建筑供热负荷计算的实例分析

建筑供热负荷计算的实例分析

0建筑模拟环境的研究20世纪60年代以来，随着计算机硬件和恶意软件的发展，世界上出现了大量的建筑能耗动态模拟软件，如美国的dae-2和能源公司、英国的esp、日本的asp和中国的dell。近十多年来,DeST和EnergyPlus在中国的学术研究界和工程界逐步得到广泛的应用,主要被用于建筑冷热负荷的计算分析、建筑热性能评价、建筑设备系统能耗分析和辅助设计等。模拟分析软件给出的结果是否能正确反映实际建筑热过程,是建筑模拟领域关注和探讨的问题。为比较、评价各种建筑能耗模拟软件的异同,各国的研究者开展了大量的基础研究工作。1992年,国际能源组织IEA提出了编号为Annex21的项目,对国际上主要的热模拟软件进行程序间对比验证,使用各个软件对同一虚拟建筑物的供暖空调负荷进行模拟计算,将结果进行比较。DeST软件的前身BTP也参加了此次验证。2000—2001年,美国ASHRAE设计了140个标准算例继续开展此项研究。算例严格规定了气象参数、建筑几何描述、材料性质、地表参数、通风设定、室内发热量、不透明壁体的辐射性质、内外表面传热系数以及设备参数和系统控制策略等等。在以上验证中,采用的建筑模型主要分为墙体较薄的轻型建筑模型和墙体较厚的重型建筑模型,后者属于复杂的非稳态模型。EnergyPlus和DeST软件都参加了轻型建筑模型的验证,两者全年耗冷量的计算值接近。但对于墙体较厚的重型建筑,EnergyPlus没有进行负荷的计算分析。因此,对于EnergyPlus和DeST软件,目前还无法作出全面的评价验证。本文以墙体较厚的重型建筑为研究对象,分别应用EnergyPlus和DeST软件对研究对象进行逐时负荷的模拟计算,并分析比较两个软件的负荷计算结果,以补充和完善EnergyPlus和DeST软件的验证分析。如果两者的负荷计算结果存在较大的偏差,则将在软件的热模型方面,从定量的角度去探究造成EnergyPlus和DeST软件负荷计算结果存在偏差的原因。1不同建筑结构的热负荷建筑热环境的主要影响因素是各种外扰和内扰。外扰包括空气温度、太阳辐射、邻室温度、风速、风向等;内扰为室内电器设备、照明、人员等。简化作用于建筑热过程的扰量有助于对问题本质的研究分析。因此,认为研究对象的室内热状况只受外温和太阳辐射通过墙体的热作用,而不受室内发热、室内外通风换气、邻室传热、土壤温度以及透过玻璃窗太阳辐射的影响。虚拟建筑3层,无外窗,层高3m,建筑标准层的平面如图1所示。建筑的各个房间无灯光、人员、设备等内扰,室内外无通风换气,冬、夏季的室内设计温度分别为18℃和25℃,各个房间的供暖空调系统处于连续运行的状态,以中间层的中间房间A为例进行负荷计算。建筑围护结构的构造及热工性能参数见表1。修改DeST软件逐时的室外温度和太阳辐射数据,使之与EnergyPlus相应的气象数据完全一致。在此基础上,应用EnergyPlus和DeST软件对虚拟建筑进行全年冷、热负荷的逐时模拟计算。2计算结果表明的分析2.1方案b:热负荷计算图2,3分别为采用EnergyPlus和DeST软件计算的A房间冷热负荷。结果显示,EnergyPlus软件的负荷计算结果不同于DeST的计算值,两者冷负荷的计算误差最高为158%,热负荷的计算误差最高为68%。2.2屋顶外表面传热系数w/3w/hm对于上述的计算差异,笔者作了大量的计算,寻找导致上述问题的原因。研究发现,在逐时模拟计算时,由于失误,笔者对EnergyPlus与DeST软件中屋顶外表面传热系数的取值不同,前者的取值为23.3W/(m2·℃),后者的取值为4.0W/(m2·℃)。于是,在EnergyPlus和DeST软件中,将屋顶外表面的传热系数分别改为4.0W/(m2·℃)和23.3W/(m2·℃),重新进行建筑冷、热负荷的模拟计算。图4为冷负荷计算结果。对于中间层房间A,在房间的供暖空调设定温度与顶层房间设定温度相同,也即几乎不存在邻室传热的条件下,由EnergyPlus计算得到的冷负荷和热负荷竟在很大程度上受到屋顶外表面换热系数的影响。夏季设计日,房间A冷负荷的计算值在屋顶外表面传热系数变化前后最大误差达到41%。这样的计算结果有悖于常理。与EnergyPlus软件不同,在DeST软件中,中间层房间的负荷计算值在屋顶外表面传热系数变化前后几乎保持不变。3计算负荷误差的原因3.1围护结构内表面温度的影响寻找上述计算误差的原因,首先要了解建筑热过程的基本特性。外扰通过墙体、屋顶等围护结构传入室内的热量一方面以对流形式传递给室内空气而改变室温;另一方面以长波辐射的形式传递到各围护结构内表面,改变这些表面的温度后,再以对流形式将热量传递给室内空气。其中,对流换热和长波辐射换热量的大小会受到围护结构内表面温度的影响。显然,屋顶外表面与室外空气换热状况的变化会改变屋顶的内表面温度,随之影响中间层房间围护结构的内表面温度。于是,在4.0W/(m2·℃)和23.3W/(m2·℃)两种不同的屋顶外表面传热系数下,用EnergyPlus模拟计算中间层房间A6个内表面的逐时温度,得到6个内表面在屋顶外表面传热系数变化前后的温差,结果见图5。屋顶外表面传热系数由4.0W/(m2·℃)增加到23.3W/(m2·℃)后,对于中间层房间A,只有上楼板内表面的温度变化较大,最大温差接近1.2℃,而对其他内表面温度的影响较小,这些内表面的温差基本小于0.2℃。EnergyPlus软件的计算结果显示,屋顶外表面换热状况变化对中间层房间室内对流换热和长波辐射换热量的影响并不明显。3.2围护结构温度计算方法仍然从建筑热过程的基本特性来分析这个问题,外温和太阳辐射通过外围护结构以导热形式传入室内的热量以对流和长波辐射的方式进入室内,于是,在围护结构内表面之间存在如下的热平衡关系:αin[t(δ)-ta,in]+σm∑j=1xδjεδj⋅[Τ(δ)4-Τ4j]=-λ(x)∂t∂x|x=δ(1)αin[t(δ)−ta,in]+σ∑j=1mxδjεδj⋅[T(δ)4−T4j]=−λ(x)∂t∂x|x=δ(1)式中αin为内表面传热系数,W/(m2·℃);t(δ)为围护结构内表面温度,℃;ta,in为室内空气温度,℃;σ为斯忒藩-玻耳兹曼常量,5.67×10-8W/(m2·K4);xδj为围护结构表面间辐射换热的角系数;εδj为围护结构表面发射率;T(δ)为计算围护结构表面的热力学温度,K;Tj为其他围护结构表面的热力学温度,K;λ(x)为计算围护结构沿厚度方向的导热系数,W/(m·℃);∂t∂x∂t∂x为计算围护结构沿厚度方向温度变化率,℃/m。已有研究表明,EnergyPlus和DeST两种软件都是基于上述的室内空气和各个围护结构内、外表面的热平衡来模拟分析建筑热过程。但针对上述的热平衡方程,这两种软件在处理通过房间围护结构内壁面得热的计算方法上有所不同。EnergyPlus软件是基于反应系数法,先求解单面围护结构的热特性,基于热特性系数得到其内外表面热流与内外表面温度的相互关系,然后在考虑围护结构内外表面的热平衡时,考虑各围护结构的内表面之间的长波辐射换热以及与室内空气的对流换热,再结合房间空气的热平衡方程,求解得到房间各围护结构内外表面的温度,以及房间不开空调时的温度或者房间开空调时的冷、热负荷。DeST以整个房间系统为对象,首先求解房间的热特性。在求解房间热特性的过程中考虑房间各围护结构内表面之间的长波辐射以及与空气的对流换热,得到房间温度以及围护结构各个节点温度与作用在房间上的各种热扰之间的矩阵方程:C˙Τ=AΤ+Bu(2)CT˙=AT+Bu(2)式中C为反映每个节点在单位温度变化率下的蓄热能力的矩阵;˙ΤT˙为变化率;A为各相邻温度节点之间由于温度差而产生的热流流动关系的矩阵;T为围护结构以及空气温度节点组成的向量;B为反映各热扰与每个温度节点的作用情况的矩阵;u为作用在各温度节点上的热扰组成的向量。DeST软件依据式(2)计算确定房间的热特性系数,并基于房间的热特性系数得到房间温度与作用在房间上的各种热扰之间的关系式,在此基础上,计算得到房间不开空调时的温度或者开空调时的冷、热负荷。通过对EnergyPlus和DeST软件围护结构内壁面得热计算方法的定性描述和比较,发现两者计算结果的差异源于对热性能分析单元的选择。EnergyPlus软件以单面围护结构为基本分析对象,采用反应系数确定围护结构内外表面热流与内外表面温度的相互关系,对于给定构造的围护结构,相对应的反应系数是确定的。实际上,作为房间整体的一部分,围护结构内表面不仅与室内空气发生对流换热,还与房间其他围护结构之间发生长波辐射换热。经典的传热理论表明,长波辐射换热量同时受到表面温度、表面材料黑度以及表面角系数的影响,建筑形式、围护结构材料热工性能不同,会导致长波辐射换热量不同。因此,EnergyPlus软件在确定通过围护结构表面的热流与内外表面温度的相互关系时,所采用的反应系数没有考虑辐射换热变化所产生的影响,由此所得出的通过围护结构表面的热流量与实际值可能存在较大偏差。与此相反,DeST以整个房间系统为对象,在求解房间热特性的过程中考虑房间各围护结构内表面之间的长波辐射以及与空气的对流换热,以基本传热公式Q=-λ∂t∂xQ=−λ∂t∂x计算通过围护结构表面的热流,这真实地反映了通过围护结构的热传递状况。3.3顶外表面传热系数的影响为验证上述理论分析,将围护结构内表面的发射率设为0,保持围护结构表面上的表面传热系数相同(这是一种仅存在室内对流换热的情况)。此时,α表示的是纯表面传热系数。屋顶外表面传热系数分别取4.0W/(m2·℃)和23.3W/(m2·℃),对图1所示的研究对象重新进行建筑全年负荷的逐时模拟计算,并对房间A的负荷计算结果(见图6)进行分析比较。EnergyPlus的计算结果表明,屋顶外表面传热系数的变化对中间层房间的负荷几乎没有任何影响;EnergyPlus和DeST软件的负荷计算结果基本一致,两者的计算误差最大为6%。因此,仅存在对流换热情况下的负荷模拟计算结果验证了EnergyPlus和DeST软件围护结构内表面得热的计算方法差异性的分析。4建筑热模型分析上述的讨论分析是假定建筑各个房间室温保持相等,也即不存在邻室换热的情况。研究发现,EnergyPlus和DeST两种软件在处理相邻房间之间换热的方法上还有所不同。鉴于单个房间的热计算过程比较复杂,EnergyPlus的热模型在考虑邻室换热时以邻室上一时刻的温度代替当前时刻的室温进行传热计算,这种处理方法避免了房间之间的联立求解,加快了计算过程。与之相反,DeST在处理房间热过程时以房间系统为对象,建立房间空气温度与室外温度、太阳辐射、室内发热、通风换气、邻室室温等各个扰量之间的相互关系:ta(τ)=τ∫-∞m∑j=1n∑i=1φijeλi(τ-η)qj(η)dη(3)式中ta为房间室温,℃;qj为影响室温的各个内、外扰量;λi为状态空间法中房间的各个空间特征值;φij为采样后各个扰量对房间室温的影响因数;n为空间特征值向量的维数;m为扰量的总数量。式(3)表明房间室温受到当前时刻及其之前各个时刻包括邻室室温的各种热扰的共同影响,采用式(3)的方法分析房间的热特性,整体性较强,使得DeST的热模型可方便地处理邻室之间的换热。EnergyPlus和DeST软件在邻室传热模型上的差异对负荷计算结果究竟有多大的影响呢?对此,仍然以图1所示的建筑为研究对象,依据第3章的研究结果,将围护结构表面的发射率设为0,各个房间仍无室内热扰,供暖空调房间的温度范围仍设定为18~25℃,但中间层边角4个房间的供暖空调系统处于间歇运行状态,运行时间为19:00—07:00,且空调关闭时,这些房间与室外有2h-1的通风换气,其他房间的供暖空调连续运行。在此情况下,应用EnergyPlus和DeST软件进行建筑冷热负荷的逐时模拟计算。图7和图8分别表示夏季设计日中间层边角房间逐时的室温计算结果和中间层房间A逐时的负荷计算结果。室温的计算结果表明,中间层4个边角房间的供暖空调关闭时,房间室温远超过25℃,此时中间层的A房间与周围的两个边角房间存在邻室传热。并且中间层边角房间当前时刻的室温不同于上一时刻的室温,尤其在空调设备启停的时刻,当前时刻和上一时刻的温差最大接近2℃。如图8所示,在中间层边角房间的供暖空调关闭,也即中间层房间A与邻室存在换热时,中间层房间A的冷负荷对应于Energyplus和DeST软件的计算结果存在较大的偏差,最大计算偏差为20%。4个边角房间的供暖空调运行,也即中间层房间A不存在邻室传热时,Energyplus和DeST软件冷负荷的计算结果几乎一致。由此可看出Energyplus和DeST软件对邻室传热分析处理方法的不同对负荷计算结果的影响。在实际的热传递过程中,建筑物各个房间的热状况是相互影响的。因此,在考虑邻室传热的影响时,应