安徽建筑大学 胡浩威 曹静怡 杨帆 崔倩
【摘 要】以黄山市居住建筑为研究对象，使用DeST软件，讨论不同工况下传热系数与换气次数对居住建筑负荷的影响。结论如下: 建议选用当换气次数为2.0次/h，传热系数接近0.2W/(m2·K)时，对建筑冷热负荷影响最小; 当换气次数分别从4.5次/h降低到4.0和2.0次/h时，其采暖季节能率分别为12.30%和61.33%。
【关键词】换气次数；传热系数；节能率
【中图分类号】TU111.4 【文献标识码】A
0 引言
建筑节能设计是在保证建筑物使用功能和室内空气温度的条件下，通过提高建筑物的围护结构的保温隔热性能、气密性、采暖及空调系统的运行效率，以控制建筑物的供暖和空调能耗[1]。建筑能耗的产生是由多方面因素决定的，其中建筑物气密性和围护结构传热系数是影响建筑的空调和供暖能耗的重要因素。室内空气通过围护结构的缝隙可以直接与外界环境进行热交换，在空调季或供暖季，具有良好气密性的围护结构可以抵挡无组织渗风，从而降低建筑冷、热负荷[2]。建筑的热工性能是影响建筑气密性的主要因素,目前对其影响因素作为单一变量研究较为成熟,但其多种变量同时影响建筑负荷的研究甚少。
丰晓航等人[3]在国内外现有居住建筑气密性的研究现状的基础上，分析了典型气候区不同通风模式在不同气密性条件下的空调采暖能耗，比较并综合利用自然通风和机械通风两种形式，建立居住建筑通风模式和气密性的相应模型。刘伟等人[4]针对典型气候区的近零能耗居住建筑，分析了气密性与新风系统运行机制的相关性，计算全年逐时单位面积新风系统能耗与建筑气密性之间的定量关系，作为不同气候条件下居住建筑气密性等级和新风系统关键性能参数选取的依据。Artur Miszczuk等人[5]在波兰地区选取了具有较高节能标准的单户居住建筑对其气密性进行定量和定性研究。采用鼓风门系统对其被动式住宅进行气密性测试，并根据测试结果模拟计算了减少建筑空气渗透对建筑采暖负荷的影响。研究证实了居住建筑气密性与供暖能源需求之间的相关性，为居住建筑的节能标准提供了数据支持。J.Šadauskienė等人[6]选取了立陶宛地区的27栋居住建筑进行气密性的检测和计算，验证了在评估现有居住建筑的节能效果之前执行气密性检测的必要性，同时得出了该地区居住建筑的气密性等级，为当地建筑能耗的评估方式提供参考。
本文主要分析基于dest模拟下的多种工况下的热工性能对黄山地区的住宅建筑负荷的影响，明确两者交互作用对建筑负荷差异的特性，根据分析结果确定最佳节能组合方案，提高建筑节能率。
1 基本参数
1.1 建筑概况
使用DeST软件，根据住宅建筑房间功能设置及通风方式，建立建筑模型，共12层，建筑面积为3364.20m2。图1为此住宅建筑平面图，图2为建筑模型三维视图。
图1建筑模型平面图 图2 建筑模型立面图
1.2 参数设置
表1 围护结构热工性能参数
模拟地点设置为安徽省黄山市，其围护结构热工参数见表1。根据图2黄山市全年的干球温度，设置空调季时段为6月1日—10月1日，采暖季时段为12月1日—次年3月1日。房间人员作息、设备热扰、照明时间、窗帘作息等根据此住宅建筑不同的房间功能设置。通风是通过房间与外界之间的通风和房间的相互通风进行的，通风方案按房间功能和人员设定，采用逐时通风作息。依据夏热冬冷地区的气候特点，充分利用夜间通风降低空调冷热负荷，每日22：00—次日6：00开窗通风，换气次数取2次/h。
图3 黄山市全年温度分布图
1.3 模拟工况
为研究围护结构材料与自然通风效果对建筑负荷的影响，通过设置墙体传热系数与换气次数的双因素分析变量，分别研究单变量和双变量相互作用下对建筑冷、热负荷的影响，各工况参数设置如表2所示。6个传热系数取自于黄山地区常用的墙体材料，与6种换气次数自由组合出36种工况。其中墙体材料设置如图4所示。选用的两种墙体材料在夏热冬冷地区的应用较为广泛，其中，加气混凝土为轻质多孔的的蜂窝状结构，具有较强的保温与耐久性；而陶粒混凝土导热系数为0.2-0.7，热损失小，可以根据保温耐火隔热的具体需求，配置出所需容重和强度的混凝土材料，施工适应性强[7]。
表2 参数设置表
图4 墙体材料设置
2 模拟结果分析
2.1 建筑全年负荷分析
图5 全年负荷分布图
图5（a）为全年累计冷负荷分布图，可以看出，其传热系数的降低对冷负荷影响较小，变化幅度较为平缓；而换气次数的降低对于建筑冷负荷的影响较为显著，最低为2.25×105 KW·h，最高为2.95×105KW·h，冷负荷呈平行均匀状态分布。当传热系数为0.194W/(m2·K)，换气次数为2.0次/h，全年累计冷负荷最低。
对于全年累计热负荷分布图5（b），相比于图5（a）而言，热负荷的全年波动区域为7.5×104KW·h—2.75×105KW·h，波动范围远大于冷负荷。换气次数一定，热负荷随着传热系数的减少而减少；而当传热系数一定，随着换气次数的降低，全年累计热负荷也相应降低，热负荷分布图呈对角线斜向平行分布状态。当换气次数为2.0次/h，传热系数为0.194W/(m2·K)时，对热负荷影响最小。
2.2 采暖季节能率分析
为了分析单个变量换气系数对于采暖季节能率的影响，以2.0次/h的不同工况为基准，计算相同传热系数下不同换气次数的节能率。从图6（a）可以看出，当换气次数相同时，随着传热系数的增加，曲线呈上升状态，即节能率升高，最高达到35.21%；但是曲线的增幅是逐渐变缓的，即节能速率减小。纵向来看，随着建筑换气次数的降低，采暖季节能率升高且高度差逐渐增大，分别以换气次数为2.0和4.5次/h为例，当传热系数从0.194提高到1.081 W/(m2·K)时，其节能率分别为35.21%和16.00%，差值达两倍以上，换气次数对建筑采暖季节能率有一定影响且呈负相关。
为了分析单个变量传热系数对于采暖季节能率的影响，以0.194 W/(m2·K)的不同工况为基准，计算相同换气次数下不同传热系数的节能率。从图6（b）可以看出，相较于（a），其节能率的跨度更大，最小值为10.71%，最大值为65.09%，即相比于换气次数，传热系数是影响建筑热负荷的主要因素。当传热系数一定，换气次数增加使得曲线呈下降趋势且趋势增大，即节能率降低，节能效果提升；曲线上各点逐渐趋于相近，即换气次数越大，传热系数的改变对于采暖节能率影响越小。以传热系数为0.647W/(m2·K)为例，当换气次数分别从4.5次/h降低到4.0和2.0次/h时，其节能率分别为12.30%和61.33%，差值达近五倍，传热系数与建筑采暖季节能率成正相关。
（a）采暖节能率—传热系数 （b）采暖节能率—换气次数
图6 采暖节能率
2.3 空调季节能率分析
以换气次数为2.0、3.0、4.0次/h下的相同墙体传热系数对比分析换气次数的改变对于空调逐时负荷节能率的影响。从图7（a）、（b）、（c）可以看出，当换气次数越大时，建筑负荷逐时点越离散，负荷消耗越大，节能率越低，整体离散性较明显，即空调节能率与换气次数呈负相关性。
以传热系数为0.2、0.6、1.2 W/(m2·K)下的相同换气次数对比分析传热系数的改变对于空调逐时负荷节能率的影响。从图8（a）、（b）、（c）可以看出，当传热系数越大时，建筑负荷逐时点越集中，负荷消耗越小，节能率越高，整体离散性较微弱，即空调节能率与传热系数呈正相关性。
（a） （b） （c）
图7逐时节能率—换气次数
图8逐时节能率—传热系数
3 结论
（1）当换气次数一定，随着传热系数的降低，全年累计冷热负荷相应降低；当传热系数一定，随着换气次数的降低，全年累计冷热负荷也相应降低，且分布图呈对角线斜向平行分布状态。建议选用当换气次数为2.0次/h，传热系数接近0.2W/(m2·K)时，对建筑冷热负荷影响最小。
（2）当换气次数相同时，随着传热系数的增加，曲线呈上升状态，即采暖节能率升高，最高达到35.21%，当传热系数从0.194升高到1.081 W/(m2·K)时，其采暖节能率分别为35.21%和16.00%，差值达两倍以上，换气次数与建筑采暖季节能率成负相关。当换气次数分别从4.5次/h降低到4.0和2.0次/h时，其采暖节能率分别为12.30%和61.33%，差值达近五倍，传热系数与建筑采暖季节能率成正相关。
（3）当换气次数越大时，建筑负荷逐时点越离散，负荷消耗越大，节能率越低，整体离散性较明显，即空调节能率随换气次数增加而减小，呈负相关性：当传热系数越大时，建筑负荷逐时点越集中，负荷消耗越小，节能率越高，整体离散性较微弱，即空调节能率随传热系数增加而减小，呈正相关性。
参考文献
[1] 李华,杨和平.外围护结构对建筑空调能耗的影响研究[J].城市建筑,2020,17(15):63-64.
[2] 路菲,余镇雨,邹瑜,徐伟,孙德宇,刘常平.夏热冬暖地区近零能耗居住建筑气密性研究[J].建筑科学,2019,35(10):36-42.
[3] 丰晓航,燕达,彭琛,江亿.建筑气密性对住宅能耗影响的分析[J].暖通空调,2014,44(02):5-1
[4] 刘伟,于震,龚红卫.建筑气密性对近零能耗居住建筑新风系统能耗的影响[J].建筑科学,2019,35(06):66-72.
[5] Artur Miszczuk. Influence of air tightness of the building on its energy-efficiency in single-family buildings in Poland[J]. MATEC Web of Conferences,2017,117.
[6] J. Šadauskienė,L. Šeduikytė,V. Paukštys,K. Banionis,A. Gailius. The role of air tightness in assessment of building energy performance: Case study of Lithuania[J]. Energy for Sustainable Development,2016,32.
[7] 蒋志平,张茂亮,陈闯,杨艳娟,张璐,徐元盛.陶粒混凝土轻质自保温砌块的研究[J].混凝土,2015(12):123-126.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
