王 磊,馮 雅,曹友傳,余南陽
(1.西南交通大學(xué) 機械學(xué)院;2.中國建筑西南設(shè)計研究院;成都610031;3.西藏軍區(qū)后勤部基建營房處,拉薩850000)
西藏地區(qū)氣候寒冷、太陽輻射照度高,并且常規(guī)能源匱乏,當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱。在西藏地區(qū)大力推廣太陽能采暖系統(tǒng)有非常重要的現(xiàn)實與戰(zhàn)略意義。筆者自2006一直從事太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化與施工研究。根據(jù)現(xiàn)場實踐,筆者最大感受是業(yè)主愿意投資大量資金建設(shè)太陽能主動采暖系統(tǒng),如安裝大面積太陽能集熱板,但不愿對提高建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行投資,這就造成了建筑基準(zhǔn)能耗過高,在同樣太陽能保證率情況下(例如65%保證率),主動式系統(tǒng)投資過大,系統(tǒng)運行能耗過高。本文以某一典型的實際工程為例,利用建筑動態(tài)能耗模擬軟件(EnergyPlus與TRNSYS)對建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能對主動式太陽能采暖系統(tǒng)及系統(tǒng)能耗的影響進(jìn)行定量分析,從全壽命周期出發(fā)確定最優(yōu)建筑熱工保溫與主動式采暖系統(tǒng)配置。該新建建筑為西藏地區(qū)典型四層條式住宅建筑,建筑總面積為1 840m2,其中采暖面積為1 230m2,非采暖面積為610m2。建筑外墻面積1 150m2,外窗面積422m2,屋頂面積457m2,體型系數(shù)為0.37。對該典型建筑進(jìn)行研究,其結(jié)果具有一定的普遍參考意義。
新建建筑為4層條式住宅建筑,總面積為1 840m2,各層房間布局與結(jié)構(gòu)完全一樣。建筑為磚混結(jié)構(gòu),外墻為240mm厚實心砼磚塊,內(nèi)墻為200mm厚實心砼磚塊;屋頂為200mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土,20mm厚水泥保護層,60mm厚爐渣找坡,4mm厚SBS防水卷材,20mm厚水泥砂漿;地面貼磚,衛(wèi)生間吊頂鋁合金;外窗為塑鋼單層玻璃;外飾面為彈性涂料。圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)層平面圖。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖
目前建筑動態(tài)能耗模擬軟件可以分兩大類[3]:
1)建筑能耗模擬軟件—此類軟件主要用于建筑和系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析,以EnergyPlus、DOE-2、DesT和ESP-r等為代表。這類軟件的主要模擬目標(biāo)是建筑和系統(tǒng)的長周期的動態(tài)熱特性(往往以小時為時間步長),采用的是完備的房間模型和較簡單的系統(tǒng)模型及簡化的或理想化的控制模型,適于模擬分析建筑物圍護結(jié)構(gòu)的動態(tài)熱特性及模擬建筑物的全年運行能耗。
2)空調(diào)采暖系統(tǒng)仿真軟件—此類軟件主要用于空調(diào)系統(tǒng)部件的控制過程的仿真,以TRNSYS、SPARK和HVACSIM+等為代表。這類軟件的主要模擬目標(biāo)是各種模塊搭成的系統(tǒng)的動態(tài)特性及其在各種控制方式下的響應(yīng)。它們采用的是簡單的房間模型和復(fù)雜的系統(tǒng)模型,可以根據(jù)需要由使用者靈活地組合系統(tǒng)形式和控制方法,適用于系統(tǒng)的高頻(如以幾s為時間步長)動態(tài)特性及過程的仿真分析。
為了研究建筑圍護結(jié)構(gòu)動態(tài)熱特性對主動式太陽能采暖系統(tǒng)的配置優(yōu)化的影響,需同時采用上述兩類軟件,對建筑能耗與主動式太陽能采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算。因此分別采用了EnergyPlus與TRNSYS對建筑能耗與主動式太陽能采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算,其計算模型示意圖見圖2與圖3所示。EnergyPlus模型計算所得出的建筑動態(tài)負(fù)荷,輸入TRNSYS動態(tài)模型中進(jìn)行主動式太陽能采暖系統(tǒng)模擬計算。
圖2 建筑能耗計算模型
1)圍護結(jié)構(gòu)(外墻、屋頂、內(nèi)墻、外窗)熱工性能參數(shù)見表1~表3所示。
2)建筑換氣次數(shù)選取1次/h
3)假設(shè)內(nèi)熱源為0W/m2。
4)房間采暖溫度取18℃
5)太陽能集熱器選取平板式太陽能集熱器,其集熱效率選取 ASHRAE Handbook[5]的典型平板式集熱器效率曲線 ,并選取0.8修正系數(shù),以考慮現(xiàn)場因素對集熱效率影響。
6)室外氣象數(shù)據(jù)選用拉薩市典型氣象年[4]
表1 現(xiàn)有基準(zhǔn)建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工模型
圖3 主動式太陽能采暖系統(tǒng)模型
表2 建筑物屋頂結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)表
表3 建筑物內(nèi)墻結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)表
表4 建筑物外窗結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)表
1)外窗由單玻改為雙玻,初投資增加200元/m2。
2)屋頂保溫采用XPS保溫,外墻采用EPS外墻外保溫,初投資增加與保溫厚度關(guān)系如圖4所示。
3)采暖散熱器(銅鋁復(fù)合)取700元/kW。
4)電鍋爐造價取180元/kW。
5)太陽能集熱板造價取600元/m2。
6)蓄熱水箱造價取2 300元/m3。
7)能源單價0.65元/kWh。
圖4 屋頂與外墻保溫成本與厚度關(guān)系圖
本文首先對基準(zhǔn)建筑的設(shè)計負(fù)荷、全年動態(tài)能耗進(jìn)行計算,并分析了在基準(zhǔn)建筑熱工性能條件下,太陽能集熱板面積對系統(tǒng)的太陽能保證率與能耗的影響。其計算結(jié)果分別見表5與圖5。
表5 基準(zhǔn)建筑采暖負(fù)荷與能耗結(jié)果
圖5 太陽能保證率、能耗與集熱板面積關(guān)系圖
當(dāng)太陽能主動式采暖系統(tǒng)選取保證率為65%時,對應(yīng)的太陽能集熱板面積為420m2,即每平米太陽能板可以服務(wù)3.46m2采暖面積。集熱水箱的體積與系統(tǒng)保證率的關(guān)系如圖6所示。
圖6 太陽能保證率與蓄熱水箱關(guān)系圖
從圖6中可以看出,最優(yōu)蓄熱水箱體積為42m3即每平米集熱板對應(yīng)于100L蓄熱水。采用主動式太陽能采暖系統(tǒng)后,建筑全年的能耗為59 547 kWh,即41kWh/m2。
3.2.1 外窗采用中空玻璃(6+6+6) 當(dāng)外窗由單玻窗,改為雙玻窗(6+6+6),建筑的采暖負(fù)荷可降低6%,在滿足同樣太陽能保證率(65%)條件下,太陽能集熱板面積可減少4.4%,全年能耗減少4.3%。
3.2.2 增加屋頂保溫 屋頂保溫層厚度對建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積、全年能耗的敏感性分析見圖7所示。
圖7 屋頂保溫層XPS厚度敏感性分析
從圖7中可以看出,當(dāng)屋頂保溫層厚度大于60mm時,建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積以及全年能耗的進(jìn)一步減小的相對變化率低于1%。此時,建筑采暖負(fù)荷降低約12%,集熱板面積降低約16%,全年能耗降低約17%。
3.2.3 增加外墻保溫 外墻保溫層厚度對建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積、全年能耗的敏感性分析見圖8所示。
圖8 外墻EPS保溫厚度敏感性分析
從圖8中可以看出,當(dāng)外墻保溫厚度大于50mm時,建筑設(shè)計負(fù)荷、太陽能集熱板、全年能耗進(jìn)一步減少的相對變化率小于2%。此時建筑采暖負(fù)荷率降低了約23.1%,太陽能集熱板面積減少約27.7%,全年能耗減少約30.3%。
在上述敏感性分析的基礎(chǔ)上,本節(jié)分析建筑熱工保溫對太陽能采暖系統(tǒng)的初投資、運行費用及全壽命周期費用的影響,以確定最優(yōu)的建筑熱工保溫范圍。經(jīng)濟計算中,假設(shè)建筑保溫層與主動太陽能采暖設(shè)備系統(tǒng)的壽命為25a,不考慮能源價格升高與貨幣貶值率。
初投資同時考慮,建筑保溫提高所造成的投資增加,以及當(dāng)建筑保溫性能提高后,采暖末端、輔助熱源、集熱板面積、蓄熱水箱體積等減少所帶來的設(shè)備初投資降低。
外窗改為雙層玻璃,屋頂保溫、外墻保溫對建筑與太陽能采暖系統(tǒng)總投資節(jié)省、運行費用節(jié)省及全壽命周期費用節(jié)省的計算結(jié)果見表6,與圖9,圖10,所示。
表6 外窗計算結(jié)果
從表6中可以看出,當(dāng)外窗由單玻窗改為雙玻窗時,總初投資增加約19 600元(10.7元/m2),總運行費用節(jié)省41 625元(22.6元/m2),全壽命周期費用 可以節(jié)約21 980元(11.9元/m2)。
圖9 屋頂保溫經(jīng)濟性分析
由圖9可以看出,當(dāng)屋頂保溫厚度為60mm時,建筑初投資的節(jié)省值最高,約為46 657元(25.4元/m2)。當(dāng)屋頂保溫層厚度為100mm,全壽命周期節(jié)省值最高,約為219 025元(119元/m2),因此對于太陽能采暖建筑屋頂保溫層的最優(yōu)厚度為60~100mm,對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.42~0.27W/m2·K。
圖10 外墻保溫經(jīng)濟性分析
圖10 中可以看出,當(dāng)外墻保溫厚度為50mm時,初投資費用節(jié)省值最高,約為35 793元(19.5元/m2)。當(dāng)外墻保溫層厚度為70mm,全壽命周期費用節(jié)省值最高,約為344 183元(187.1元/m2),因此對于太陽能采暖建筑屋頂保溫層的最優(yōu)厚度為50~70mm,對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.60~0.46W/m2·K。
利用數(shù)值模擬方法對太陽能采暖建筑的熱工性能對主動式太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)與能耗的影響進(jìn)行分析。并從初投資與全壽命周期兩個方面,確定最佳的太陽能建筑熱工性能保溫要求,得出了以下結(jié)論:
1)當(dāng)外窗改為中空玻璃時,建筑的采暖負(fù)荷降低6%,太陽能集熱板面積可減少4.4%,全年能耗減少4.3%。每平米建筑面積對應(yīng)初投資增加約10.7元/m2,全壽命周期節(jié)省11.9元/m2。
2)當(dāng)屋頂XPS保溫層厚度大于60mm后,建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積以及全年能耗的相對減小率低于1%。初投資費用最低的屋頂XPS保溫層厚度為60mm,對應(yīng)傳熱系數(shù)0.42W/m2·K,全壽命周期費用最低的屋頂XPS保溫層厚度為100mm,對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.27W/m2·K。
3)當(dāng)外墻EPS保溫厚度大于50mm時,建筑設(shè)計負(fù)荷、太陽能集熱板、全年能耗的相對減少率低于2%。初投資費用最低的外墻EPS保溫層厚度為50mm,對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.60W/m2·K;全壽命周期費用最低的外墻EPS保溫層厚度為70mm,對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.46W/m2·K。
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