冬季太阳辐射对建筑热负荷的影响

冬季太阳辐射对建筑热负荷的影响

0冬季供热空调系统影响的问题太阳能是一种纯净的清洁能源，特别是在中国北方的采区，气候干燥，阳光充足，太阳高度低，阳光相对于建筑物南墙的入射角（北京时间12时22日（冬至），太阳高度为26.5）。建筑物南壁的日照时间很大，因此在冬季使用太阳能的条件是独一无二的。根据气象资料统计,北方采暖区南向垂直面上的冬季(当年11月～次年3月)的太阳总辐照量为每平方米1300～3300MJ,相当于44kg～113kg标准煤的发热量。尽管太阳能具有间断性和不稳定性,但在冬季供暖空调系统运行时完全可以通过调控装置对这部分能量加以利用,这对建筑节能、环境保护和提高室内环境的舒适性都具有积极作用。以往的建筑节能研究仅局限于建筑热工,未能从供暖空调负荷计算的角度进行冬季供暖空调分析,如所给出的冬季太阳辐射照度结果中包括对冬季室温影响甚小的太阳散射辐射照度、透过玻璃窗的日射得热未能按照先由内墙、楼板、家具所吸收再衰减延迟放给室内空气的实际得热过程,计算因而造成结果偏大。由于建筑物冬季墙体负荷计算按稳态已满足工程计算的精度要求,因此现行工程设计中也忽视了对冬季南向房间的太阳辐射得热逐时计算。本文的分析在上述方面有所改进,为建筑物供暖空调系统的冬季逐时负荷预测和运行节能调控分析提供了分析依据。1冬季南壁面太阳辐射辐照尚放定期文献针对夏季空调负荷计算给出了太阳逐时辐射照度的计算方法。夏季的太阳总辐射照度为直射辐照度、天空散射辐照度、地面反射辐射照度、大气长波辐射照度之和。与夏季空调工况有所不同,冬季室内外温差较大,能够直接对室温产生影响的只有太阳直射辐射照度。从冬季供暖空调室内温升的角度看天空散射辐射、地面反射辐射、大气长波辐射照度不应计入,否则进入室内的冬季太阳辐射得热量理论计算值偏大将导致进入房间实际热量不足,因此建筑物冬季南壁面的太阳逐时辐射照度计算公式应为:式中I0——太阳常数;P——大气透明系数;m——大气光学质量。建筑物南壁面的太阳高度角φ、方位角α和入射角i的角度关系见图1,其角度逐时计算方法见文献。图2为北京全年每月22日中午12时南壁面太阳辐射照度计算结果,从图2可以看出,整个冬季的南向垂直面的所接受的太阳辐照量最大。12月22日(冬至日)的太阳辐射强度有一个小低谷,该日的太阳高度角虽然全年最低有利于得热,但高度角的降低同时也导致阳光穿过大气层的距离增长、大气透明度修正部分增大,因而导致太阳辐射照度略有降低。12月22日也是全年太阳日照时间最短的一天,该日的建筑物太阳辐射得热分析具有典型性。表1为北京12月22日南壁面太阳辐射照度逐时计算结果。表1中南壁面从上午10点到下午2点的太阳直射辐射照度都在500W/m2以上。一些建筑节能文献所给出的计算结果因为包括太阳散射辐射照度,所给出的北京地区该日12时的太阳辐射照度计算值偏大,约为750W/m2左右。2南外墙逐时热负荷建筑物冬季外墙的太阳辐射得热效果可用室外空气综合温度表达式计算,即公式tz=t+J+ρ/αw。图3～6为采用有限差分法的冬季南北外墙内壁温和热负荷计算结果,其计算条件如下:墙体类型见表2,室内侧供暖计算温度取18℃,北外墙室外计算温度按室外逐时气温,其0～23时刻分别为:-5.35℃,-7.19℃,-8.29℃,-9.34℃,-10.27℃,-11.05℃,-11.65℃,-12.04℃,-11.8℃,-10.52℃,-8.57℃,-6.33℃,-4.21℃,-2.56℃,-1.65℃,-1.57℃,-1.72℃,-2.03℃,-2.44℃,-2.94℃,-3.48℃,-4.02℃,-4.53℃,-4.98℃,(t平均=-6.19℃)计算,南外墙室外计算温度按室外空气综合温度即为上述室外逐时气温与表1的等效空气温升之和(t平均=-1.38℃)(注:本文的后续分析计算均采用上述计算条件)。从图3～5可以看出,1～3号墙体内表面逐时壁温变化均很小,即使是在南外墙有充足日照的条件下也都不会超过室内供暖温度18℃。随着墙体的保温性能增强,衰减和延迟作用更加显著,南北外墙(阳光照射面和非照射面)的内壁温差值也越来越小,即采用节能保温墙体后冬季太阳光辐照度对室内温度的影响越来越小。图中的计算结果也表明在冬季设计工况下,建筑物南外墙所吸收的太阳辐射热量并不会使南向房间室内直接得热,但南外墙(阳光照射面)的内壁温全天整体小幅上升,可增加室内环境的热舒适性并使南外墙的逐时负荷较北外墙降低约20%。图6为2号墙体、3号墙体的冬季逐时负荷计算结果(计算条件同前),其中2号墙体北外墙24小时逐时热负荷的平均值为38.58W/m2,南外墙为30.92W/m2,南外墙热负荷减少约20%。这与按Q=KFωt稳态方法的计算结果一致(北外墙室外温度取t平均=-6.19℃时,则Q=38.21W,南外墙室外温度取t平均=-1.38℃,则Q=30.62W)。3号墙体北外墙全天逐时热负荷的平均值为13.18W/m2,南外墙为10.48W/m2,南外墙热负荷同样减少20%。图6中2号墙体南外墙较北外墙有所波动但幅度不大,3号墙体南外墙热负荷基本无波动说明冬季墙体的逐时热负荷计算意义不大,尤其是保温性能好的墙体。冬季东、南、西向墙体的热负荷计算可在北外墙稳态负荷计算的基础上乘以一个朝向修正系数(通常南外墙为15%～30%、东西向为5%)予以简化。3玻璃逐时温度求解结果根据文献夏季通过窗户玻璃进入室内的太阳辐射热量包括两部分,一部分是透过玻璃的辐射热量,另一部分是玻璃吸热后再以对流形式向室内传递的热量。由于建筑物冬季室内环境温度远高于室外,玻璃吸收太阳辐射热量后是否向室内散热需要首先求解其逐时温度进行判断。文献给出了玻璃日照温升计算公式,由于普通白玻很薄可忽略其热容性,则单层普通玻璃的逐时壁温ts可用公式(2)求解,其中￡*为玻璃逐时吸收率,￡*的求解见文献。双层玻璃温度的求解方法与单玻相似,但需要计入空气夹层的热阻。图7～8为冬季南外窗玻璃的逐时温度求解结果(太阳辐射强度见表1、其它计算条件同前),空气的折射指数n取1.0,玻璃的折射指数n取1.51、消光系数K取0.03/mm,玻璃厚度均为3mm。从图中可以看出,单层玻璃的日照温升较双层玻璃小且单玻温度较双玻的内玻温度明显偏低,因此双玻窗的热舒适性好。无论双玻温度还是单玻温度均低于室内供暖温度18℃,说明冬季标准工况下普通玻璃在日照吸热升温后不会向室内传入热量,冬季南外窗玻璃的太阳辐射得热计算不应计入玻璃吸热后的室内对流散热热量。这与夏季空调负荷计算又一不同之处。表3为北京12月22日透过南向普通单玻和双玻的太阳辐射得热计算结果。表4为1.5m×1.5m标准窗(透过单位面积玻璃的太阳辐射热量采用表3的计算结果)的冬季南外窗太阳辐射得热计算结果,由内墙、楼板、家具所吸收再衰减延迟放出的实际室内空气得热计算结果也列入其中。由表4可知该标准窗的单玻直射辐射得热最高可达947W,双玻窗也可达到793W,考虑衰减和延迟后的室内空气得热量最高也可分别达到509W和425W。由于双玻窗的太阳辐射穿透率降低,因此双玻窗的太阳辐射得热量降低为单层窗的84%。4年制汽车建筑采暖负荷本文以北京地区住宅标准房间为例对南外窗太阳辐射得热与供暖逐时热负荷进行了比较(计算条件同前)。该房间面积为15m2,房间宽3.3m、高2.7m,仅有一南外窗(同前1.5m×1.5m标准窗)和外南墙与外界直接接触。建筑类型为:(1)既有非节能建筑:2号墙体、单玻窗(K=6.4W/m2·℃)(2)既有建筑节能改造后:3号墙体、双玻窗(K=3.2W/m2·℃)。该房间冬季逐时热负荷计算结果见表5。图9～10为表4、表5的计算结果比较。从图9中可知冬季南单玻窗的太阳辐射得热在10时～14时已大于该房间供暖所需热负荷,但考虑衰减和延迟作用后其室内空气逐时得热仍小于房间热负荷。而图10中既有建筑节能保温改造后房间所需供暖负荷大大减小,尽管双玻窗的太阳辐射得热有所降低,但与节能保温后所减少的热负荷相比富裕量明显增大,尤其是在白天11时～15时该房间室内空气得热量已超过该房间的逐时热负荷,这表明在该时段内即使供暖系统停止使用也可以维持室温。上述分析表明随着我国节能建筑的推广和建筑物保温性能的增强,冬季进入室内的太阳辐射热量占该房间所需供暖负荷的比例相应增大,透过玻璃窗的建筑物冬季太阳辐射得热对供暖系统节能的积极作用也更加突出。在新型节能建筑广泛应用的新形势下应该重视供暖空调系统冬季南向房间的自控调节问题,忽视建筑物冬季太阳能的利用将室温过热量和能源浪费。需要指出的是虽然增加南窗的面积可增加太阳辐射得热量,但这部分热量仍不满足全天总负荷。由于冬季的日照时间短,节能墙体比节能玻璃的保温性能优越数倍,因此本文并不主张南外窗面积过大,不应超过现行居住建筑节能设计规范所规定的极限值0.35。由于太阳辐射得热具有间断性和不稳定性,供暖空调系统的冬季动态负荷预测和运行时节能调控还需结合即时天气情况进行分析。5负荷变化在精密度方面的应用本文对冬季建筑物太阳辐射得热分析得出以下结论:1)我国北方地区冬季南壁面的太阳辐射照度较大,具有利用价值。2)由于墙体的衰减和延迟作用,南外墙冬季传热量受太阳辐射影响较小。在冬季标准工况下,南外墙所吸收的太阳辐射热量并不能使建筑物室内直接得热,但会南外墙的内壁面温度全天整体小幅上升,则南外墙较北外墙的供暖热负荷降低约20%。3)玻璃的日照温升计算结果表明双层玻璃的日照温升和内玻温度相对较高,双玻窗的冬季室内热环境舒适性较好,但冬季透过双玻窗的太阳辐射热量降低为单层窗的84%。4)在冬季标准