苑翔，龍惟定，張潔

(1. 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海，201804；2. 同濟(jì)大學(xué) 中德工程學(xué)院，上海，200092)

區(qū)域供冷負(fù)荷受到許多因素的影響。區(qū)域內(nèi)建筑的形式多種多樣，不同類型的建筑組合，其空調(diào)冷負(fù)荷最大值出現(xiàn)的時(shí)間和大小不同。建筑體形參數(shù)包括建筑體形系數(shù)、窗墻面積比和建筑長(zhǎng)寬比等參數(shù)，其中，建筑窗墻面積比對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響較大，其次為建筑的體形系數(shù)。建筑的長(zhǎng)寬比不僅對(duì)冷負(fù)荷有影響，而且對(duì)空調(diào)最大負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間也有較大影響；此外，對(duì)于不同長(zhǎng)寬比的建筑，朝向?qū)照{(diào)最大冷負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間的影響也較明顯。人們就建筑體形參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響進(jìn)行了較多的研究[1-4]，但大多都是針對(duì)建筑能耗的研究。侯余波等[2]分析了建筑物全年逐時(shí)的能耗值，指出南京地區(qū)建筑全年空調(diào)耗冷量與窗墻面積比呈線性關(guān)系；李玉云等[3]指出供暖耗熱量與所有朝向的窗墻面積比都呈正線性關(guān)系，窗墻面積比越小越有利于建筑節(jié)能；簡(jiǎn)毅文等[4]用動(dòng)態(tài)模擬分析的方法，研究分析在不同朝向下窗墻面積比對(duì)建筑全年空調(diào)能耗的影響規(guī)律；龍恩深等[5]分析了窗墻面積比對(duì)建筑冷熱耗量和能耗相對(duì)變化率的影響，并分析了當(dāng)建筑體形系數(shù)不同時(shí)，窗墻面積比對(duì)全年空調(diào)耗冷量指標(biāo)及全年空調(diào)節(jié)能率的影響；文獻(xiàn)[6]分析了窗尺寸和建筑材質(zhì)對(duì)建筑熱舒適性的影響；劉倩等[7]對(duì)上海某節(jié)能住宅小區(qū)典型住宅樓進(jìn)行了能耗模擬；LONG[8]比較了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱方式對(duì)采暖、空調(diào)及全年總能耗節(jié)能率的影響；Chow等[9-14]對(duì)區(qū)域建筑負(fù)荷計(jì)算模型進(jìn)行了探討，指出區(qū)域建筑供冷系統(tǒng)負(fù)荷特點(diǎn)與計(jì)算方法，但此方法是按照逐時(shí)相加取最大值的方法，沒有給出區(qū)域建筑規(guī)劃初期的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。本文作者忽略建筑內(nèi)擾的影響，僅考慮外擾產(chǎn)生的冷負(fù)荷，利用DOE-2程序逐時(shí)動(dòng)態(tài)模擬分析的方法，以上海地區(qū)的建筑為例，選取不同的體形系數(shù)、長(zhǎng)寬比和窗墻面積比，得出不同朝向下的最大冷負(fù)荷值，并分析最大冷負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間，得到單位體積下的建筑冷負(fù)荷指標(biāo)，為區(qū)域供冷負(fù)荷預(yù)測(cè)提供參考。

1 建筑冷負(fù)荷及體形參數(shù)分析

1.1 建筑冷負(fù)荷組成

建筑冷負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱冷負(fù)荷、窗戶日射得熱形成的冷負(fù)荷、室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷和新風(fēng)形成的冷負(fù)荷等，某時(shí)刻建筑冷負(fù)荷值為：

式中：CLen為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷，包括外墻、屋頂和外窗溫差傳熱形成的冷負(fù)荷，W；CLw為窗戶日射得熱形成的冷負(fù)荷，W；CLin為室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷，包括人體散熱散濕形成的冷負(fù)荷、照明和設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷，若建筑為餐廳，則應(yīng)包括食物的散熱散濕形成的冷負(fù)荷，W；CLp為新風(fēng)形成的冷負(fù)荷，W。其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱冷負(fù)荷和窗戶日射得熱形成的冷負(fù)荷是由建筑外部氣候條件因素引起的冷負(fù)荷，稱為外擾形成的冷負(fù)荷；室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷為內(nèi)擾形成的冷負(fù)荷。內(nèi)擾冷負(fù)荷主要由建筑內(nèi)使用人員和設(shè)備因素引起，其規(guī)律性較差，又由于建筑使用功能復(fù)雜多樣，區(qū)域供冷負(fù)荷的內(nèi)擾逐時(shí)冷負(fù)荷很難呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，所以，計(jì)算區(qū)域供冷負(fù)荷的內(nèi)擾冷負(fù)荷只能用情景分析的方法，設(shè)置有限的情景大致掌握其規(guī)律。與內(nèi)擾冷負(fù)荷相比，外擾冷負(fù)荷有相對(duì)穩(wěn)定的規(guī)律性和周期性，在同一地區(qū)，不論內(nèi)部使用情況如何，所有的建筑都處在相同的氣候條件下，不同建筑的冷負(fù)荷差異只與建筑本身的特性參數(shù)有關(guān)。

由以上分析，暫不考慮內(nèi)擾因素形成的冷負(fù)荷，以此分析建筑體形系數(shù)與建筑冷負(fù)荷的關(guān)系。令CLin=0，CLp=0，則

式中：CLout為建筑外擾形成的冷負(fù)荷，由建筑外部氣候條件因素引起的冷負(fù)荷，W。

1.2 建筑體形系數(shù)

設(shè)建筑形狀為柱形，建筑的占地面積為 A，建筑水平面周長(zhǎng)為l，建筑高度為h，建筑外表面積為F，建筑體積為V，則建筑的體形系數(shù)T可以表示為：

若建筑為矩形建筑，長(zhǎng)和寬分別為a和b，則

由式(4)可以得出：對(duì)于矩形建筑，體形系數(shù)與建筑尺寸成反比。體形尺寸越大的建筑，體形系數(shù)越小。根據(jù)冷負(fù)荷系數(shù)法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱冷負(fù)荷CLen和窗戶日射得熱形成的冷負(fù)荷CLw可分別表示為：

式中：Ki為外墻、屋頂或外窗的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Fi為外墻、屋頂或外窗的面積，m2；Fw為外窗凈有效面積，m2；tw為外墻、屋頂或外窗的逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算溫度，℃；tn為夏季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算溫度，℃；CS為窗玻璃的遮擋系數(shù)；Cn為窗內(nèi)遮陽(yáng)設(shè)施的遮陽(yáng)系數(shù)；DJ·max為日射得熱因數(shù)最大值，W/m2；CLQ為冷負(fù)荷系數(shù)。

設(shè)某建筑的外表面積為F(包括屋頂面積)，其建筑窗體面積與建筑外表面積比為x，建筑的窗面積為x·F，屋頂和外墻所占外表面積比例記為 xi，則建筑外擾冷負(fù)荷可寫為：

由式(7)可以看到：建筑外擾冷負(fù)荷與建筑外表面積呈線性關(guān)系，同時(shí)，影響冷負(fù)荷的建筑體形參數(shù)還有窗墻面積比與朝向。在式(7)的左右兩邊同除以建筑體積V，可得：

式中：CLv=CLout/V，即建筑單位體積冷負(fù)荷。

由式(9)可以看出：在窗墻面積比不變的情況下，單位體積冷負(fù)荷與體形系數(shù)呈線性關(guān)系；在相同的體形系數(shù)下，單位體積冷負(fù)荷與窗墻面積比呈線性關(guān)系。

2 模擬分析

選取上海地區(qū)矩形建筑作為研究對(duì)象，由于朝向和長(zhǎng)寬比對(duì)建筑最大冷負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間和大小有很大的影響，所以，選取不同長(zhǎng)寬比的建筑分別模擬計(jì)算其冷負(fù)荷。

設(shè)建筑模型為公共類建筑，墻體材料為 240 mm厚普通磚墻，雙面抹灰，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)夏熱冬冷地區(qū)公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)限值的限制[15]，選取65 mm厚瀝青膨脹珍珠巖保溫層，墻體總傳熱系數(shù)為0.97 W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 0.7 W/(m2·K)，外窗傳熱系數(shù)為 3.0 W/(m2·K)[16]，各方向遮陽(yáng)系數(shù)均為0.45，無外遮陽(yáng)，夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為25 ℃。為了分析方便，假設(shè)建筑內(nèi)的空調(diào)作用面積與建筑面積相同，且溫度均勻。

圖1所示為建筑模型和朝向示意圖，建筑長(zhǎng)度為a，寬度為b，高為h，本文所有建筑長(zhǎng)度a大于寬度b，建筑長(zhǎng)邊與東西方向的夾角定義為β，所有建筑為對(duì)稱建筑，對(duì)稱立面的窗墻面積比相同，則建筑的朝向定義為建筑長(zhǎng)邊所在立面對(duì)應(yīng)的方向。根據(jù)對(duì)上海地區(qū)的建筑實(shí)際調(diào)查，長(zhǎng)度邊立面的窗墻面積比一般大于寬度邊立面的窗墻面積比。在設(shè)定窗墻面積比時(shí)，按照建筑長(zhǎng)寬比來設(shè)定各立面的窗墻面積比，即長(zhǎng)度邊立面的窗墻面積比與寬度邊立面的窗墻面積比的比值等于長(zhǎng)寬比。

以下選取不同體型和窗墻面積比的建筑，從美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 TMY2(典型氣象年)獲取氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用DOE-2計(jì)算軟件進(jìn)行模擬分析，從模擬結(jié)果中選取全年冷負(fù)荷最大值。

根據(jù)不同的長(zhǎng)寬比選取的12座建筑，其體形參數(shù)和體積如表1所示。

圖1 建筑模型和建筑朝向示意圖Fig.1 Sketch map of building model and building orientation

表1 模型建筑的體形參數(shù)與體積Table 1 Shape factors and volumes of model buildings

2.1 單位體積最大冷負(fù)荷與窗墻面積比的關(guān)系

每座建筑改變其窗墻面積比，在 0.2～0.5范圍內(nèi)選取5個(gè)值，同時(shí)改變朝向，β取0°，45°，90°和135°共4個(gè)值，由模擬的結(jié)果得到單位體積冷負(fù)荷最大值與窗墻面積比的回歸分析，如表2所示。

表2 全年單位體積冷負(fù)荷最大值與窗墻面積比關(guān)系的一次回歸方程Table 2 Regression equation of relationship between building peak cooling loads of per volume and window-wall ratio

由表2可得：在建筑朝向和建筑尺寸不變的情況下，只改變窗墻面積比，則單位體積最大冷負(fù)荷與窗墻面積比成線性關(guān)系。窗墻面積比越大，單位體積最大冷負(fù)荷越大。

2.2 單位體積最大冷負(fù)荷與朝向的關(guān)系

從不同的長(zhǎng)寬比建筑中分別選取建筑5和建筑9作為研究對(duì)象，2座建筑具有相近的體形系數(shù)。由表2中的回歸方程可以得到不同窗墻面積比下的2座建筑在各朝向的單位體積最大冷負(fù)荷，如圖2和圖3所示。

圖2 長(zhǎng)寬比為3∶1的建筑朝向與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.2 Relationship between building peak cooling loads of per volume and building orientation at 3∶1 of length-width

圖3 長(zhǎng)寬比為4∶1的建筑朝向與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.3 Relationship between building peak cooling loads of per volume and building orientation at 4∶1 of length-width

從圖2和圖3可以看出：朝向?qū)ㄖ畲罄湄?fù)荷影響是很明顯的：建筑朝向?yàn)槟蠒r(shí)，比建筑為東、西方向時(shí)有更小的最大冷負(fù)荷值。這是因?yàn)樵诮ㄖ驗(yàn)闁|、西方向時(shí)，由于太陽(yáng)的入射高度角比較小，照射到室內(nèi)的太陽(yáng)輻射得熱量較大，其中，建筑朝向?yàn)槲髂蠒r(shí)比朝向?yàn)闁|南時(shí)的最大冷負(fù)荷稍大。這是因?yàn)槌驗(yàn)槲髂戏较驎r(shí)，建筑得到太陽(yáng)輻射得熱最大值的時(shí)刻是在下午，由于建筑對(duì)于得熱量的蓄熱和延遲作用，其最大值比朝向?yàn)闁|南方向時(shí)要大。從圖2和圖3還可以看出：建筑的長(zhǎng)寬比越大，朝向?qū)ψ畲罄湄?fù)荷的影響就越明顯；同時(shí)，若窗墻面積比逐漸增大，朝向?qū)ㄖ畲罄湄?fù)荷的影響就越明顯。

模擬結(jié)果顯示：各建筑在同一朝向下，不同窗墻面積比對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷最大值出現(xiàn)時(shí)間(以天為周期)是相同的，最大值出現(xiàn)的時(shí)刻有時(shí)不在同一天，但最多相差不超過72 h，如表3所示。其中：AUG表示8月份，JUL表示7月份，AM表示上午，PM表示下午，NOON表示中午12時(shí)。

從表3可以得出：雖然建筑的窗墻面積比不同，最大冷負(fù)荷不相同，但在同一朝向下最大冷負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)刻是相同的，因此，在同一朝向下的建筑峰值負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)刻相同。

2.3 單位體積最大冷負(fù)荷與體形系數(shù)的關(guān)系

將表1中的12座建筑按照體形系數(shù)從小到大排列，體形系數(shù)相同的選其中之一，選出10座建筑作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，窗墻面積比取 0.20，0.25，0.30，0.40和0.50共5個(gè)數(shù)值，代入表2中的回歸方程，可以得到不同朝向下的單位體積最大冷負(fù)荷與體形系數(shù)的回歸方程，如表4所示，關(guān)系曲線如圖4～7所示。

從表4可以看出：在相同的窗墻面積比下，單位體積最大冷負(fù)荷與體形系數(shù)呈良好的線性關(guān)系，體形系數(shù)越大，單位體積最大冷負(fù)荷就越大。由式(4)可知：體形系數(shù)與建筑尺寸呈反比例關(guān)系，所以，在窗墻面積比不變的情況下，建筑尺寸越大的建筑，單位體積最大冷負(fù)荷就越小。

表3 全年負(fù)荷最大值出現(xiàn)的時(shí)間Table 3 Time of peak loads of a year

表4 單位體積最大冷負(fù)荷與體形系數(shù)關(guān)系曲線的回歸方程Table 4 Regression equation of relationship between building cooling loads of per volume and shape coefficient

圖4 β=0°時(shí)體形系數(shù)與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.4 Relationship between building peak cooling loads of per volume and shape coefficient at β=0°

圖5 β=45°時(shí)體形系數(shù)與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.5 Relationship between building peak cooling loads of per volume and shape coefficient at β=45°

圖6 β=90°時(shí)體形系數(shù)與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.6 Relationship between building peak cooling loads of per volume and shape coefficient at β=90°

圖7 β=135°時(shí)體形系數(shù)與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.7 Relationship between building peak cooling loads of per volume and shape coefficient at β=135°

3 結(jié)論

(1) 單位體積最大冷負(fù)荷與窗墻面積比呈線性關(guān)系，窗墻面積比越大，單位體積最大冷負(fù)荷越大，減少開窗面積可以在一定程度上減少制冷機(jī)的裝機(jī)容量。

(2) 單位體積最大冷負(fù)荷與朝向有密切關(guān)系。建筑朝向?yàn)槟舷驎r(shí)，比建筑為東、西方向時(shí)有更小的最大冷負(fù)荷值。所以，應(yīng)減少建筑東西方向的開窗面積，若建筑為朝東向或朝西向的建筑，應(yīng)加強(qiáng)遮陽(yáng)措施。同時(shí)，在無內(nèi)擾因素的情況下，同一朝向的不同窗墻面積比建筑其峰值負(fù)荷在1 d內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間是相同的。

(3) 單位體積最大冷負(fù)荷與建筑體形系數(shù)呈線性關(guān)系，體形系數(shù)越大，單位體積最大冷負(fù)荷越大，建筑尺寸越大，單位體積最大冷負(fù)荷越小，即單位體積的制冷機(jī)裝機(jī)容量越小。

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