居住节能建筑热负荷数值分析

郭敏，胡松涛，闫致江，谢晓娜，*

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.山东省地矿工程集团有限公司，山东济南250200）

0 引言

随着国家建筑节能设计65%标准的推广实施［1－2］，尤其是近几年的建筑节能设计75%标准的启动［3］，不同省份相继推出了各自适用的节能75%的设计规范。DB 37／5026—2014《居住建筑节能设计标准》［4］对围护结构热工性能要求已经达到了德国节能规范EnEV2002水平［5］。建筑围护结构的热工性能对建筑冷热耗量有很大的影响，提高这一性能标准意味着更小、更精细的热负荷［6］。

尽管在1990年就有人在设计时计算逐时热负荷［7］，但主要针对公共建筑，对于居住建筑涉及不多。然而随着围护结构的改善，即便是居住建筑也可以计算逐时热负荷［8］。对于无法采用集中供热的村镇建筑来说，计算逐时热负荷可以更有效地节约能源与成本。对于冬季热负荷的计算，稳态热负荷可以用来选取设备［9］，但难以满足建筑负荷动态分析的要求。因此，建筑动态负荷计算软件得到了越来越广泛的应用，在亚洲比较有代表性的是中国清华大学的DEST［10］。随着经济的发展，我国的村镇出现了许多类似于两层小楼的小别墅。遵从国家节能减排的方针，在设计此类建筑时需进行逐时负荷计算。通过比对，DEST与其他动态负荷计算软件的结果差异较小、有全面的设备模型且符合中国国情［11］。因此，通过引入DEST，从民用村镇小型居住建筑出发，对节能75%的建筑逐时热负荷进行计算，对稳态算法热负荷计算进行分析，从而得出影响冬季居住建筑负荷的主要因素，为此类村镇民用建筑的后续采暖设计提供参考依据。

1 建筑模型与参数确定

1.1 建筑模型概述

济南村镇的小型别墅为南北朝向，建筑面积为242 m2，采暖面积为183 m2，层高为 3 m，共两层，无地下室，别墅屋顶采用平屋顶。利用别墅的建筑体积除以其表面积得到此建筑的体形系数为0.54。

1.2 DEST软件的参数确定

按照DB 37／5026—2014，对别墅建筑选取适当的围护结构，其围护结构参数见表1。

表1 建筑围护结构参数

对于节能75%的居住建筑来说，由于DB 37／5026—2014对不同朝向的外窗无论是窗墙比还是传热系数的要求都不同，且要求东西外窗的遮阳系数SC值≤0.45。因此，在6 mm厚钢化玻璃＋6 mm厚Low－E玻璃＋14 mm厚空气层玻璃型号中选取东、西、北外窗参数，同时选取真空镀膜复合中空玻璃作为南外窗。利用DEST建立的别墅三维模型图如图1所示。

图1 模型DEST三维图

由于此别墅建筑的体形系数为0.54，大于规范的限值0.52，因此，根据规范要求，需要通过计算对建筑物的耗热量进行验证。

建筑物耗热量指标是由单位建筑面积上单位时间内通过建筑物围护结构的传热量、单位时间内建筑物空气换气耗热量和单位建筑面积上建筑物内部得热量3部分组成。对于济南地区，按照规范要求，室外计算平均温度为1.8℃时，建筑物耗热量指标为12.8W／m2。对于室内热扰，DB 37／5026—2014中取值为3.8W／m2，并没有对温度进行要求。由此可知，在不考虑室内热扰的条件下，建筑物的单位面积耗热量约为16.6 W／m2。由于逐时负荷计算软件与稳态负荷计算软件之间存在较大差异，因此先利用天正暖通对建筑稳态热负荷进行计算。

通过计算可知，在采用上述围护结构的条件下，利用天正暖通按照稳态热负荷计算方法计算的建筑物耗热量指标比不考虑室内热扰的条件下建筑物的单位面积耗热量（16.6 W／m2）高出约6W／m2。由此可知，体形系数对建筑物的能耗也有不小的影响，即便是围护结构的选材能够满足规范要求，如果体形系数不达标，建筑物依旧无法达到节能标准。按照规范要求，当体形系数无法满足≤0.52时，应当适当调整建筑的窗墙比以及围护结构的保温层厚度。因此，选用的建筑在此围护结构的条件下无法达到节能建筑的标准，需要进行调整。建筑窗墙比修改结果见表2。

经计算，修改后的建筑单位面积耗热量指标恰好为16.6 W／m2，满足规范要求。将围护结构参数设置到DEST中。

在DEST中，对窗户设置浅色窗帘，窗帘的启闭时间段设置如图2所示。将采暖房间室内温度设置为恒定18℃（即设置为连续采暖）。不同的作息模式，对于建筑能耗模拟的影响很大［12］，对于室内人员、灯光、设备等的作息，采用DEST的默认值，分别对平时和周末进行设置，其中卫生间内不设置设备（如图3～5所示）。将上述参数设置完成后对建筑逐时热负荷进行模拟计算。

表2 建筑围护窗墙比

图2 窗帘启闭时段图

图3 厨房设备、灯光开启率及人员在室率曲线图

2 模拟结果与分析

2.1 建筑耗热量分析

在开始建筑逐时热负荷模拟计算前，先将室内热扰值设置为0。在室内热扰值为0的条件下，DEST计算的建筑物单位面积耗热量为12.9W／m2，相对于不考虑室内热扰的建筑物的稳态单位面积耗热量为 16.6 W／m2，减少了 3.7 W／m2，约为稳态单位面积耗热量的22%。在输出DEST中，DEST在采暖季的日平均温度为3.19℃，与设定室内温度18℃的温差为14.81℃，而规范中采暖季的日平均温度为1.8℃，与18℃的室内温度相差16.2℃。显然，规范中的室内温度比采暖季日平均温度的温差要高。通过分析可知，规范中所采用的采暖天数为92 d，而DEST所取采暖期为从11月15号至次年的3月15号，共计120 d。因此DEST的计算温差是规范值的91%。将DEST的建筑单位耗热量除以91%，即DEST中采暖季热负荷指标为14.1W／m2，其值小于16.6W／m2，符合 DB 37／5026—2014要求。

图4 起居室设备、灯光开启率及人员在室率曲线图

图5 卧室设备、灯光开启率及人员在室率曲线图

设置DEST的室内发热量为3.7 W／m2，对建筑逐时热负荷进行模拟。在无热扰的条件下，建筑单位面积的耗热量指标为14.1 W／m2；在室内热扰为3.7 W／m2的条件下，建筑单位面积的耗热量为10.4W／m2。由此可知，室内热扰设置恰好满足规范要求，模拟的建筑单位面积耗热量，尽管与传统算法的值可能因为程序内部问题有所不同，但都合乎规范要求。因此，可以对其进行正常模拟计算。

2.2 日平均温度对应负荷分析

在稳态热负荷计算中，所取的采暖室外计算温度为历年平均不保证5 d的日平均温度［2］。而在逐时负荷模拟中，采暖季内每一时刻的室外温度需要计算出来。因此，需要对逐时负荷进行处理才能得到所需日平均温度以及对应的负荷。

对于日平均温度t′w，即24 h温度的平均值，由式（1）表示为

根据式（1）～（3）对所得负荷值进行处理，以模拟的节能75%的建筑负荷为例，按照不保证5 d的日平均温度的计算方法，将温度最低的5 d的日平均温度及其对应负荷去掉，剩下的温度最低的1 d为2月11日，室外温度为－4.45℃，模型热负荷为2.71 kW，即不同节能状态对应的稳态热负荷值。

在冬季，由于室外温度的波动，热负荷实际是动态变化的。在采暖期间，供热设备如果一直按照峰

式中：ti为24 h内不同时刻的温度，℃。

而在负荷计算中，热负荷Q由式（2）表示为

式中：tn为室内温度，℃；K为围护结构的传热系数，W／m2；F为围护结构的面积，m2。

对于室外日平均温度与室内温度的温差，可以看作是24个逐时温度分别与室内温度的温差的平均值，由式（3）表示为值负荷来运行，会造成严重的资源浪费，及室内热环境的不舒适［13］。因此，在进行热负荷模拟计算时，设计人员要考虑不同室外温度值的占比下所对应的负荷值。在采暖季中，每阶段室外日平均温度最大值对应的负荷情况，见表4。

表4 每阶段室外日平均温度最大值对应负荷

由表4可知，室外温度与室内热负荷的变化情况并不相同，与室外温度最低值所对应的稳态热负荷相比，室外温度逐渐升高，而负荷值有的升高，有的反而降低。因此可以肯定的是，不仅仅是温度，还有其他因素影响室内热负荷。在此情况下，将每日的太阳辐射之和进行统计，提取对应日期的太阳负荷值进行分析，见表5。

表5 每阶段室外日平均温度最大值对应太阳辐射

结合表4、5可以看出，太阳辐射对于负荷影响很大，太阳辐射越强，冬季采暖时的热负荷越小。因此，不能通过单纯的分析室外温度得出模拟运行时的负荷情况。但是，由于采暖房间设置的计算温度为18℃，因此无法从室内温度波动来进行分析，只能从日平均负荷入手。在实际工程中，往往用所求稳态负荷值的百分比值作为采暖季不同阶段调控采暖系统的主要依据，即以稳态热负荷为基准，分别乘以不同的系数作为采暖期不同阶段的热负荷值，不同比例的稳态热负荷所占天数及比例见表6。

表6 不同比例的稳态热负荷所占天数及比例

由表6可知，采用不保证5 d的方法，去掉5个最不利温度的负荷值后，稳态负荷值在整个采暖季的负荷值占比与其所包括的采暖天数的占比并不相符，如果按照此值进行计算并选取采暖系统，那么实际运行中将有大约20 d无法满足实际采暖需求，这种情况下尽管省钱，但如果室内温度达不到要求，势必会造成热用户的不满。因此，这种以稳态热负荷值的百分比来分析采暖期热负荷变化所占天数并不是特别合理，应当采用一种新的方式来分析。为此，将整个采暖季逐时负荷按照日平均负荷进行统计，按照大小进行排序并从中选取不同占比的负荷值以及小于此负荷值的天数，见表7。

表7 逐时热负荷占比及天数

由表7可知，由于统计的是采暖期每天的热负荷值，因此负荷值占比与天数的比例可以一一对应；实际的采暖季不同百分比的逐时热负荷值要比同比例的稳态负荷值要大20%～30%。因此，尽管稳态热负荷在设备选择上具有指导作用，但在后期的设备运行方面，逐时热负荷更具参考价值。随着节能的不断推广，应当在关注经济效益的同时，注意用户的使用感受。想要实现节能以及好的用户体验，除了改善必要的围护结构建筑材料保温特性外，应当逐渐细化负荷等的计算。与此同时，应当加强对热用户的室内温度的监测，通过反馈过来的温度数值，及时对热源处进行调整，降低供水温度，从而降低能耗。

2.3 不同算法能耗分析

在山东地区，取采暖季为120 d，由计算结果可知，以传统稳态算法得到的负荷是2.71 kW，则一个采暖季对应的能耗为28 GJ；而对逐时负荷进行分析，将采暖季的逐时负荷叠加起来，得到的能耗为22 GJ。两种负荷所得能耗相差6 GJ，即对于同样的建筑来说，逐时负荷所得能耗比稳态负荷所得能耗节能20%。将所节约的能耗进行换算可知，6 GJ的能耗相当于0.2 tce，按照当前标煤价格546元／tce来考虑，对于所选取的小别墅来说，一个采暖季可以节约112元。由于小别墅的建筑面积仅为242 m2，因此从节约的成本的角度来看并不可观。但类比于大型的公用建筑或高层住宅建筑而言，节能20%所节约的成本绝不止112元。以2012年山东省城镇住宅采暖能耗的数据为例［14］，山东省城镇住宅采暖能耗为 3784万 tce，节能 20%意味着节省了756.8万tce，共计约41.32亿元。尽管在工程中无法做到所有的建筑都进行逐时热负荷计算，但对于需要进行设备运行调控的建筑来说，采用计算逐时热负荷无疑会有效减少能耗。

2.4 异常负荷分析

在传热过程中，由于围护结构的存在，导致热量的传递存在衰减和延迟［15］。但是因为热负荷是由围护结构的传热系数、面积以及室内外温差决定，所以在围护结构的传热系数和面积不变的情况下，热负荷的变化主要与温差有关。因此，在设定室内温度为18℃的前提下，室外温度变化应当与热负荷变化同步。但对算出的逐时热负荷进行数据分析时，室外温度与热负荷同步变化的理论无法合理解释负荷的变化，进而无法仅根据温度变化进行能耗调控。在诸多室外温度与热负荷变化不同步的日子中，以1月2日的逐时负荷变化最具代表性。1月2日的逐时热负荷及室外干球温度变化如图6所示。

图6 典型日热负荷与室外干球温度变化曲线图

由图6可以看出，0～2点之间，室外温度回升，热负荷尽管有下降趋势，但坡度极缓，几乎看不出变化；7～8点之间，室外温度几乎未变，而室内热负荷出现了大范围的骤减；8～9点之间，随着温度的逐渐上升，热负荷也有所上升，而在9～10点，热负荷的变化却停滞了；15点时，室外温度达到了最大值，但热负荷的极值却是出现在了13点，13点以后热负荷逐渐上升；15点值后，室外温度逐渐下降，但在18～19点之间，热负荷甚至出现了小范围的下降。

由于在日平均温度对应的负荷值进行分析时，出现过太阳辐射的干扰。因此，对太阳辐射和逐时热负荷进行分析如图7所示。

图7 典型日热负荷、室外干球温度及太阳辐射变化曲线图

结合图6、7分析可知：

7～8点之间出现的热负荷异常情况是由于7点时出现太阳辐射，其值对于热负荷的影响远大于室外温度对热负荷的影响，太阳辐射变化的同时，热负荷在同步减小，且两者变化幅度很接近。

8～9点之间出现的热负荷异常情况是由于8点时太阳辐射开始降低，直到9点时太阳辐射下降停止，在这期间虽然室外温度上升趋势高于太阳辐射的下降趋势，但对热负荷影响更大的却是太阳辐射，而9点后，由于室外温度的升高，太阳辐射也逐渐升高，二者的同时升高导致室内热负荷的涨势停止，9～10点之间，热负荷几乎无变化。

15点出现的热负荷异常情况是由于8～15点室外温度虽然在逐渐上升，但在12～13点之间，太阳辐射突增，这种变化造成了热负荷的大幅降低，而在13～15点之间之后，太阳辐射大幅度降低，在此期间室外温度在升高，但对于热负荷的影响程度不如太阳辐射强，因此热负荷逐渐回升，但涨幅很缓，变化不大。15点后，气温降低，太阳辐射也降低，热负荷也随之继续升高。

结合7～8点、8～9点和15点出现的热负荷异常情况来看，太阳辐射作用在围护结构表面，而后通过空气与固体表面的对流作用和吸收固体表面的长波辐射使得室内温度升高［16］，太阳辐射对热负荷的影响程度大于室外温度。然而在0～2点和18～19点之间已无太阳辐射，因此对于0～2点和15点后出现的热负荷异常情况需要从其他角度分析热负荷的异常。结合开始时交代的作息情况，由于典型日选取的是1月2日，在日期设定中属于上班日，因此对于15点后出现的热负荷异常情况可以解释为：在18点时，由于人们下班回家，室内热扰增多，因此热负荷在18～17点之间有了些许的降低，但19点后由于室外温度逐渐降低，因此热负荷并未继续降低，而是缓慢上升。

而对于0～2点之间出现的热负荷异常情况是由于在0～2点之间，室内热扰已经很小，模拟中人们已入睡，灯也已熄灭，因此可以不考虑室内热扰对热负荷的影响。然而在夜晚，除了室外温度，还有天空的长波辐射对建筑表面热负荷的影响。在白天计算热负荷时，由于太阳辐射的强度远远大于长波辐射的强度，所以忽略长波辐射的作用是可以接受的。而夜间没有太阳辐射的作用，天空的背景温度远远低于室外空气温度，因此建筑物向天空的辐射放热量是不可忽略的，尤其此建筑为二层小楼，屋顶对于顶层房间的室内热环境影响较大，考虑夜间长波辐射房间的热负荷比不考虑时多20%［17］。而且，由于模拟所选建筑模型的体形系数为0.54，其围护结构在夜间向天空辐射的热量的程度要更大。因此，室外温度虽然上升，但建筑的热负荷并未减小，反而在缓慢的上升。所以，不仅仅温度可以影响建筑热负荷，辐射同样对建筑热负荷有不小的影响，在能耗分析和实际运行时，如果只是根据室外的干球温度和稳态热负荷来调控，这样的实际效果可能并不会令人满意。

3 结论

通过上述研究可知：

（1）实际采暖季中，不同百分比的负荷值要比同比例的稳态热负荷值高20%～30%。因此在工程中，将稳态热负荷的不同百分比值直接作为采暖季相应百分比天数的热负荷值是笼统的尽管稳态热负荷在设备选择上具有指导作用，但在后期的设备运行方面，逐时热负荷更具参考价值。

（2）采用建筑逐时热负荷后，采暖季的建筑总能耗比传统稳态的能耗减少了20%。因此普及建筑逐时热负荷可以有效的减少成本。

（3）在实际工程中，不仅室外温度对建筑热负荷有影响，太阳辐射和长波辐射对建筑负荷的影响亦不可忽视，应当加强对室内温度的实时监测与控制，及时的对热源供回水温度以及用户侧的阀门开度等进行调控，将逐时控制理论应用于模拟计算与调控设备运行中。

［1］JGJ 26—2010，严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［2］JGJ 134—2010，夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［3］GB 50736—2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［4］DB 37／5026—2014，居住建筑节能设计标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2015.

［5］王昭，李震，时敬磊，等.山东省居住建筑节能75%设计标准和德国建筑节能标准对比分析［J］.建筑节能，2016，44（9）：98－100.

［6］徐小强，冀兆良.广州地区建筑围护结构能耗分析［J］.节能，2006，25（11）：41－43.

［7］赵志安，单寄平.办公楼类型建筑物间歇空调设计负荷的简化计算法［J］.建筑技术通讯（暖通空调），1990（2）：3－8.

［8］陈玲，董重成.间歇供暖负荷计算方法研究［J］.暖通空调，2012，42（7）：42－48.

［9］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1993.

［10］朱丹丹，燕达，王闯，等.建筑能耗模拟软件对比：DeST，EnergyPlus and DOE－2［J］.建筑科学，2012，28（S2）：213－222.

［11］周欣，燕达，洪天真，等.建筑能耗模拟软件空调系统模拟对比研究［J］.暖通空调，2014，44（4）：113－122，131.

［12］耿阳，林波荣，彭渤.作息模式对建筑能耗模拟的影响分析［J］.建筑技术开发，2016，43（4）：78－84.

［13］文成功，文译.关于分布式热水供暖系统选泵和调控问题的探讨［J］.暖通空调，2014，44（11）：48－52.

［14］孙红艳.基于能源统计的山东省城镇住宅建筑能耗的研究［D］.重庆：重庆大学，2015.

［15］刘艳峰，刘加平，张继良.传统夯土民居冬季热稳定性研究［J］.四川建筑科学研究，2008，34（6）：204－206.

［16］肖勇全，王菲.太阳辐射下建筑围护结构的动态热平衡模型及实例分析［J］.太阳能学报，2006，27（3）：270－273.

［17］蒋建平，刘加平，李安桂.屋顶夜间辐射对顶层房间热负荷的影响［J］.西安科技大学学报，2009，29（4）：445－448.