092 建筑耗熱量穩(wěn)態(tài)算法分析

1、穩(wěn)態(tài)計算方法計算建筑耗熱量指標中的幾個問題清華大學 建筑節(jié)能研究中心 燕達、張野、劉燁、李婷、吳如宏摘要規(guī)范1上給出的計算建筑耗熱量指標的穩(wěn)態(tài)算法，包括通過圍護結構的傳熱耗熱量、空氣滲透耗熱量、建筑內部得熱三個方面，其中圍護結構傳熱耗熱量一項計算復雜，對結果影響重大，是計算的關鍵。本文就穩(wěn)態(tài)算法中圍護結構傳熱耗熱量計算的幾個影響因素進行分析，主要探討地面?zhèn)鳠崃坑嬎?、太陽輻射得熱量計算、圍護結構傳熱系數(shù)計算三個問題，通過比較不同算法對以上問題的影響，研究穩(wěn)態(tài)算法計算建筑耗熱量指標的可應用性。關鍵字穩(wěn)態(tài)算法；圍護結構傳熱耗熱量1前言建筑耗熱熱量指標標是評價價建筑能能耗水平平的重要要指標，在規(guī)范范1

2、中通過過建筑耗耗熱量指指標的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)算法法（以下下簡稱穩(wěn)穩(wěn)態(tài)算法法），計算11980019981年年通用設設計的住住宅的建建筑耗熱熱量指標標，來確確定節(jié)能能前建筑筑能耗的的基準水水平的，同樣通通過規(guī)范范上的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)算法法，可以以計算設設計建筑筑的耗熱熱量指標標，與基基準水平平對比，來評價價設計建建筑是否否達到預預定的節(jié)節(jié)能目標標。由此此可見，穩(wěn)態(tài)算算法的計計算準確確性對設設計建筑筑是否能能真正實實現(xiàn)既定定節(jié)能目目標的關關鍵，也也是正確確評價建建筑采暖暖能耗水水平的關關鍵。穩(wěn)態(tài)算法法中建筑筑耗熱量量指標由由圍護結結構的傳傳熱耗熱熱量、空空氣滲透透耗熱量量、建筑筑內部得得熱量三三個指標標確定，其中，圍

3、護結結構的傳傳熱耗熱熱量計算算最復雜雜，對結結果影響響重大。本文就穩(wěn)穩(wěn)態(tài)方法法中影響響圍護結結構傳熱熱耗熱量量的幾個個因素進進行分析析，并通過建筑筑算例計算，探討地地面?zhèn)鳠釤崃坑嬎闼?、太陽陽輻射得得熱量計計算、圍圍護結構構傳熱系系數(shù)計算算三個問問題，研研究穩(wěn)態(tài)態(tài)算法的的計算準準確性。2地面?zhèn)鱾鳠嵊嬎闼愕孛鎮(zhèn)鳠釤崃坑腥N種常見計算算方法：基于外外溫的地地面平均均傳熱系系數(shù)法、基于地地溫的地地面平均均傳熱系系數(shù)法、基于外外溫的地地面劃分分地帶計計算法?；谕鉁販氐牡孛婷嫫骄鶄鱾鳠嵯禂?shù)數(shù)法是采用室室內外空空氣溫度度差，并利用對地地面?zhèn)鳠釤嵯禂?shù)的的修正來考慮地地面通過過土壤與室室外空氣氣換熱的的熱阻；

4、基于地地溫的地地面平均均傳熱系系數(shù)法則則不考慮慮室內地地面通過過土壤與與室外空空氣的換換熱，直直接采用用室內溫溫度與室室外地溫溫之差進進行計算算；而基于于外溫的的地面劃劃分地帶帶計算法法是考慮慮到室內內熱量通通過地面面?zhèn)鞯绞沂彝獾穆仿烦涕L短短不同，而熱阻阻也相應應有所不不同，因因此對室室內地面面劃分不不同的地地帶，并并采用不不同的傳傳熱系數(shù)數(shù)進行計計算。由于基于于外溫的的地面劃劃分地帶帶計算法法采用的的傳熱系系數(shù)是考考慮了距距離外墻墻遠近不不同導致致土壤傳傳熱熱阻阻不同的的綜合傳傳熱系數(shù)數(shù)，因此此比較好好的反映映了地面面?zhèn)鳠岬牡膶嶋H狀狀況，是是應該選選用的算算法?；谕鉁販氐牡孛婷嫫骄鶄鱾鳠嵯?/p>

5、數(shù)數(shù)法計算算建筑耗耗熱量時時，單位位面積的的地面?zhèn)鱾鳠岷臒釤崃繛椋?(2.11)式中：QQ1 單位位面積地地面?zhèn)鳠釤岷臒崃苛?，kWWh/(mm2a)f地地面?zhèn)鳠釤嵯禂?shù)的的修正系系數(shù)，取取0.66；Kf 地面的的平均傳傳熱系數(shù)數(shù)，W/(m22K)；N供暖暖期小時時數(shù)，hh；toutt 室外外空氣溫溫度，；tin 室內控控制溫度度，；基于地溫溫的地面面平均傳傳熱系數(shù)數(shù)法在計計算建筑筑耗熱量量時，具具體計算算方法為為： (2.33)式中：ttg 供暖暖期平均均地溫，；其他符號號同前。采用基于于外溫的的地面劃劃分地帶帶計算法法時，工程程上一般般采用近近似方法法計算，把地面面沿外墻墻平行的的方向分分成四

6、個個計算地地帶，對對應每個個地帶取取不同的的傳熱系系數(shù)進行行計算 2。單位面面積地面面?zhèn)鳠岷暮臒崃康牡挠嬎愎綖椋?(22.2)式中：AA 地面總面積，m2；Am各各地帶地地面面積積，m2；Km各各地帶地地面的傳傳熱系數(shù)數(shù)，W/(m22K)；其他符號號同前。以北京地地區(qū)為例例，參考考北京典典型年逐逐時氣象象數(shù)據(jù)，tout 取取0.166，tin 取取18，供暖暖期1222天，即N=241222=29228h。建立地地面面積積為522m10mm的建筑筑模型，地面?zhèn)鱾鳠嵯禂?shù)數(shù)Kf=4.008W/(m22K)，根據(jù)以以上三種種方法計計算得到到單位面面積地面面?zhèn)鳠岷暮臒崃咳缛绫?.1：表2.11 基

7、于于三種方方法的地地面?zhèn)鳠釤岷臒崃苛坑嬎慊谕鉁販氐牡孛婷嫫骄鶄鳠釤嵯禂?shù)法法基于地溫溫的地面面平均傳熱熱系數(shù)法法基于外溫溫的地面面劃分地帶帶計算法法單位面積積地面?zhèn)鱾鳠岷臒釤崃縦Wh/m2a13010118圖2.11基于三三種方法法的地面面?zhèn)鳠岷暮臒崃勘缺容^根據(jù)以上上結果可可以看出出，三種種算法的的結果相相差甚遠遠，前兩種種算法中中地面?zhèn)鱾鳠嵯禂?shù)數(shù)的取值值直接決決定計算算結果，當取值值不考慮慮土壤熱熱阻、僅僅考慮地地面構造造做法的的熱阻時時，計算算結果顯顯然偏大大很多，同時算算法二沒沒有體現(xiàn)現(xiàn)地面通通過土壤壤與室外外空氣的的換熱，對進深深不大的的地面影影響很大大。3 太陽陽輻射得得熱量計計算文

8、獻11中，單位建建筑面積積通過圍圍護結構構的傳熱熱耗熱量量按照下下式計算算： (33.1)式中：QQ2 單位位建筑面面積通過過圍護結結構的傳傳熱耗熱熱量，kkWh/(mm2a)i圍圍護結構構傳熱系系數(shù)的修修正系數(shù)數(shù)；Kni圍護結結構的平平均傳熱熱系數(shù)，W/(m2K)；Fi 圍護額額結構的的面積，m2；A0建建筑面積積，m2；N供暖暖期小時時數(shù)，hh；toutt 室外外空氣溫溫度，；tin 室內內控制溫溫度，；式中，通通過圍護護結構傳傳熱系數(shù)數(shù)修正系系數(shù)來體體現(xiàn)太陽陽輻射得得熱量對對建筑耗耗熱量的的影響，本節(jié)通通過對算算例應用用逐時氣氣象數(shù)據(jù)據(jù)模擬計計算的方方法來檢檢驗穩(wěn)態(tài)態(tài)算法中中修正系系數(shù)法

9、的的準確性性。對式(33.1)中的修修正系數(shù)數(shù)分別按按照文獻獻1取值和和全部取取1，計計算兩種種取值算算例的圍圍護結構構耗熱量量之差，即為穩(wěn)態(tài)態(tài)算法中中對太陽陽輻射得得熱量的的修正。對算例應應用動態(tài)態(tài)模擬軟軟件計算算供暖期期建筑耗耗熱量，模型參參數(shù)除氣氣象數(shù)據(jù)據(jù)外與穩(wěn)穩(wěn)態(tài)算法法取值一一致，分分別對氣氣象參數(shù)數(shù)中有太太陽輻射射參數(shù)與與太陽輻輻射數(shù)據(jù)據(jù)全部取取零的情情況計算算，兩種種工況建建筑耗熱熱量之差差即為太太陽輻射射得熱量量。采用建筑筑環(huán)境模模擬軟件件DeSST建立立建筑模模型，并并對北京京、西安安、烏魯魯木齊三三個地區(qū)區(qū)進行計計算。建筑共共五層，層高為為2.88m，建筑外外墻為337磚墻墻

10、，外窗窗為雙層層塑鋼窗窗，外圍圍護結構構的具體體參數(shù)見見表3.1：模型平面面圖如下下所示：圖3.11 建筑筑模型平平面圖表3.11建筑模模型外圍圍護結構構參數(shù)圍護結構構類型傳熱系數(shù)數(shù)W/(mK)面積m22修正系數(shù)數(shù)北京西安烏魯木齊齊屋頂1.78865200.9110.944 0.955 南外窗3.1400.40.1880.288 0.344 北外窗3.1149.30.7660.733 0.866 東外窗3.18.40.5770.600 0.599 西外窗3.18.40.5770.600 0.599 南外墻1.277327.60.7000.799 0.766 北外墻1.277578.70.922

11、0.911 0.955 東外墻1.277131.60.8660.888 0.855 西外墻1.277131.60.8660.888 0.855 根據(jù)以上上建筑參參數(shù)，分分別利用用圍護結結構傳熱熱系數(shù)修修正系數(shù)數(shù)法和根根據(jù)逐時時氣象數(shù)數(shù)據(jù)兩種種方法，計算北京京、西安安及烏魯魯木齊三三個地區(qū)區(qū)得到供暖暖期太陽陽輻射得得熱量，如表33.2。表3.22太陽輻輻射得熱熱量計算算結果圍護結構構傳熱系系數(shù)修正正系數(shù)法法動態(tài)模擬擬法太陽輻射射得熱量量kWh/m2a北京2935西安2017烏魯木齊齊4132圖3.22 太陽陽輻射得得熱量比比較從計算結結果可以以看出，與采用用逐時氣氣象數(shù)據(jù)據(jù)法計算算得到的的太陽輻

12、輻射得熱熱量相比比，北京京地區(qū)采采用圍護護結構傳傳熱系數(shù)數(shù)修正系系數(shù)法計計算得到到的太陽陽輻射得得熱量偏偏小，而西西安和烏烏魯木齊齊計算得得到的數(shù)數(shù)值偏大大，說明明目前應應用廣泛泛的圍護護結構傳傳熱修正正系數(shù)對對太陽輻輻射得熱熱的考慮慮有一定定誤差。4 圍護護結構傳傳熱系數(shù)數(shù)計算穩(wěn)態(tài)算法法中圍護護結構傳傳熱系數(shù)數(shù)的計算算對結果果有直接接影響。圍護結結構內表表面與室室內的換換熱由兩兩部分組組成：與與空氣的的對流換換熱和與與室內其其他表面面的長波波輻射換換熱，通通常建筑筑熱工計計算中用用圍護結結構內表表面的綜綜合換熱熱系數(shù)n來簡化計算算上述兩兩部分熱熱量，按按照文獻獻3，n通常取取8.77W/mm

13、2K，但此數(shù)數(shù)據(jù)一般般用于供供熱負荷荷計算和和建筑熱熱工分析析（都是是最不利利工況），穩(wěn)態(tài)算算法中取取n=8.77W/mm2K計算算供熱期期耗熱量量是否準準確有待待研究。本節(jié)應應用動態(tài)態(tài)模擬軟軟件，對對圍護結結構內表表面對流流換熱、長波輻輻射換熱熱分開處處理，來與內表表面綜合合傳熱系系數(shù)法計計算結果果對比，分析其其準確性性。據(jù)文文獻4介紹，設定墻、屋頂、樓地內內表面對對流換熱熱系數(shù)分分別為33.5WW/m22K、1 WW/m22K和和4 WW/m22K。依然選用用第3節(jié)節(jié)中北京京地區(qū)算算例，室室外干球球溫度和和太陽輻輻射采用用逐時氣氣象參數(shù)數(shù)，分別別利用兩兩種方法法對建筑筑模型進進行計算算，得

14、到到供熱期期耗熱量量如表44.1：表4.11 北京京地區(qū)建建筑采暖暖季耗熱熱量比較較內表面綜綜合傳熱熱系數(shù)法法單獨計算算室內長長波輻射射法單位面積積建筑耗耗熱量kkWh/m2a5334圖4.11 北京京地區(qū)建建筑采暖暖季耗熱熱量比較較由上表，采用內內表面綜綜合傳熱熱系數(shù)法法計算得得到的單單位面積積建筑耗耗熱量為為53kWhh/m22a，而而分別考考慮室內內對流、長波輻輻射換熱熱法得到到的建筑筑耗熱量量僅為334kWhh/m22a，二二者相差差達500%，可可見正確確處理圍圍護結構構內表面面換熱模模型，對對結果影影響很大大。通常常應用于于計算最最不利工工況的（負荷計計算、防防結露分分析的熱熱工計

15、算算等）內內表面等等效傳熱熱系數(shù)值值，在應應用于供供熱期累累計耗熱熱量計算算時可能能引起較較大誤差差，應予予以重視視。通過校校核計算算可以得得到，墻墻體內表表面綜合合傳熱系系數(shù)取4.22W/mm2K，樓板（樓地）向上綜綜合傳熱熱系數(shù)取取4.88W/mm2K，樓板（屋頂）向下綜綜合傳熱熱系數(shù)取取1.22W/mm2K時，采用內內表面綜綜合傳熱熱系數(shù)法法計算得得到的建建筑能耗耗誤差較較小。5 對三三種因素素的綜合合考慮綜合考慮慮地面?zhèn)鱾鳠崃坑嬘嬎恪⑻栞椛渖涞脽崃苛坑嬎?、圍護結結構傳熱熱系數(shù)計計算三個個因素對對建筑負負荷的影影響，并并選用第第3節(jié)中中北京地地區(qū)算例例，分兩兩個工況況采用不不同的計計

16、算方法法對該建建筑的采采暖季耗耗熱量進進行計算算。各工工況采用用的計算算方法如如表5.1：表5.11 不同同工況計計算方法法比較計算因素素工況1工況2地面?zhèn)鳠釤嵊嬎慊谕鉁販氐牡孛婷嫫骄鶄鱾鳠嵯禂?shù)數(shù)法基于外溫溫的地面面劃分地地帶計算算法太陽輻射射得熱量量計算圍護結構構傳熱系系數(shù)修正正系數(shù)法法動態(tài)模擬擬法圍護結構構傳熱系系數(shù)計算算內表面綜綜合傳熱熱系數(shù)法法單獨計算算室內長長波輻射射法計算得到到該建筑筑在北京京地區(qū)的的采暖季季耗熱量量如表55.2：表5.22 北京京地區(qū)建建筑采暖暖季耗熱熱量比較較工況1工況2單位面積積建筑耗耗熱量kkWh/m2a8434圖5.11 北京京地區(qū)建建筑采暖暖季耗熱熱量

17、比較較由計算可可以看出出：采用用工況11的方法法計算得得到的建建筑耗熱熱量約為為工況22的2.5倍，兩種工工況的計計算結果果差別較較大?？煽梢?，在在同時考考慮地面面?zhèn)鳠崃苛?、太陽陽輻射得得熱量、圍護結結構傳熱熱系數(shù)三三個方面面時，使使用的計計算方法法不同對對結果有有很大影影響。6 總結結1、在進進行地面面?zhèn)鳠崃苛康挠嬎闼銜r，采采用三種種算法的的結果相相差甚遠遠。基于于外溫和和基于地地溫的地地面平均均傳熱系系數(shù)法中中，地面面?zhèn)鳠嵯迪禂?shù)的取取值直接接決定計計算結果果，當取取值不考考慮土壤壤熱阻、僅考慮慮地面構構造做法法的熱阻阻時，計計算結果果顯然偏偏大很多多，同時時基于地地溫的地地面平均均傳熱系系

18、數(shù)法沒沒有體現(xiàn)現(xiàn)地面通通過土壤壤與室外外空氣的的換熱，對進深深不大的的地面影影響很大大。2、采用用圍護結結構傳熱熱系數(shù)修修正系數(shù)數(shù)法計算算太陽輻輻射得熱熱量時，北京地地區(qū)的計計算結果果與采用用逐時氣氣象數(shù)據(jù)據(jù)法計算算得到數(shù)數(shù)值相比比偏小，而西安安和烏魯魯木齊計計算得到到的數(shù)值值偏大，說明目目前應用用廣泛的的圍護結結構傳熱熱修正系系數(shù)對太太陽輻射射得熱的的考慮有有一定誤誤差。3、采用用內表面面綜合傳傳熱系數(shù)數(shù)法計算算得到的的單位面面積建筑筑耗熱量量與分別考考慮室內內對流、長波輻輻射換熱熱法得到到的耗熱熱量相比比，二者者相差較較大?？煽梢?，是是否正確確處理圍圍護結構構內表面面換熱模模型，對對結果影影響很大大。通常常應用于于計算最最不利工工況的（負荷計計算、防防結露分分析的熱熱工計算算等）內內表面等等效傳熱熱系數(shù)值值，在應應用于供供熱期累累計耗熱熱量計算算時可能能引起較較大誤差差，應予予以重視視。4、在同同時考慮慮地面?zhèn)鱾鳠崃?、太陽輻輻射得熱熱量、圍圍護結構構傳熱系系數(shù)三個個方面時時，采用用不同的的計算方方法得到到的結果果相差較較大。在第55節(jié)的算算例中，采用基基于外溫溫的地面面平均傳傳熱系數(shù)數(shù)法、圍圍護結構構傳熱系系數(shù)修正正系數(shù)法法、內表面面綜合傳傳熱系數(shù)數(shù)法計算算得到的的結果是是采用基基于外溫溫的地面面劃分