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典型节能住宅采暖期能耗计算分析

1 概述
  
  某住宅楼是座庙会适度低能耗的高级住宅建筑,其外围护结构经欧洲建筑物理学家进行优化设计,采用了多项节能措施,保温性能高于现行节能标准。为了掌握冬季采暖能耗和采暖期运行耗是量情况,我们对该住宅楼内的典型户型进行冬季采暖期能耗计算,并对风冷热泵配备电加热采暖方式的耗电量进行分析计算。
  
2 冬季建筑能耗计算方法
  
  建筑能耗模拟方法有许多种,其采用能耗计算方法应用较多的通常是:度日计算法和逐时计算法。
  度日计算法是将整个采暖期按度日值计算能耗,具有简单快速的特点,当建筑物用途及系统恒定时,用这种方法是合理
的。其基本公式为:

         Q = Kt*DD / η

  式中:Q----采暖期能耗
     Kt----总热损失系统;
     DD----度日值:
     Η----系统的效率
  逐时计算法是最复杂,也是最准确的一种能耗计算法,它是根据室外逐时的气象数据,室内设计参数,逐时计算出建筑的能耗。其代表软件有:美国政府的DOE2,美国军方的BLAST和室内环境温度和能耗模拟软件DEROB。DOE2是世界上功能最强大的建筑能耗模拟软件,其界面固定,对室外气象参数要求很高,用起来很费时间。我们采用室内环境温度和能耗模拟软件来计算锦绣大地公寓逐时的能耗情况。程序是通过建立R-G(热阻-热容)网络,并对网络中的节点建立方程组进行求解,从而模拟出瞬态的传热过程。
  采用该程序软件进行能耗计算,需要输入逐时的室外气象数据,这里采用北京地区标准年的逐时气象参数,它是根据北京地区过去三十年的气象数据,由科学统计方法所生成的。
  
3 北京气候特点和气象参数整理
  
  北京位于华北平原北端,属大陆性季节气候。冬季寒冷干燥,采明期长达4个多月。北京冬季昼夜温差大,最冷温度低,但是低温发生时间短,最低温度多发生在清晨。北京市计算用采暖期的天数为129天,自11月9日到第二年3月17日;采暖期室外平均温度:1-1.6℃;采暖期采暖室外计算(干球)温度(℃):-9℃。
  通过对北京气象温度进行频谱分析,可以了解北京市室外温度的分布情况,高低温发生时间及累计小时数。统计数据中11月9日至第二年3月17日的室外干球温度频谱图形见图1。
  
                        图1 温度-发生时间频谱曲线
  
  从图1温度-发生时间频谱曲线中可以看出,冬季采暖期室外温度大部分都在-10℃到7℃之间,其最低气温-17.2℃,最高气温16℃,平均值-1.6℃。
  气象数据来源是从北京市气象台购买的。标准年数据是科研人员根据气象台测得的30年的气象资料,科学地计算统计出的一套全年逐是的气象参数数据,用于提供给科学研设计人员作为计算依据。根据标准年的气象参数算得的建筑耗能量是科学
的,比较能符合实际情况的。
  
4 建筑类型和牲参数及中户型空调系统描述
  
  4.1 户型的选择及简介
  该节能住宅楼为高层住宅建筑,分为A、B、C三座,各座建筑外型和户型是不尽相同的。为了准确的掌握不同户型的冬季采暖期能耗和采暖运行耗电量情况,应选用典型的建筑类型进行计算。
  经过比较,选择面积较大,朝向不利的C座B户型和面积较小,朝向有利的A座E户型作为计算对象,并对每个户型分标准层和首层进行计算。
  C座B户型建筑面积为156.8m2,层高2.8m,位于C座的东北角;A座E户型建筑面积为139.00m2,层高2.8m,位于A座的西南角。
  
  4.2 户型的建筑特性参数介绍
  《民用建筑节能设计标准》(采暖居住部分)北京地区实施细则(以下简称细则)对居住建筑各部分围护结构传热系数限值有所规定,下表是细则规定的围护结构传热系数与该住宅楼的围护结构传热系数及有关参数。
细则 锦绣大地公寓
 外墙传热系数[W/(m2·K)] 0.82 0.43
 外窗传热系数[W/(m2·K)] 4.0 2.2
 屋顶传热系数[W/(m2·K)] 0.6 0.2
 地板传热系数(不采暖地下室上部地板)[W/(m2·K)] 0.55 0.43
 单位建筑面积的建筑物内部得热量(W/m2) 3.8 不考虑
 室内计算温度(℃) 16 20
  另外计算用的其他参数如下:
  1.内走廊(公共区域)冬季设计温度:t=12℃。
  2.不考虑户型内主要电气设备及人体负荷内部发热量。
  3.户型居住人数:4人。
  4.新风量:30 m3/(h·人)。
  5.外墙组成:由外到内依次为:瑞博兰干挂砖幕墙,流通空气层,100mm厚聚苯板保温隔热层,200mm现浇混凝土。
  6.楼板楼面做法:楼板为160~200mm现浇混凝土。楼板上有50mm厚陶粒混凝土,陶粒层上有40mm厚水泥砂浆或地砖等。
  7.地下车库没有采暖,计算温度5℃。
  8.两户型邻居家及上下楼层户内均按有人考虑计算温度。

  4.3 户型的空调系统介绍
  以上户型的空调系统为风冷管道式热泵空调机组加辅助电加热,其运行参数和模式为:
  1.室外温度t>-2℃ 热泵机组运行
  2.室外温度-6℃<t≤-2℃ 热泵机组与一档电加热同时开启。
  3.室外温度t≤-6℃ 热泵机组关闭,二档电加热开启。
  4.A座E户型选用的电加热为5kW。
  5.C座B户型选用的电加热为3+3kW。

  4.4 空调热泵机组COP的说明
  机组的COP性能曲线见下图:图2、图3。
           
                    图2 TSA30BR空调热泵机组的COP性能曲线
           
                   图3 TSA2020BR空调热泵机组的COP性能曲线
   
  
5 冬季能耗逐时计算结果
  
  5.1 按设计条件的计算结果
  按照《民用建筑节能设计标准》北京地区实施细则,北京地区普通住宅建筑耗热量指标不应超过20.6W/m2。需要特别指出的是这个指标是以单位建筑面积的建筑物内部得热量为3.8 W/m2,平均室内温度16℃计算得出的,而本文中两户型的能耗计算不考虑单位建筑面积的建筑物内部提热量,平均室内温度按20℃考虑。
  冬季能耗分为两部分,一部分围护结构能耗,由计算程序计算出逐时的转护结构能耗,另一部分为新风能耗,根据气象数据中逐时的室外温度和相对湿度及室内温度20℃,室内相对温度按我国暖通设计规范取40%,新风量按要求每户为120m3/h,由以上数据,采用室内外焓差计算出各户逐时新风能耗。计算结果见表1。
  
           各户能耗计算结果汇总表                       表1

室内温度 传热系数 新风量 户型 能耗 面积能耗指标
围护结构 新风 总计 围护结构 新风 总计
(℃) W/(m2·K) m3/h   W·h W·h W·h W/m2 W/m2 W/m2
20 0.43 120 A-E-F 5400000 4445143 9845143 12.55 10.33 22.88
20 0.43 120 A-E-S 4400000 4445143 8845143 10.22 10.33 20.55
20 0.43 120 C-B-F 7500000 4445143 11945143 17.43 10.33 24.61
20 0.43 120 C-B-S 6300000 4445143 10745143 14.64 10.33 22.13
A-E-F:A座E户型首层 A-E-S:A座E户型标准层        
C-B-F:C座B户型首层 C-B-S:C座B户型标准层        
  5.2 新风量改变对计算结果的影响
  
  根据气象数据中逐时的室外温度和相对湿度及室内温度20℃,室内相对湿度按我国暖通设计规范取40%,新风量由每户为120 m3/h变为80 m3/h,由以上数据,采用室内外焓差计算出各户逐时新风能耗。其他条件不变,计算结果见表2。

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  5.3 室内计算温度变化对计算结果的影响

  根据气象数据中逐时的室外温度和相对湿度及室外内温度18℃,室内相对湿度按我国暖通设计规范取40%,新风量每户为120 m3/h,由以上数据,采用室外焓差计算出各户逐时新风能耗。其他条件不变,计算结果见表2。
  
           条件改变后各户能耗计算结果汇总表                  表2
室内温度 传热系数 新风量  户型  能耗 面积能耗指标
围护结构 新风 总计 围护结构 新风 总计
(℃) W/(m2·K) m3/h   W·h W·h W·h W/m2 W/m2 W/m2
20 0.43 80 A-E-F 5400000 2963429 8363429 12.55 6.89 19.43
20 0.43 80 A-E-S 4400000 2963429 7363429 10.22 6.89 17.11
20 0.43 80 C-B-F 7500000 2963429 10463429 17.43 6.89 21.55
20 0.43 80 C-B-S 6300000 2963429 9263429 14.64 6.89 19.08
18 0.43 120 A-E-F 4900000 3932161 8832161 11.39 9.14 20.52
18 0.43 120 A-E-S 4000000 3932161 7932161 9.29 9.14 18.43
18 0.43 120 C-B-F 6800000 3932161 10732161 15.80 9.14 22.11
18 0.43 120 C-B-S 5700000 3932161 9632161 13.25 9.14 19.84
20 0.82 120 A-E-F 6800000 4445143 11245143 15.80 10.33 26.13
20 0.82 120 A-E-S 5600000 4445143 10045143 13.01 10.33 23.34
20 0.82 120 C-B-F 8900000 4445143 13345143 20.68 10.33 27.49
20 0.82 120 C-B-S 7400000 4445143 11845143 17.20 10.33 24.40
  5.4 外墙传热系数的改变对计算结果的影响

  根据气象数据中逐时的室外温度和相对湿度及室内温度20℃,室内相对湿度按我国暖通设计规范新风量每户为120 m3/h,外墙传热系数改为细则中规定0.82W/(m2·K)。由以上数据,计算出各户逐时围护结构能耗和新风能耗。其他条件不变,计算结果见表2。
  由此可见,当建筑围护结构热工性能较好时新风量的变化对建筑能耗的影响较大,占到总能耗的40%~50%,围护结构的性能越好,新风负荷能耗在总能耗中占的比例越大。当新风量减小1/3时,各户型能耗减15%左右;当室内计算温度由20℃降为18℃时,各户型能耗减小10%左右;外墙传热系数改为细则中规定的0.82 W/(m2·K)时,即比原外墙传热系数增大近1倍时,各户型能耗减小12%左右。因此,新风量的加在和室内温度的提高,提高了室内舒适水平,但付出增加能耗量的代价,只有合理的选择新风量和提高维护结构的热水工性能,才能降低能耗。
  
6 风冷热泵配备电加热采暖方式的耗电量分析计算
  
  逐时耗电量计算结果

  1.A座E户型标准层:
  1) 采暖期平均每日耗电量:(kW·h)             49 34
  2)采暖期总耗电量:(kW·h)                6365.10
  3)采暖期能耗最大日耗电量:(kW·h)             95.30

  2.A座E户型首层:
  1) 采暖期平均每日耗电量:(kW·h)              54.59
  2)采暖期总耗电量:(kW·h)                 7042.25
  3)采暖期能耗最大日耗电量:(kW·h)             104.39

  3.C座B型标准层:
  1) 采暖期平均每日耗电量:(kW·h)             55.98
  2)采暖期总耗电量:(kW·h)                 7221.00
  3)采暖期能耗最大日耗电量:(kW·h)             116.64

  4.C座B户型首层:
  1) 采暖期平均每日耗电量:(kW·h)               61.82
  2)采暖期总耗电量:(kW·h)                 7975.29
  3)采暖期能耗最大日耗电量:(kW·h)             127.29
  以上结果是根据在设计条件下计算的能耗结果计算出的,对于因设计条件改变后的能耗计算结果,耗电量可根据上述计算方法是很容易的计算出来,此处就不再进一步分析了。





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