基于气候补偿的城镇居住建筑运行热负荷分析_郁玺.pdf

建筑行业节能节能 ENERGY CONSERVATIONNO.01 20234基于气候补偿的城镇居住建筑运行热负荷分析郁玺 谢晓娜*（山东大学，山东 济南 250101）摘要：以某小区的建筑为研究对象，考虑动态变化的室外温度和太阳辐射对建筑热负荷的影响，分别选取潍坊与哈尔滨的气象条件进行模拟计算，利用能耗模拟软件DeST计算建筑运行热负荷，与一维稳态方法的计算结果进行比较。结果显示：与基于室外日平均温度的气候补偿模型相比，考虑室外逐时温度变化的气候补偿模型中，单个用户供暖季累积热负荷指标降低约1%6%；考虑太阳辐射的气候补偿模型中，供暖季累积热负荷指标进一步降低，为气候补偿模型的完善提供参考。关键词：运行热负荷；太阳辐射；DeST模拟中图分类号：TU833 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）01-0004-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.002Analysis of operating heat load of urban residential buildings based on climate compensationYU Xi XIE Xiao-naAbstract：Taking the building of a residential area as the research object,considering the influence of dynamically changing outdoor temperature and solar radiation on the heat load of the building,the meteorological conditions of Weifang and Harbin were selected for simulation calculation,and the energy consumption simulation software DeST was used to calculate the heat load of building operation,and the calculation results of the one-dimensional steady-state method were compared.The results show that compared with the climate compensation model based on outdoor daily average temperature,the cumulative heat load index of a single user in the heating season is reduced by about 1%6%in the climate compensation model considering the outdoor hourly temperature change.In the climate compensation model considering solar radiation,the cumulative heat load index in the heating season is further reduced,which provides a reference for the improvement of the climate compensation model.Key words:operating heat load;solar radiation;DeST simulation1概述建筑运行能耗约占我国社会总能耗的27.4%1。我国北方地区建筑能耗以供暖能耗为主，约占建筑运行能耗的50%以上，减少供暖能耗是节能减排的重要工作。大部分集中采暖末端用户无法自主调节房间室温，北方建筑集中供热的调节方法主要依托气候补偿模型实现。李明2等针对莱芜区换热站，应用气候补偿器开展节能改造工作，发现气候补偿控制器的节能效果显著，采用气候补偿控制器可以节能15%以上，分时段调节的公共建筑节能率高达50%。气候补偿通常基于室外日平均温度对供热负荷的影响，采用稳态传热过程计算建筑热负荷。但建筑热负荷受多种因素影响，包含室外温度、太阳辐射与室内热扰等，建筑室内外热环境通过围护结构的传热过程属于非稳态传热过程。仅考虑室外温度作用，以稳态方法计算建筑热负荷时，供暖负荷预测结果偏离实际情况，供水温度与实际需求不符。简毅文3等对北京地区某建筑集中供暖后的室温和供暖耗热量进行模拟计算，定量分析气候补偿器的静态与非静态两种补偿模式对建筑供暖效果的影响。结果表明，调节供暖管网系统供水温度时，应对室外温度的变化进行补偿，对室内扰动、太阳辐射产生的影响进行修正。为了提高气候补偿模型负荷预测结果的精度，相关学者建立了考虑逐时室外温度、太阳辐射等气象因素的动态的气候补偿模型，其负荷预测结果与实际情况比较符合4。DeST能耗模拟软件通过模拟建筑能耗，获得建筑在全年或某一时间段的冷、热负荷5-6。DeST软件使用作者简介：郁玺（1997），男，硕士在读，研究方向为建筑节能。通信作者：谢晓娜（1979），女，博士，副教授，研究方向为建筑节能。收稿日期：2022-07-05引用本文：郁玺，谢晓娜.基于气候补偿的城镇居住建筑运行热负荷分析 J.节能，2023，42（1）：4-7.建筑行业节能5NO.01 2023节能 ENERGY CONSERVATION状态空间法对建筑室内外环境的传热过程进行动态模拟，从而获得准确的负荷情况7-8。牛志强9等研究不同热工性能的围护结构对夏热冬冷地区教学楼建筑负荷的影响，并提出针对性对策。杨志伟10等以沈阳高校办公楼为研究对象，分析不同通风条件下建筑能耗的变化，在夏季加强高层与西、南朝向办公室的夜间通风可以减少建筑能耗。段立英11等设置不同的换气次数与围护结构传热系数，对哈尔滨、广州住宅建筑进行负荷模拟，发现换气次数对冷负荷的影响较大，两者对热负荷的影响较小。采用DeST软件研究太阳辐射与室外温度变化对建筑逐时热负荷的影响，计算不同假设条件下的建筑运行热负荷，比较不同假设条件下的计算结果，分析差异及原因。2建筑模型及参数设置选取某住宅小区的某栋建筑作为模拟对象。建筑属于多层建筑，共6层，建筑面积为6 057.6 m2，建筑体型系数为0.25，总建筑高度为18 m，每层层高3 m，无地下室。每层有12个用户，4种不同户型。房间功能为卧室、厨房、书房、客厅以及卫生间。建筑为保温建筑，建筑的围护结构材料及热工参数如表1所示。建筑南、北向窗墙比分别为0.5、0.3。根据模拟建筑的基础信息，在DeST能耗模拟软件中建立建筑负荷计算模型。DeST模拟建筑模型如图1所示。考虑室外与室内的通风，换气次数为0.5次/h。3气候补偿模型采用的建筑负荷计算方法文中计算3种不同边界条件建筑的热负荷，通过修改DeST气象数据库，设置不同的室外气象参数，利用DeST软件分别进行热负荷模拟。边界1的室外温度设置为典型气象年日平均温度，太阳辐射强度为0；边界2的室外温度为典型气象年室外逐时气温，太阳辐射强度设置为0；边界3考虑典型气象年逐时室外气温与太阳辐射。3种边界条件下室外气象参数设置与计算方法如表2所示。设置房间室内温度为20，取建筑第4层的西户、中间户及东户作为研究对象，定义为A、B、C户，面积分别为75.19 m2、90.47 m2、67.50 m2。选取潍坊、哈尔滨两个供暖城市，分别作为我国寒冷地区与严寒地区的代表城市。潍坊处于山东东部，冬季较长，寒冷干燥；哈尔滨处于黑龙江南部，冬长夏短，冬冷夏凉。11月15日至次年3月15日，潍坊、哈尔滨在供暖季的室外温度如表3所示。4计算结果与分析4.1气候补偿模型边界1的负荷计算结果气候补偿模型边界1的建筑热负荷主要包括围护结构传热耗热量、冷风渗透耗热量，不考虑太阳辐射的得热量；围护结构的传热耗热量由室外日平均温度与供暖室内计算温度的差值决定。潍坊与哈尔滨的气候补偿模型边界1的供暖季热负荷如表4所示。4.2气候补偿模型边界2的负荷计算结果建筑室外气温处于周期变化，室外气温在14：0015：00时最高，4：005：00时最低。建筑室内外环境进行热交换时，建筑围护结构内外表面的温度周期变化，且存在温度衰减与延迟；建筑热负荷出现周期性波动。DeST软件中的典型气象年室外温度依据多年实测数据计算，随时间的变化而改变。潍坊与哈尔滨的气候补偿模型边界2的供暖季热负荷如表5所示。表1建筑的围护结构材料及热工参数围护结构外墙内墙屋顶楼板窗材料钢筋混凝土+纯石膏板+聚苯乙烯泡沫塑料水泥砂浆+陶粒混凝土水泥砂浆+多孔混凝土+钢筋混凝土水泥砂浆+泡沫混凝土普通中空玻璃传热系数/W/(m2K)0.4001.5150.4640.6342.500图1DeST模拟建筑模型表23种边界条件下室外气象参数设置与计算方法边界条件123室外温度/典型气象年室外日平均温度典型气象年室外逐时温度典型气象年室外逐时温度太阳辐射/(W/m2)00典型气象年太阳辐射强度计算方法稳态计算DeST计算DeST计算表3潍坊、哈尔滨在供暖季的室外温度/城市潍坊哈尔滨室外平均温度0.06-13.12日最高温度22.011.8日最低温度-15.20-28.68日温度最大波动23.421.9室外计算温度-7.00-23.40表4潍坊与哈尔滨的气候补偿模型边界1的供暖季热负荷用户潍坊A潍坊B潍坊C哈尔滨A哈尔滨B哈尔滨C累计热负荷/kWh7 243.666 689.526 216.6511 891.0310 992.0710 220.97累计热负荷指标/(kWh/m2)96.3473.9492.10158.15121.50151.42建筑行业节能6节能 ENERGY CONSERVATIONNO.01 2023潍坊A户边界1、边界2的供暖季热负荷对比如图2所示。潍坊地区，边界2模拟结果与边界1计算结果相比，A、B、C户供暖季累计热负荷差值分别为259.87 kWh、240.09 kWh、50.08 kWh，A、B、C户供暖季累计热负荷指标差值依次为3.46 kWh/m2、2.66 kWh/m2、0.75 kWh/m2，A、B、C户的供暖季累计热负荷可分别减少3.5%、3.5%、0.8%。哈尔滨地区，边界2的模拟结果与边界1的计算结果相比，A、B、C 户的供暖季累计热负荷差值依次为667.71 kWh、614.00 kWh、314.94 kWh，A、B、C户供暖季累计热负荷指标差值依次为8.89 kWh/m2、6.79 kWh/m2、4.67 kWh/m2，A、B、C户的供暖季累计热负荷可分别减少5.6%、5.5%、3.1%。1月9日为供暖季最冷日，潍坊A户1月9日边界1、边界2的热负荷对比如图3所示。由图3可知，边界2的热负荷模拟结果动态变化，边界1的计算结果为定值。012 h、2123 h时，边界1的热负荷小于边界2的热负荷；1320 h时，边界1的热负荷大于边界2的热负荷。建筑实际运行的热负荷会逐时变化，如果以气候补偿模型边界1的热负荷对供水温度进行调控，012 h、2123 h的供水温度偏低，难以满足室内供暖需求；1320 h的供水温度偏高，存在过量供热现象。根据稳态的室外日平均温度的气候补偿模型对供热进行调控时，无法实现按需供热。4.3气候补偿模型边界3的负荷计算结果室外扰动对建筑热负荷作用的主要因素是室外气温与太阳辐射，太阳辐射值周期性变化。围护结构外表面出现太阳辐射最大值的时间与建筑朝向有关，如东外墙的太阳辐射热一般在8：00左右达到最大值，水平屋顶在12：00左右达到最大值，西外墙在16：00左右达到最大值。与室外气温相比，太阳辐射对建筑热负荷的作用强度不仅随时间变化，也受到方位的影响。潍坊与哈尔滨的气候补偿模型边界3的供暖季热负荷如表6所示。哈尔滨地区，