西藏地區(qū)氣候寒冷、太陽(yáng)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(yáng)能采暖系統(tǒng)有非常重要的現(xiàn)實(shí)與戰(zhàn)略意義。筆者自 2006一直從事太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化與施工研究。

　　摘 要：西藏地區(qū)太陽(yáng)能資源非常豐富且冬季溫度低，該地區(qū)非常適合大面積推廣太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。但是由于實(shí)際大部分太陽(yáng)能采暖工程，忽略了建筑圍護(hù)對(duì)太陽(yáng)能主動(dòng)式采暖系統(tǒng)初投資與運(yùn)行費(fèi)用的影響，造成了太陽(yáng)能主動(dòng)式采暖系統(tǒng)初投資過(guò)高、太陽(yáng)能保證率低。為了分析建筑熱工性能對(duì)太陽(yáng)能主動(dòng)式采暖系統(tǒng)的影響，筆者利用數(shù)值模擬方法，將建筑熱工性能與主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算分析，利用初投資費(fèi)用最低與全壽命周期總費(fèi)用最低兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，對(duì)主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖建筑熱工性能的保溫性能進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，不僅可以降低太陽(yáng)能采暖建筑的采暖運(yùn)行費(fèi)用，而且可降低整個(gè)系統(tǒng)的初投資。

　　關(guān)鍵詞：搜論文知識(shí)網(wǎng),太陽(yáng)能,可再生能源,建筑節(jié)能,建筑能耗分析,EnergyPlus,TRNSYS

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，筆者最大感受是業(yè)主愿意投資大量資金建設(shè)太陽(yáng)能主動(dòng)采暖系統(tǒng)，如安裝大面積太陽(yáng)能集熱板，但不愿對(duì)提高建筑圍護(hù)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(guò)高，在同樣太陽(yáng)能保證率情況下(例如65%保證率)，主動(dòng)式系統(tǒng)投資過(guò)大，系統(tǒng)運(yùn)行能耗過(guò)高。本文以某一典型的實(shí)際工程為例，利用建筑動(dòng)態(tài)能耗模擬軟件(EnergyPlus與TRNSYS)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)主動(dòng)式太陽(yáng)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(dòng)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1 840 m2，其中采暖面積為1 230 m2，非采暖面積為610 m2。建筑外墻面積1 150 m2，外窗面積422 m2，屋頂面積457 m2，體型系數(shù)為0.37。對(duì)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。

　　王 磊，等：西藏地區(qū)太陽(yáng)能采暖建筑熱工性能優(yōu)化研究

　　1 建筑基本情況

　　新建建筑為4層條式住宅建筑，總面積為1 840 m2，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240 mm厚實(shí)心砼磚塊，內(nèi)墻為200 mm厚實(shí)心砼磚塊;屋頂為200 mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土，20 mm厚水泥保護(hù)層，60 mm厚爐渣找坡，4 mm厚SBS防水卷材，20 mm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。

　　2 計(jì)算模型及參數(shù)

　　目前建筑動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)周期的動(dòng)態(tài)熱特性(往往以小時(shí)為時(shí)間步長(zhǎng))，采用的是完備的房間模型和較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)模型及簡(jiǎn)化的或理想化的控制模型，適于模擬分析建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)熱特性及模擬建筑物的全年運(yùn)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(guò)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(dòng)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(jiǎn)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(shí)間步長(zhǎng))動(dòng)態(tài)特性及過(guò)程的仿真分析。

　　為了研究建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)熱特性對(duì)主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的配置優(yōu)化的影響，需同時(shí)采用上述兩類軟件，對(duì)建筑能耗與主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。因此分別采用了EnergyPlus與TRNSYS對(duì)建筑能耗與主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，其計(jì)算模型示意圖見圖2與圖3所示。EnergyPlus模型計(jì)算所得出的建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷，輸入TRNSYS動(dòng)態(tài)模型中進(jìn)行主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)模擬計(jì)算。

　　2.1 熱工模型輸入條件與假設(shè)

　　1)圍護(hù)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0 W/m2。

　　4)房間采暖溫度取18℃

　　5)太陽(yáng)能集熱器選取平板式太陽(yáng)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(chǎng)因素對(duì)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]

　　2.2 經(jīng)濟(jì)模型輸入條件與假設(shè)

　　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(jià)取180元/kW。

　　5)太陽(yáng)能集熱板造價(jià)取600元/m2。

　　6)蓄熱水箱造價(jià)取2 300元/m3。

　　7)能源單價(jià) 0.65元/kWh。

　　3 計(jì)算結(jié)果分析

　　3.1 基準(zhǔn)建筑計(jì)算結(jié)果分析

　　本文首先對(duì)基準(zhǔn)建筑的設(shè)計(jì)負(fù)荷、全年動(dòng)態(tài)能耗進(jìn)行計(jì)算，并分析了在基準(zhǔn)建筑熱工性能條件下，太陽(yáng)能集熱板面積對(duì)系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率與能耗的影響。其計(jì)算結(jié)果分別見表5與圖5。

　　當(dāng)太陽(yáng)能主動(dòng)式采暖系統(tǒng)選取保證率為65%時(shí)，對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能集熱板面積為420 m2，即每平米太陽(yáng)能板可以服務(wù)3.46 m2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。 　　從圖6中可以看出，最優(yōu)蓄熱水箱體積為42 m3即每平米集熱板對(duì)應(yīng)于100 L蓄熱水。采用主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)后，建筑全年的能耗為59 547 kWh，即41 kWh/m2。

　　3.2 不同保溫措施熱工性能分析

　　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(yáng)能保證率(65%)條件下，太陽(yáng)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(duì)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。

　　從圖7中可以看出，當(dāng)屋頂保溫層厚度大于60 mm時(shí)，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(duì)變化率低于1%。此時(shí)，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(duì)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。

　　從圖8中可以看出，當(dāng)外墻保溫厚度大于50 mm時(shí)，建筑設(shè)計(jì)負(fù)荷、太陽(yáng)能集熱板、全年能耗進(jìn)一步減少的相對(duì)變化率小于2%。此時(shí)建筑采暖負(fù)荷率降低了約23.1%，太陽(yáng)能集熱板面積減少約27.7%，全年能耗減少約30.3%。

　　3.3 不同保溫措施經(jīng)濟(jì)性分析

　　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(duì)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的初投資、運(yùn)行費(fèi)用及全壽命周期費(fèi)用的影響，以確定最優(yōu)的建筑熱工保溫范圍。經(jīng)濟(jì)計(jì)算中，假設(shè)建筑保溫層與主動(dòng)太陽(yáng)能采暖設(shè)備系統(tǒng)的壽命為25 a，不考慮能源價(jià)格升高與貨幣貶值率。

　　初投資同時(shí)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(lái)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(duì)建筑與太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)總投資節(jié)省、運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省及全壽命周期費(fèi)用節(jié)省的計(jì)算結(jié)果見表6，與圖9，圖10，所示。

　　從表6中可以看出，當(dāng)外窗由單玻窗改為雙玻窗時(shí)，總初投資增加約19 600元(10.7元/m2)，總運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省41 625元(22.6元/m2)，全壽命周期費(fèi)用 可以節(jié)約21 980元(11.9元/m2)。

　　由圖9可以看出，當(dāng)屋頂保溫厚度為60 mm時(shí)，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100 mm，全壽命周期節(jié)省值最高，約為219 025元(119元/m2)，因此對(duì)于太陽(yáng)能采暖建筑屋頂保溫層的最優(yōu)厚度為60～100 mm，對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.42～0.27 W/m2・K。

　　圖10中可以看出，當(dāng)外墻保溫厚度為50 mm時(shí)，初投資費(fèi)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70 mm，全壽命周期費(fèi)用節(jié)省值最高，約為344 183元(187.1元/m2)，因此對(duì)于太陽(yáng)能采暖建筑屋頂保溫層的最優(yōu)厚度為50～70 mm，對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.60～0.46 W/m2・K。

　　4 結(jié) 論

　　利用數(shù)值模擬方法對(duì)太陽(yáng)能采暖建筑的熱工性能對(duì)主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)方面，確定最佳的太陽(yáng)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(shí)，建筑的采暖負(fù)荷降低6%，太陽(yáng)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(duì)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60 mm后，建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積以及全年能耗的相對(duì)減小率低于1%。初投資費(fèi)用最低的屋頂XPS保溫層厚度為60 mm，對(duì)應(yīng)傳熱系數(shù)0.42 W/m2・K，全壽命周期費(fèi)用最低的屋頂XPS保溫層厚度為100 mm，對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.27 W/m2・K。

　　3)當(dāng)外墻EPS保溫厚度大于50 mm時(shí)，建筑設(shè)計(jì)負(fù)荷、太陽(yáng)能集熱板、全年能耗的相對(duì)減少率低于2%。初投資費(fèi)用最低的外墻EPS保溫層厚度為50 mm，對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.60 W/m2・K;全壽命周期費(fèi)用最低的外墻EPS保溫層厚度為70 mm，對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.46 W/m2・K。

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