江向陽

廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對(duì)居住環(huán)境要求也越來越高，以冬季采暖為例，人們?cè)诙焖枰氖覂?nèi)溫度也需要更加適宜，同時(shí)這就加大了建筑所需要的能耗，需要更多的資源來補(bǔ)充人們的生活需要。那么從建筑本身降低建筑能耗、節(jié)約地球資源，則是一種極具可行性的策略，同時(shí)還能滿足人們的生活工作需求。為降低建筑物的空調(diào)能耗，我國(guó)大力推進(jìn)外墻保溫技術(shù)[1]。在建筑中，由于外墻在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中占比例最大，外墻傳熱造成的熱損失在整個(gè)建筑熱損失中占的比例也較大，通過提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能可以較好的降低建筑的能耗[2]。

為降低建筑物的能耗，近年來，我國(guó)大力推進(jìn)建筑外墻保溫技術(shù)，通過提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能可以較好的降低建筑的空調(diào)能耗。對(duì)于我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)公共建筑而言，一方面由于夏熱冬冷地區(qū)的氣候條件決定了該地區(qū)以供冷能耗為主導(dǎo)的空調(diào)用能特點(diǎn)：另一方面，由于公共建筑使用時(shí)間段以白天為主，人員設(shè)備密集，建筑物內(nèi)熱源強(qiáng)度較大，造成建筑物熱負(fù)荷較小，冷負(fù)荷較大，如果建筑物外墻保溫層過厚，外墻傳熱系數(shù)K過小，有時(shí)反而可能會(huì)出現(xiàn)外墻過度保溫現(xiàn)象。建筑外墻過度保溫現(xiàn)象是指當(dāng)建筑外墻傳熱系數(shù)K低于某個(gè)值時(shí)，如果進(jìn)一步增加保溫層厚度，降低外墻傳熱系數(shù)K，建筑全年空調(diào)能耗反而會(huì)隨著建筑外墻傳熱系數(shù)K的降低而升高[3-4]。Trnsys軟件是研究建筑能耗很實(shí)用的軟件，本文通過用Trnsys軟件模擬沈陽和廣州兩個(gè)地區(qū)，不同傳熱系數(shù)的墻體對(duì)建筑負(fù)荷的影響。

1 背景建筑描述與模擬方法

本建筑為公共建筑，建筑物功能是辦公樓，總面積為1600 m2，高9 m。建筑體形系數(shù)為0.22，各方向窗墻面積比分別為南向0.29、北向0.16、東向?yàn)?.11，西向?yàn)?.11。模型外墻采用200 mm厚砌塊加兩層各140 mm厚石墨聚苯板外保溫，石墨聚苯板導(dǎo)熱系數(shù)λ＝0.035 W/(m·K)，外墻整體外墻傳熱系數(shù)K＝0.1W/(m2·K)，石墨聚苯板采用四邊雙道企口縫拼接，兩層石墨聚苯板錯(cuò)縫鋪設(shè)，以最大限度地減少熱損失。與之比較的墻體為厚度為200 mm的巖棉保溫磚墻，傳熱系數(shù)為K＝0.47 W/(m2·K)，耗熱量指標(biāo)為21.8 W/m2。其內(nèi)熱源和透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)均設(shè)置為定值。為了方便模擬，在Trnsys軟件中，將其簡(jiǎn)化成一個(gè)大空間。

Trnsys的全稱為Transient System Simulation Program，即瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序。該軟件由美國(guó)威斯康星大學(xué)建筑技術(shù)與太陽能利用研究所的研究人員開發(fā)，并在歐洲一些研究所的共同努力下逐步完善，目前版本已達(dá)到17.0。本軟件由一系列的軟件包組成主要 有 Simulation Studio、TRNEDIT、TRNOPT 和TRNBuild。Trnsys軟件功能強(qiáng)大，涉及的范圍較廣，可對(duì)多種系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，主要有[5]：建筑的能耗模擬，改進(jìn)方案；熱泵系統(tǒng)（土壤源、水源、空氣源）；優(yōu)化暖通系統(tǒng)方案，經(jīng)濟(jì)評(píng)估；冷輻射吊頂系統(tǒng)，地板采暖系統(tǒng)模擬等。

2 Trnsys和DeST軟件計(jì)算結(jié)果的比較分析

沈陽地區(qū)供暖季為11月，12月，1月2月3月。由Trnsys軟件和DeST軟件計(jì)算節(jié)能建筑供暖季熱負(fù)荷，圖1為DeST軟件計(jì)算出的建筑供暖季負(fù)荷圖，圖2為Trnsys軟件計(jì)算出的建筑供暖季負(fù)荷圖。

通過Trnsys軟件模擬得出的結(jié)果是，整個(gè)采暖季供暖能耗為24661.6 kW·h，夏季的建筑空調(diào)能耗的模擬結(jié)果是42392.43 kW·h。通過DeST軟件模擬得出的結(jié)果是，整個(gè)采暖季供暖能耗為24852.34 kW·h，夏季的建筑空調(diào)能耗的模擬結(jié)果是37063.5 kW·h。

圖1 DeST計(jì)算供暖季負(fù)荷圖

圖2 Trnsys計(jì)算供暖季負(fù)荷圖

3 沈陽市不同外墻保溫的能耗比較

當(dāng)外墻材料是節(jié)能材料時(shí)，Trnsys軟件模擬的建筑負(fù)荷圖為圖3。當(dāng)墻體材料是普通保溫材料時(shí)，Trnsys軟件模擬的建筑負(fù)荷圖為圖4。

圖3 沈陽地區(qū)節(jié)能材料負(fù)荷圖

圖4 沈陽地區(qū)普通材料負(fù)荷圖

沈陽地區(qū)冬季寒冷而漫長(zhǎng)，集中供熱從11月1日開始，至次年3月31日止，共計(jì)152天，空調(diào)供冷時(shí)間約為每年6月1日至8月31日，共92天。由圖3可以得出，當(dāng)外墻材料采用節(jié)能材料時(shí)，最大熱負(fù)荷值出現(xiàn)在1月19日7時(shí)，為35.52 kW，最大冷負(fù)荷值出現(xiàn)在7月13日15時(shí)為53.07 kW。由圖4可以看出，當(dāng)外墻材料采用普通材料時(shí)，最大熱負(fù)荷值出現(xiàn)在1月4日6時(shí)，為60.86 kW，最大冷負(fù)荷值出現(xiàn)在8月2日11時(shí)，為118.5 kW。由此可以看出，節(jié)能墻體材料的建筑最大時(shí)負(fù)荷比普通墻體材料最大時(shí)負(fù)荷要低。說明在嚴(yán)寒地區(qū)外墻保溫提升還具有很重要意義。

4 廣州市不同外墻保溫的能耗比較

當(dāng)外墻材料是節(jié)能材料時(shí)，Trnsys軟件模擬的建筑負(fù)荷圖為圖5。當(dāng)墻體材料是常見保溫材料是，Trnsys軟件模擬的建筑負(fù)荷圖為圖6。

圖5 廣州地區(qū)節(jié)能材料負(fù)荷圖

圖6 廣州地區(qū)普通材料負(fù)荷圖

由圖5可以得出，當(dāng)外墻材料采用節(jié)能材料時(shí)，最大熱負(fù)荷值出現(xiàn)在1月19日7∶00時(shí)，為10.29 kW，最大冷負(fù)荷值出現(xiàn)在1月1日2∶00時(shí)為23.69 kW。由圖6可以看出，當(dāng)外墻材料采用普通材料時(shí)，最大熱負(fù)荷值出現(xiàn)在10月29日15∶00時(shí)，為10.29 kW，最大冷負(fù)荷值出現(xiàn)在9月11日16∶00時(shí)，為24 kW。由此可以看出，節(jié)能墻體材料的建筑最大時(shí)負(fù)荷比普通墻體材料最大時(shí)負(fù)荷要低，但是效果不是很明顯。說明在夏熱冬暖地區(qū)外墻保溫的節(jié)能作用有限。

5 結(jié)論

1）在沈陽氣候條件下，同一超低能耗建筑使用Trnsys軟件計(jì)算的建筑全年供暖季供暖能耗和空調(diào)能耗的總和為67054.03 kWh，用DeST軟件模擬計(jì)算的建筑全年供暖季供暖能耗和空調(diào)能耗為61915.84kWh，兩者偏差為8.3%，在合理的范圍之內(nèi)。

2）在沈陽氣象條件下，高保溫外墻體使用前后的建筑總能耗分別為117640.52 kWh和64817.03 kWh，分別是高保溫外墻體使用前后11月1日至31日的采暖能耗和6月1日至8月31日的空調(diào)能耗的總和，節(jié)能率為44.9%，說明在嚴(yán)寒地區(qū)外墻保溫是很重要的節(jié)能措施。

3）在廣州氣象條件下，高保溫外墻體使用前后的建筑總能耗分別為63052.52 kWh和52207.16 kWh，為全年空調(diào)能耗的總和，節(jié)能率為17.2%，說明在夏熱冬暖地區(qū)外墻保溫的節(jié)能效果有限。