不同遮陽措施對(duì)空調(diào)能耗的影響

不同遮陽措施對(duì)空調(diào)能耗的影響

0doe-2預(yù)測(cè)結(jié)果是否有待深化屋頂措施對(duì)建筑物的年照燈能耗有顯著影響，已被世界各國(guó)的工程實(shí)踐和理論所證明，并得到了普遍認(rèn)可。一般來說,遮陽系數(shù)的減小可以有效地降低全年的空調(diào)能耗(耗冷量),但卻會(huì)增加全年的供暖能耗。建筑能耗分析軟件DOE-2及筆者提出的特征溫度法均可從定性上和定量上預(yù)測(cè)這一規(guī)律。但從文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于中國(guó)的廣州、重慶、杭州、南寧、福州和上海等6個(gè)城市,DOE-2軟件及特征溫度法預(yù)測(cè)的全年空調(diào)節(jié)能率隨遮陽系數(shù)的變化規(guī)律幾乎是一致的;兩種方法對(duì)全年供暖節(jié)能率變化規(guī)律的預(yù)測(cè)雖然定性上總體趨勢(shì)是一致的,定量上在部分城市也比較接近,但在另外一些城市的差異卻較大。筆者認(rèn)為,DOE-2的預(yù)測(cè)結(jié)果有待深入研究。為了論證這個(gè)問題,筆者僅以中國(guó)福州為例,從當(dāng)?shù)刂饡r(shí)氣象數(shù)據(jù)入手,分析當(dāng)建筑具有空調(diào)負(fù)荷和供暖負(fù)荷的所有時(shí)刻對(duì)應(yīng)的逐時(shí)室外空氣溫度和太陽輻射,研究各時(shí)刻當(dāng)遮陽系數(shù)減小時(shí)建筑空調(diào)和供暖能耗及相對(duì)變化情況,進(jìn)而分析逐時(shí)能耗和節(jié)能率與全年空調(diào)、供暖能耗及節(jié)能率的內(nèi)在聯(lián)系。1僅有遮蔽性的整理研究的城市為中國(guó)福州。以960m2模型建筑為研究對(duì)象,方法采用筆者提出的特征溫度法。假定該模型建筑以傳統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)修建,遮陽系數(shù)C=1,此時(shí)建筑的全年空調(diào)供暖能耗(單位建筑面積全年的耗冷量及耗熱量,kWh/(m2·a))作為基礎(chǔ)能耗;以中國(guó)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K值代表改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu),當(dāng)C=1時(shí)的建筑全年能耗即是單一改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果。在改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)下遮陽系數(shù)從1到0變化,即可認(rèn)為是僅改變遮陽措施對(duì)全年空調(diào)供暖節(jié)能率的影響。傳統(tǒng)和改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性K值與文獻(xiàn)相同。C=1表示外窗無遮陽措施,C=0表示外窗全遮陽。圖1為福州市960m2模型建筑的全年空調(diào)和供暖節(jié)能率隨遮陽系數(shù)的變化規(guī)律,圖1a是用DOE-2軟件模擬計(jì)算的,圖1b是用筆者的特征溫度法計(jì)算的。筆者研究了6個(gè)中國(guó)城市和4個(gè)美國(guó)城市,兩個(gè)軟件(方法)的預(yù)測(cè)結(jié)果都有非常相似的特征。需要指出的是,模擬時(shí)特征溫度法的逐時(shí)氣象條件與DOE-2的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)是完全相同的。那么對(duì)于相同的建筑、相同的遮陽措施、相同的氣象條件,卻得到差異較大的結(jié)論,惟一的解釋就是負(fù)荷模擬方法不同。但我們也應(yīng)看到,兩個(gè)軟件預(yù)測(cè)的相似之處,即遮陽系數(shù)可以非常有效地減小空調(diào)能耗,提高空調(diào)節(jié)能率。兩個(gè)軟件(方法)預(yù)測(cè)的遮陽系數(shù)對(duì)供暖、空調(diào)能耗的影響總體趨勢(shì)也是完全一致的。圖1實(shí)際上是兩個(gè)軟件(方法)對(duì)同一問題給出的不同答案,本文在此引用以便深入研究。由于遮陽措施幾乎只對(duì)太陽輻射起作用,因此,對(duì)于太陽輻射為0的所有時(shí)刻的能耗不應(yīng)受遮陽系數(shù)的變化影響;對(duì)于太陽輻射大于0的所有時(shí)刻,建筑能耗在很大程度上要受遮陽系數(shù)的直接影響。為此,我們把空調(diào)和供暖負(fù)荷大于0的所有時(shí)刻,分為太陽輻射為0和大于0兩大類情況,深入分析研究當(dāng)遮陽系數(shù)減小時(shí)逐時(shí)能耗的相對(duì)變化率(節(jié)能率)。2維運(yùn)行結(jié)果圖2a為960m2模型建筑全年供暖能耗隨遮陽系數(shù)的變化情況。圖中Basic為傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑在C=1時(shí)的全年供暖能耗,“1”表示改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)C=1的能耗。根據(jù)福州逐時(shí)負(fù)荷模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì),模型建筑全年有供暖負(fù)荷的時(shí)刻為2345h,其中有太陽輻射的時(shí)刻為387h,太陽輻射為0的時(shí)刻有1958h,它們的基礎(chǔ)供暖負(fù)荷(能耗)分別為4.249(I>0)和28.357(I=0)kWh/(m2·a)。可以看出在基礎(chǔ)供暖能耗中,太陽輻射為0的各時(shí)刻的總能耗占80%以上,而有太陽輻射各時(shí)刻的總能耗所占全部總供暖能耗的比例很小;對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,太陽輻射為0的各時(shí)刻的總能耗下降較多,而有太陽輻射(I>0)各時(shí)刻總能耗也有下降。隨著遮陽系數(shù)的減小,太陽輻射為0的所有時(shí)刻的供暖能耗,不隨遮陽系數(shù)C變化而保持恒定;但有太陽輻射各時(shí)刻的供暖能耗卻隨遮陽系數(shù)C的減小而增加。圖中不同的遮陽系數(shù)下I=0與I>0兩分項(xiàng)能耗之和恰好等于總能耗。圖2b分別給出了在不同的遮陽系數(shù)下,I=0,I>0及總能耗相對(duì)于基礎(chǔ)能耗的變化率(節(jié)能率),該節(jié)能率實(shí)際上可以從圖2a中各項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算而來。從圖2b可以看出,I=0時(shí)各時(shí)刻的總節(jié)能率為常數(shù),而I>0時(shí)各時(shí)刻總節(jié)能率隨遮陽系數(shù)C的減小而迅速降低,甚至于變?yōu)樨?fù)值。但是,全年總的供暖節(jié)能率隨C的減小下降較為緩慢,因?yàn)榭偣?jié)能率是一個(gè)加權(quán)的節(jié)能率,有太陽輻射的各時(shí)刻的供暖能耗占總供暖能耗的比重較小,遮陽系數(shù)的減小對(duì)供暖節(jié)能率的影響較小,故DOE-2有關(guān)遮陽系數(shù)對(duì)供暖節(jié)能率的影響的預(yù)測(cè)是有問題的,只有當(dāng)太陽輻射大于0的各時(shí)刻的總能耗占全部總供暖能耗的比例較高時(shí),才有可能出現(xiàn)DOE-2預(yù)測(cè)的趨勢(shì)。圖2b實(shí)際上是對(duì)圖1b中供暖節(jié)能率的變化趨勢(shì)的論證。圖3a為960m2模型建筑全年空調(diào)能耗隨遮陽系數(shù)的變化情況。同樣,圖中Basic為傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)C=1時(shí)的全年空調(diào)基礎(chǔ)能耗,“1”表示改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)C=1的能耗。根據(jù)福州逐時(shí)負(fù)荷模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì),全年有空調(diào)負(fù)荷的總時(shí)刻為2159h,其中太陽輻射照度I=0的時(shí)間為778h,而I>0的時(shí)間為1381h。I=0的各時(shí)刻的能耗僅相當(dāng)于I>0的各時(shí)刻的空調(diào)能耗的5%,故遮陽系數(shù)的減小可以非常顯著地降低I>0各時(shí)刻的空調(diào)能耗,進(jìn)而顯著地降低全年空調(diào)總能耗。圖3b給出了總節(jié)能率、I=0時(shí)刻及I>0時(shí)刻的分類節(jié)能率隨遮陽系數(shù)的變化情況。從圖中可以看出,盡管I=0時(shí)刻的節(jié)能率較高,但是全年空調(diào)總節(jié)能率變化趨勢(shì)的決定性因素是I>0的節(jié)能率,全年空調(diào)總節(jié)能率總是接近于I>0的分類節(jié)能率。特征溫度法對(duì)空調(diào)節(jié)能率隨遮陽系數(shù)的變化規(guī)律的模擬結(jié)果與DOE-2的模擬結(jié)果是基本一致的。該圖實(shí)際上是對(duì)圖1b中空調(diào)節(jié)能率的變化趨勢(shì)的論證。事實(shí)上,對(duì)于相同建筑采取相同的遮陽措施時(shí),空調(diào)(供暖)能耗變化率在不同氣象條件下是基本相近的,詳細(xì)的研究可參見文獻(xiàn)。3能率逐時(shí)解析的意義建筑節(jié)能是一個(gè)綜合的、宏觀的概念,宏觀是由若干“微觀”時(shí)刻構(gòu)成的。由于影響因素相當(dāng)復(fù)雜,一年中每一個(gè)時(shí)刻絕不是一成不變的。因此對(duì)各時(shí)刻的能耗和節(jié)能率的逐時(shí)解析是有實(shí)際意義且必要的。當(dāng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)或遮陽系數(shù)變化時(shí),對(duì)建筑逐時(shí)節(jié)能率的深入研究有利于更加深刻地認(rèn)識(shí)建筑節(jié)能的本質(zhì)。同樣,我們把建筑能耗大于0的所有時(shí)刻,分為空調(diào)負(fù)荷和供暖負(fù)荷,每種負(fù)荷又分為太陽輻射為0和大于0兩大類情況,深入分析研究當(dāng)遮陽系數(shù)減小時(shí)逐時(shí)能耗的相對(duì)變化規(guī)律(節(jié)能率)。3.1太陽輻射對(duì)傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能率的影響最圖4為太陽輻射為0的1958個(gè)時(shí)刻,改進(jìn)后的建筑相對(duì)于傳統(tǒng)建筑的供暖節(jié)能率隨各時(shí)刻建筑基礎(chǔ)供暖負(fù)荷(傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu),C=1,下同)的變化規(guī)律。從圖4可以看出,I=0時(shí)各時(shí)刻的供暖節(jié)能率是有所不同的,但大部分時(shí)刻都集中在17%～18%左右;供暖負(fù)荷較小的時(shí)刻,雖然節(jié)能率略高,但是它對(duì)總節(jié)能率貢獻(xiàn)并不大(權(quán)重小)。該圖實(shí)際上也是C為任意值時(shí)I=0的逐時(shí)節(jié)能率變化圖。該圖實(shí)際上是對(duì)圖2b中I=0時(shí)節(jié)能率的解析,I=0時(shí)的節(jié)能率為常數(shù)(17.492%),它是圖4中各時(shí)刻節(jié)能率的加權(quán)平均。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),圖中數(shù)據(jù)分散主要是因?yàn)槭彝怙L(fēng)速不同所致。圖5是當(dāng)太陽輻射I>0、遮陽系數(shù)C=1時(shí),改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑387個(gè)時(shí)刻的供暖節(jié)能率隨對(duì)應(yīng)時(shí)刻建筑基礎(chǔ)供暖負(fù)荷的變化規(guī)律,圖中橫坐標(biāo)表示所有對(duì)應(yīng)時(shí)刻的建筑基礎(chǔ)供暖負(fù)荷。從圖中可以看出,由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、保溫性能的提高,同時(shí)又有太陽輻射存在,建筑供暖負(fù)荷較小的某些時(shí)刻,建筑改進(jìn)后進(jìn)入室內(nèi)的太陽得熱更不易傳出室外,能耗降低甚至到無需供暖(為0),故當(dāng)供暖負(fù)荷較低時(shí),節(jié)能率越高(可能達(dá)100%),而負(fù)荷較大時(shí),往往是室外空氣溫度較低,而太陽輻射又較弱的時(shí)刻,故負(fù)荷較大時(shí)節(jié)能率趨近于某個(gè)定值(I=0時(shí)的節(jié)能率)。圖中所有時(shí)刻的加權(quán)節(jié)能率相當(dāng)于圖2b中I>0,C=1時(shí)的節(jié)能率(29.22%)。圖6是當(dāng)太陽輻射照度I>0,C=0.65時(shí)的387個(gè)時(shí)刻的供暖節(jié)能率隨對(duì)應(yīng)時(shí)刻建筑基礎(chǔ)供暖負(fù)荷的變化規(guī)律。比較的基準(zhǔn)是傳統(tǒng)建筑C=1。從圖中可以看出,由于對(duì)太陽輻射的遮擋,肯定會(huì)使該時(shí)刻的建筑供暖負(fù)荷增大,節(jié)能率甚至可能為負(fù);對(duì)于建筑供暖負(fù)荷較小的時(shí)刻,要么室外空氣溫度較高(接近于18℃),要么太陽輻射較強(qiáng),因此遮陽系數(shù)的減小對(duì)這些時(shí)刻的影響較為明顯,而供暖負(fù)荷較大時(shí)趨于I=0時(shí)的節(jié)能率。圖中所有時(shí)刻的加權(quán)節(jié)能率相當(dāng)于圖2b中I>0,C=0.65時(shí)的節(jié)能率(12.536%)。圖7是太陽輻射I>0,C=0.35時(shí)的387個(gè)時(shí)刻的供暖節(jié)能率隨供暖負(fù)荷的變化規(guī)律。圖中所有時(shí)刻的加權(quán)節(jié)能率相當(dāng)于圖2b中I>0,C=0.35時(shí)的節(jié)能率(-2.61%)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著C的進(jìn)一步降低,節(jié)能率負(fù)得越大,數(shù)據(jù)點(diǎn)整體有下降變稀的趨勢(shì)。3.2空調(diào)負(fù)荷的日變化對(duì)空調(diào)節(jié)能率的影響圖8為當(dāng)太陽輻射為0時(shí)改進(jìn)前后建筑778個(gè)時(shí)刻空調(diào)節(jié)能率隨對(duì)應(yīng)時(shí)刻建筑基礎(chǔ)空調(diào)負(fù)荷(傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu),C=1,下同)的變化規(guī)律。從圖中可以看出,I=0時(shí)各時(shí)刻的空調(diào)節(jié)能率也是有所不同的,但大部分時(shí)刻集中在21%左右,建筑空調(diào)負(fù)荷較小的時(shí)刻,空調(diào)節(jié)能率偏高;建筑空調(diào)負(fù)荷越大,空調(diào)節(jié)能率變化越小。不管C如何變化,I=0的各時(shí)刻不受其影響。該圖實(shí)際上是對(duì)圖3b中I=0時(shí)空調(diào)節(jié)能率的解析,I=0時(shí)的空調(diào)節(jié)能率為常數(shù),它是圖8中各時(shí)刻空調(diào)節(jié)能率的加權(quán)平均,圖中數(shù)據(jù)分散主要是因?yàn)槭彝怙L(fēng)速不同所致。圖9是當(dāng)太陽輻射照度I>0、遮陽系數(shù)C=1時(shí),改進(jìn)熱工性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)建筑的1381個(gè)時(shí)刻的空調(diào)節(jié)能率隨對(duì)應(yīng)時(shí)刻建筑基礎(chǔ)空調(diào)負(fù)荷的變化規(guī)律。從圖中可以看出,空調(diào)負(fù)荷越小,空調(diào)節(jié)能率越高;負(fù)荷越大,節(jié)能率越低,甚至有一部分時(shí)刻節(jié)能率為負(fù)值。這是因?yàn)榭照{(diào)負(fù)荷較小時(shí)一般室外氣溫較低(接近26℃)或太陽輻射較弱;而負(fù)荷較大時(shí),室外氣溫較高且太陽輻射很強(qiáng),改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)反而使太陽輻射得熱更難傳出室外,因此空調(diào)負(fù)荷增加。圖中所有時(shí)刻的加權(quán)節(jié)能率相當(dāng)于圖3b中I>0,C=1時(shí)的節(jié)能率(0.17%)。圖10和圖11分別是C=0.65和C=0.35時(shí)空調(diào)節(jié)能率隨空調(diào)負(fù)荷的變化。圖中所有時(shí)刻的加權(quán)節(jié)能率分別相當(dāng)于圖3b中I>0,C=0.65時(shí)的空調(diào)節(jié)能率(24.9%)和C=0.35時(shí)的空調(diào)節(jié)能率(46.098%)。可以看出,隨著遮陽系數(shù)的降低,中、高負(fù)荷時(shí)的節(jié)能率顯著升高,故整體節(jié)能率大大提高。本文從某種角度揭示了DOE-2軟件本身可能存在的一些問題,更詳盡的研究可參見文獻(xiàn)。由于我國(guó)制定的《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定采用DOE-2軟件作為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的節(jié)能綜合性能指標(biāo)的計(jì)算工具,在工程實(shí)踐中,筆者通過大量研究發(fā)現(xiàn),成都、上?？梢钥桃庾屇稠?xiàng)規(guī)定性指標(biāo)不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,適當(dāng)甚至根本不執(zhí)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)定性指標(biāo),用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的綜合能耗計(jì)算方法,就可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,從而通過節(jié)能審查驗(yàn)收。有的文獻(xiàn)也已有報(bào)道。顯然這樣少量或不作改進(jìn)的建筑不可能實(shí)現(xiàn)50%的節(jié)能目標(biāo),但卻是合法的節(jié)能建筑,從而使這些地區(qū)的開發(fā)商“受益”。而另一些地區(qū),如長(zhǎng)沙、武漢等地,若用綜合能耗指標(biāo)法,要達(dá)到規(guī)定的能耗指標(biāo),卻要付出比正常情況更高的代價(jià)(更小的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)),顯然,這樣的建筑已超過或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過50%的節(jié)能總體目標(biāo),從而使這些地區(qū)的開發(fā)商不知不覺地“蒙冤”,這將有損標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威性及公正性。上述問題在很大程度上制約了建筑節(jié)能工作的推進(jìn)效果,產(chǎn)生這類問題的原因是否與本文所探討的問題有關(guān),目前難下定論。由于問題的復(fù)雜性及實(shí)驗(yàn)證實(shí)的困難性,目前仍然有許多問題還有待于深入探討。4調(diào)節(jié)建筑能耗的其他因素4.1全年空調(diào)供暖能耗可以分為太陽輻射為0各時(shí)刻能耗和太陽輻射大于0各時(shí)刻的能耗,把它們從總能耗中解析出來,有利于更加深刻認(rèn)識(shí)遮陽系數(shù)對(duì)全年空調(diào)供暖能耗及節(jié)能率的影響