西藏地区民用建筑采暖热负荷朝向修正率研究-暖通百科网

西藏地区民用建筑采暖热负荷朝向修正率研究

0 引言

西藏地区属于严寒和寒冷地区，但该地区止到2004年才被列为采暖地区，且由于西藏自治区太阳辐射照度大，日照时间长，当地南北向房间耗热量的差异比其他地区大，因此西藏地区采暖标准则加大了南向、东南、西南向朝向附减修正率，但是具体增加的值是多少标准并没有给出，因此本文针对此问题研究了西藏地区采暖热负荷的朝向修正率。

1 理论分析

1.1 在没有太阳辐射情况下，外墙、屋顶耗热量

没有太阳辐射的影响的情况下，外墙、屋顶的耗热量是由温差传热和对周围环境的长波辐射散热来决定的，且认为外墙表面的温度近似等于室外空气的温度。其计算公式如下：

Q=KF(t_n-t_w)+q_eF （1-1）

式中K—外墙、屋顶的传热系数，w/(m².℃)；F—外墙、屋顶的表面积，m²；t_n、t_w—供暖室内设计温度、室外逐时空气温度，℃；q_e—在没有太阳辐射情况下外墙、屋顶对周围环境的长波辐射量， w/m²；

1.2 在有太阳辐射强度下，外墙、屋顶耗热量

在有太阳辐射情况下，外墙、屋顶等围护结构的表面吸收太阳辐射热量之后，温度有所升高。

Q=KF(t_n-t_w)+q′_eF-( q_S +q_R)F（1-2）

式中 —在有太阳辐射情况下外墙、屋顶对周围环境的长波辐射量，w/m²；q_S—围护结构外表面所吸收的太阳辐射热量，W/m²；q_R—围护结构外表面所吸收的地面反射辐射热量，W/m²；对于水平屋顶，则不考虑该项；其他符号代表的含义和上文一致，在此不再赘述。

根据文献^[1]所述，建筑外表面接受的太阳总辐射包括太阳直射辐射、太阳散射辐射、地面的反射辐射，以及周围建筑物的表面反射辐射。由于本文的建筑模型为单体模型，周围没有其他建筑物，所以周围建筑物的表面反射辐射不考虑。其计算公式如下：

q_s+q_R=ρ_表I_总（1-3）

本文研究把建筑外表面对天空的长波辐射换热量以及与地面之间的长波辐射换热量进行了简化，用建筑周围环境表面的综合温度来表示，其值等效于地表温度、天空有效温度和临近建筑表面温度的综合作用（本文的建筑模型是单体模型，因此后者不考虑）根据文献^[1]所述，计算公式如下：

（1-4）

式中 T_c—建筑周围环境表面的综合温度，K；其他符号代表的含义和上文一致，在此不再赘述。

根据由公式1-4所计算出来的建筑表面的综合温度，那么建筑外表面对周围环境的有效长波辐射可以有下式计算。

q_e=α_env (t-t_env) （1-5）

式中t—建筑外表面的温度，℃；通过围护结构的传热控制方程和室内空气的热平衡联合可以求得。t_env—建筑周围环境表面的综合摄氏温度，℃；α_env—建筑外表面与周围环境表面的长波辐射换热系数，w/(m²•℃)通常长波辐射换热表示成温差的线性关系来简化。

在有太阳辐射和没有太阳辐射的情况下，建筑外表面的温度是不相同的，从而也引起了建筑外表面对周围环境的长波辐射量也不同，所以两者的差值是由建筑外表面吸收的太阳辐射强度决定。其计算公式如下：

（1-6）

式中的符号代表的含义和上文一致，在此不再赘述。

1.3 外墙采暖热负荷的朝向修正率

外墙采暖热负荷的朝向修正率主要解决的是由于太阳辐射的影响而引起的各个朝向房间室内温度冷热不均问题。而长波辐射（尤其夜间辐射）通常在传统的热负荷计算过程中忽略不计，这对冬季采暖来说，是不安全的。因此本文研究的采暖热负荷的朝向修正率则考虑了长波辐射的影响。综上所述外墙、屋顶的朝向修正率计算公式如下：

（1-7）

由此可见，外墙、屋顶的采暖热负荷的朝向修正系数主要跟室内外采暖温差成反比，与进入室内的太阳总辐射以及建筑外表面的吸热系数成正比，当考虑了外墙、屋顶对周围环境的长波辐射时，朝向修正率还与外墙表面对周围环境的长波辐射换热系数与外墙表面总换热系数的比值有关系。

图1.模拟建筑平面图

2.数值模拟

2.1 模型建立的条件

本研究建立的模型中每个房间功

能相同，尺寸大小为4.2m ×3.6m×3m，共九个房间。围护结构的热工特性如表1。对于通风作息的设定，根据文献^[2]所述，考虑到西藏地区室外空气含氧量比较低这一特殊的地理气象条件，，通风作息的设定应根据当地室外空气的含氧量进行折算，通常在原有基础上乘以1.5-1.7的系数，又根据文献^[3]所述，住宅的关窗风量可按换气次数0.5h^-1取,所以本研究的DeST模型的通风作息模式，取关窗风量可按换气次数1h^-1，本研究建立的模型平面图如图1所示：

表1.模型围护结构热工特性

围护结构	构成	传热系数(w/㎡k)
外墙	20mm水泥沙浆+40mm聚苯乙烯泡沫塑料+20mm 石灰沙浆+200mm钢筋混凝土 +20mm石灰沙浆	0.612
普通内墙	20mm水泥沙浆+180mm陶粒混凝土+20mm水泥沙浆	1.515
屋顶	20mm水泥砂浆保护层+160mm憎水膨胀珍珠岩+100mm 钢筋混凝土板+20mm石灰砂浆	0.574

2.2 模拟的结果与分析

由图1可以看出，房间2和房间5作为研究对象，两者内扰完全相同，均为采暖房间。在无太阳辐射工况下，两者的差值就是通过南外墙的温差传热、渗透空气、外墙对周围环境的长波辐射而引起的耗热量；在有太阳辐射工况下，两者的差值一方面是通过南外墙的温差传热、渗透空气、外墙对周围环境的长波辐射而引起的耗热量，另一方面则是太阳辐射通过南向外墙的有效得热来影响房间的耗热量。在有太阳辐射和没有太阳辐射两种工况下的差值就是太阳辐射影响下的房间有效得热量，然后就可以得出不同朝向的外墙和屋顶由于太阳辐射引起的朝向修正率。具体计算结果见表2、表3、表4、表5。

表2.西藏不同地区不同方位外墙的朝向修正率（考虑散射辐射）

	南	东南	东	东北	北	西北	西	西南
拉萨	-18.57%	-17.18%	-11.76%	-6.23%	-4.98%	-5.29%	-9.78%	-13.02%
昌都	-17.18%	-15.00%	-9.89%	-4.65%	-4.10%	-4.15%	-8.36%	-13.19%
林芝	-21.61%	-20.63%	-14.52%	-7.20%	-5.89%	-6.88%	-11.46%	-16.37%

表3.西藏不同地区不同方位外墙的朝向修正率（不考虑散射辐射）

	南	东南	东	东北	北	西北	西	西南
拉萨	-14.95%	-13.21%	-8.13%	-2.55%	-1.08%	-1.92%	-6.01%	-10.76%
昌都	-14.12%	-11.75%	-6.77%	-1.86%	-0.71%	-0.89%	-5.30%	-10.07%
林芝	-17.88%	-15.21%	-9.25%	-3.21%	-1.44%	-2.98%	-8.33%	-13.69%

由表2和表3可以看出，考虑散射辐射和不考虑散射辐射，其结果相差很大，尤其北向最为特殊，文献^【4】规定北向的朝向修正系数是0-10%，可是对于西藏地区，北向虽然未受到太阳直射辐射但是由于受到太阳散射辐射和地面的反射辐射因素的影响，其热负荷的朝向修正率拉萨地区为-4.98%，昌都地区由于太阳辐射强度较拉萨地区弱，且室外温度比拉萨地区低，因此其修正率为-4.10%，对于林芝地区，虽然太阳辐射强度较拉萨地区弱，但是室外空气温度相对于拉萨地区高，所以朝向修正率为-5.89%。

不考虑散射辐射，理论上北外墙的朝向修正率为0，但是由于存在实际模拟过程中各房间出现的户间传热等因素，会出现误差。详见表3分别为-1.08%、-0.71%、-1.44%。其他朝向的修正率可以详见表2和表3。

表4.西藏不同地区屋顶采暖负荷朝向修正率（考虑散射辐射）

	拉萨	昌都	林芝
朝向修正率	-10.67%	-10.45%	-11.64%

表5.西藏不同地区屋顶采暖负荷朝向修正率（不考虑散射辐射）

	拉萨	昌都	林芝
朝向修正率	-7.09%	-7.05%	-8.03%

由表4可以看出，拉萨的屋顶修正率比昌都的大，这主要是由于拉萨的太阳总辐射强度比昌都大，且拉萨的采暖室外温差比昌都小。而林芝则恰恰相反，正是由于林芝的采暖室外温差较小，导致其采暖负荷的屋顶的修正系数较大。再者拉萨、昌都、林芝的屋顶朝向修正系数都在10%以上，所以针对西藏地区，屋顶的修正不能忽略，否则将导致建筑顶层房间室内温度过热，影响人们的舒适性，还会导致末端设备容量和系统的初投资的增加。

由表5可以看出，当不考虑散射辐射强度对修正系数的影响时，结果相差很大，综合来看，三个地区的散射辐射强度对外墙和屋顶采暖朝向修正系数的影响平均分为3.9%和3.35%。所以在考虑采暖负荷朝向修正系数时，应该考虑天空散射辐射强度对其的影响。

3.结论

（1）考虑散射辐射、西藏地区外墙修正附减率平均增加了3.9%，屋顶的修正附减率平均增加3.35%，可见散射辐射对朝向修正率影响比较大。

（2）对研究外墙的修正率时，由于存在实际模拟过程中各房间出现的户间传热等因素，会出现误差。其误差平均在1.08%左右，通常可以忽略。

（3）对于屋顶来说，拉萨、昌都、林芝的屋顶朝向修正率都在10%以上，所以针对西藏地区，屋顶的修正不能忽略，否则将导致建筑顶层房间室内温度过高，不仅影响人们的舒适性，还会增加末端设备容量和系统的初投资。

参考文献

[1] 清华大学DeST开发组.建筑环境系统模拟分析方法—DeST [M].中国建筑工业出版社.2006.1.

[2] 西安建筑科技大学,西藏建筑勘察设计院. DB 54/0015 —2007西藏自治区民用建筑采暖设计标准[S].拉萨:西藏人民出版社,2007.

[3] 张晓亮，朱光俊，江亿. 建筑环境设计模拟分析软件DeST—第13讲住宅模拟优化实例[J].暖通空调，2005，38（8）：65-72.

[4] 采暖通风与空调调节设计规范GBJ19 - 87[M].北京:中国建筑工业出版社,1989.

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