筑类型的模拟结果以探讨公共建筑冷热负荷特点。模拟分析和简易的计算方法有利于认清建筑冷热负荷特性，对指导供热空调系统设计和城市规划也有重要意义。关键词：DeST，建筑冷热负荷指标，围护结构综合传热系数，负荷不均匀系数1. 前言建筑能耗模拟分析软件DeST (Designers Simulation Toolkit)是研究建筑热特性的重要工具，在实际建筑设计和城市规划中，建筑冷热负荷指标的选取问题都至关重要，本文所说负荷指标指的是终端建筑“真正”所需的冷热负荷，随着供热空调形式和系统的多元化，不同规模和形式的系统在能源供应过程存在着能耗的各损失环节，而终端建筑的冷热负荷是需求环节，如何简易而明确的选取指标成为系统设计或城市规划中一个最常见的问题，指标选取过大将造成热源容量过大、管网管径大、末端散热器大等一系列能源基础设施的浪费建设。本文主要利用DeST模拟对建筑冷热负荷指标进行分析探讨。2. 住宅和办公楼的模拟分析本文首先对北京的某住宅和某办公楼进行了模拟分析，其建筑外观和主要参数如图1和表1所示，住宅楼采用双层铝合金窗，办公楼采用标准外窗。建筑中的人员、灯光和设备热扰的作息按照房间功能进行设置1，自动加入建筑和外界的通风换气。表1中的围护结构综合传热系数K定义如式(1)。 (1)式中：Ki，Fi为外墙、外窗和屋顶等与室外环境接触的部分的围护结构传热系数和面积。 图1 所模拟的住宅和办公楼外形表1 模拟建筑的主要参数建筑信息建筑面积m2体形系数综合窗墙比综合传热系数K传热系数Ki W/(m2K)外窗外墙屋顶住宅33290.2860.180.732.00.4930.351办公楼558960.3440.2060.595在模拟现有建筑的基础上（K=0.73 W/(m2K)），设置围护结构综合传热系数K分别从01.2变化及K=6，其它模拟条件不变，模拟结果如表2和图25所示。表2 围护结构对住宅能耗的影响传热系数K (W/m2K)K=0.73K=0*K=0.1079K=0.6K=0.8K=1.0K=1.2K=6.0全年最大热负荷指标qD(W/m2)37.5324.0825.5335.9439.8543.7747.79117.39采暖季热负荷指标qH(W/m2)415.4217.5619.6821.7559.38全年最大冷负荷指标(W/m2)62.9159.9659.7062.9164.0865.1265.9386.12空调季冷负荷指标qC(W/m2)19.2018.5918.3919.4919.8420.1520.4226.01全年累计热负荷指标(kWh/m2)55.0729.03 30.5652.0559.7967.4775.10217.04全年累计冷负荷指标(kWh/m2)47.4346.30 46.4748.3749.1149.8050.4564.54 图2 住宅建筑全年冷热负荷（K=0.73）图3 办公楼建筑全年冷热负荷（K=1.11）图4 不同传热系数下住宅围护结构所占的负荷指标图5 不同传热系数下办公楼冷热负荷指标分析可知，在K=01.2区间各项负荷指标显现较好的线性关系，且动态特性也显较好的相似性，当K超过常规围护结构性能时，如表1的K=6时模拟结果，此时，负荷变化率随K值变化减缓。另外，K接近0时（K=0时的值是利用最小二乘法线性回归计算得到）的负荷值可认为是除了围护结构以外的负荷，包括通风和太阳辐射、照明、人员等内热扰，在特定模拟条件下为定值，因此，除去该部分指标可以得到围护结构（与室外环境接触的部分）所占的负荷指标如图4所示。可见，窗墙的性能变化较大地影响了采暖能耗，而夏季室内外温差较冬季小，内热扰所占比例大，当夏季室外温度比室内低时，围护结构保温也不一定有利，因此围护结构保温在夏季所起的作用很有限，这在办公楼中更能体现出，其累计冷负荷随着K值增加反而降低，如图5所示。当K值从1降低到0.6时，住宅和办公楼的采暖季热负荷指标分别降低21%和48%，空调季冷负荷指标分别降低3%和1%。结合上面模拟和文献23，我们认为，对于同一地区涉及具体的住宅建筑形式，可以近似认为负荷指标与围护结构综合传热系数K和体形系数s的乘积Ks成正比23。然而，同样作为围护结构，窗户与墙体不等价，窗户类型如Low-e玻璃、窗墙比、遮阳条件和朝向等条件会造成同样综合传热系数下的不同负荷值，该模拟下的住宅负荷计算误差在1%3.5%，对于公建的热负荷误差更大。3. 负荷指标的选取（1）住宅的热负荷指标根据民用建筑节能设计标准，将全国各个城市第二阶段节能（节能50%）的采暖季热负荷指标qH,50%和采暖期室外平均温度te拟合如式2和图6。而其它阶段节能或其它节能水平的建筑可按比例进行折算。qH,50% =20.303-0.164te （2）图6 全国各城市室外平均温度与建筑采暖平均热指标的关系我们这里定义负荷不均匀系数如公式3，用来计算全年最大热负荷指标即设计热负荷指标qD。 （3）式中：为负荷不均匀系数，qD为全年最大热负荷指标即设计热负荷指标，W/m2；qH为采暖季热负荷指标即平均热负荷指标，W/m2；tn为采暖期室内计算温度，住宅建筑的整体平均温度一般取164；tw为采暖期室外计算温度，；te为采暖期室外平均温度，；td为自由热修正温度5，约23；A, B为拟合公式的系数。对上述的住宅和办公室进行模拟，并将不均匀系数在采暖期内逐天从大到小进行延伸，称为不均匀系数延时曲线，逐天的DeST模拟结果和公式3的拟合结果如图7所示，其中住宅取td =2.5，公建取td =10。可见，公式3适用于采暖、内热源较小的情况，对住宅比较适用，对公建偏差较大，应用时应注意。此外，由于建筑热惰性，住宅最低日平均温度（1月18号）所对应不均匀系数1.64，而最大不均匀系数1.86则出现在1月15号。 图7 住宅和办公室的不均匀系数延时曲线（2）公共建筑的负荷指标公共建筑应该根据不同地区、不同使用功能和建筑类型来分析其负荷指标特点，一般来说，公共建筑的热负荷与住宅水平相当，大型公共建筑由于其内部发热量大，供热能耗指标比住宅低，仅为1030W/m2，其用能主要是全年电耗6。本文利用清华大学建筑技术科学系DeST课题组所提供的模型对一些公共建筑进行模拟，如表3所示。可知，除了围护结构和体形系数这两个重要影响因素之外，公共建筑由于其规模、功能、建筑类别不同，负荷指标差异大，不均匀系数大，动态模拟分析更显优势。即使同种建筑类型的冷热负荷也可能存在较大差异。表3 对一些公共建筑的能耗模拟计算(W/m2)类型奥运会篮球体育馆综合体育馆奥运会乒乓球体育馆办公楼星级酒店1星级酒店2高级KTV娱乐全年最大热负荷指标75.2344.7825.5944.6178.4956.4874.11全年最大冷负荷指标62.45 52.61 52.62 99.16 89.60 118.55 183.30 采暖季热负荷指标3.33 2.27 5.16 4.22 25.23 20.06 24.85 空调季热负荷指标2.88 4.72 12.75 17.33 25.88 22.26 30.24 4. 结论建筑冷热负荷的需求问题是建筑节能、供热空调设计和城市规划的基础数据，终端建筑冷热负荷指标的影响因素、计算公式是设计师和规划师所关心的基础问题。通过调研测试、DeST软件的模拟和计算分析相结合无疑是一种行之有效的方法。致谢感谢清华大学DeST研究课题组提供的相关计算模型。侯玮 女 1983年12月 助理工程师 北京清华城市规划设计研究院 郑忠海 男 1981年4月 博士生 清华大学建筑学院建筑科学与技术系 付林 男 副教授 清华大学建筑学院建筑科学与技术系，北京清华城市规划设计研究院 狄洪发 男 教授 博导 清华大学建筑学院建筑科学与技术系 参 考 文 献1 清华大学DeST 开发组.建筑环境系统模拟分析方法DeSTM.北京:中国建筑工业出版社,20062 陈盛,狄洪发.单体住宅建筑围护结构供暖能耗分析. 暖通空调,2005