天津地区冬季太阳辐射对居住建筑节能贡献研究

建筑物理论文-北方地区冬季太阳辐射对居住建筑节能贡献研究指导老师：陆凤华教授学生姓名：曹亚柏班 级：建筑学0601学 号：05001627日 期：2010.10北方地区冬季太阳辐射对居住建筑节能贡献研究摘要在我国北方的采暖居住建筑中，一方面较好的围护结构节能设计为建筑物提供了有利的供热节能保障；而另一方面，暖通设计又偏于保守，使得供热能源产生浪费。除此之外其更为直接的原因就是对太阳辐射得热量的估计不足。针对天津地区的太阳能辐射特点，本文旨在从太阳辐射的角度对其计算评估，着重研究天津地区居住建筑中太阳辐射对室内热环境的贡献量，通过试验和计算机模拟等手段量化太阳辐射能及其对室内环境的热作用。在资源供应日趋紧张的今天，本项研究对节约能源，绿色环保具有重要意义。太阳辐射能和住宅热工测试是本文研究的基础，我们持续观测了两年天津地区太阳辐射的状况并针对特定的几户住宅进行了热工测试，并对天津某新建65 节能住宅进行了总热源法的节能评估。通过计算和物理模型的确定，对比研究模型住宅太阳辐射和室内热环境及采暖供热的关系。在此基础上利用模拟软件将实验的结果重新分析，通过几组模拟实验综合的分析了实测结果。利用清华DeSTh 模拟软件开放的数据库编辑了天津地区的太阳辐射数据在这个背景下进行各种能耗模拟。模拟实验的结果一方面和物理模型检测结果进行比较也为下一步的结论提供依据。通过太阳辐射观测和分析，我们对新建建筑节能设计提出了指导意见，我们提出了两个标准，一方面对建筑物利用太阳能的优劣做出了评价，另一方面针对目前使用的体形系数指标进行了改进，加入了太阳辐射的因素就能够更全面的反应建筑的节能状况。太阳辐射能分布到每一个住宅内的量虽然不大，但是它源源不断，如果每一个住宅都能依靠太阳能减少一定的能耗，那么住宅建筑就节约出巨大的能源。本文着重研究太阳辐射能在天津地区住宅能耗中的贡献作用，以新的角度来反映天津地区居住建筑采暖耗热量。关键词： 太阳辐射能、建筑耗热量指标、计算机模拟、散热面系数ABSTRACT In the residential buildings for heating in north China，on the one hand，better design of envelope structure provides a safeguard of energy-efficient for building；on the other hand，HVAC design is somewhat conservative，leading a waste of heat energyIn addition，the direct reason for this is that the heat ofsolar radiation is underestimatedFor the characteristics of solar radiation in Tianjin，this paper aiming at calculation and assessment from the perspective of solar radiation，focus on the amount of contribution of solar radiation on the indoor thermal environment of residential buildings in the TianjinBy means of experiments and computer simulation，we quantified the energy of solar radiation and its effect on indoor thermal environmentIn todayS growing tension in the supply of resources，this study has important signification tO energyefficient environmental protection Solar radiation and temperature observations are the basis ofthis studyWe have observed continuously the state ofsolar radiation in area of Tianjin for two yearsIn addition，the situation ofa few specific houses were observed at room temperature， and a new department in Tianjin of 65energy-efficient was assessed with the total heat source method of energy-efficientAt first，through the calculation and determination of the physical model，we can compare to study the relationship among the solar radiation，heating environment indoor and heatingThen we will use software for simulation to analyze the resulB of experimentsThe final result will be got by our integrated analysis of several groupsWe use the database opened in Tsinghua DeST-h simulation software to edit solar radiation data of Tianjin region， and in this context a variety of energy simulations have been doneThe results of simulation not only can be used to compare with test results of physical model，but also will provide the basis for the conclusions ofthe next step Through the observation and analysis of solar radiation，we will put forward some tO energyefficient design of new buildingsthere will be two criteria are proposed， whichmake an evaluation of the use of solar energy，and also amend the indicators of shape coefficientBy adding the factor of solar radiation the energy-efficient situation ofone building will be reflected more comprehensivelyAlthough distribution of solar radiation to the house iS not hugeit comes continuouslyIf every house could be able to use solar energy to reduce energy consumption，then tremendous energy will be saved 011 the residential buildingThis article focuses on contribution of solar radiation in cityS residentiaI energy consumption in the region of Tianjin，in which a llew point of view tO calculate the heat consumption of heating in Tianjin will be used KEY WORDS：Solar radiation。Index of heat loss of building，Computer Simulation，Cooling surface indicator第一章绪论II研究背景第一章绪论随着我国由农业大国向工业现代化国家的转变，对各种能源的需求也日益强烈到现阶段国内已经不能满足各种矿物或非矿物能源的自给自足，大规模依赖进口，给各种发展带来了沉重的成本压力，并且常规能源的大量使用必将对环境造成不利影响。太阳能作为一种重要的可再生能源，取之不尽用之不竭，不会对环境造成污染是目前最有潜力的可持续能源之一。我国属于太阳能资源丰富的国家，天津位于华北平原，位于资源较丰富带。天津的日照时数属于全国最长的地区之一，年日照30003200h，这意味着其太阳能资源在全年相对平均。方便控制和使用。111天津的气候地理特征天津位于中纬度欧亚大陆东岸，面对太平洋，季风环流影响显著，冬季受蒙古冷高气压控制，盛行偏北风：夏季受西太平洋副热带高气压左右，多偏南风。天津气候属暖温带半湿润大陆季风型气候，有明显由陆到海的过渡特点：四季明显长短不一降水不多分配不均；季风显著，日照较足；地处滨海，大陆性强。年平均气温123。7月最热，月平均气温可达26：1 月最冷，月平均气温为_4。年平均降水量550680毫米，夏季降水量约占全年降水90。天津市的年太阳辐射总量属于较丰富地区(图11)，在经济较为发达的中国东部地区太阳辐射量并不是很丰富，天津是个例外，从这张图中可以看到。天津市一方面具备开展太阳能节能工作的经济基础，又有丰富的太阳能资源可利用。112利用太阳辐射能对建筑节能的潜力和意义1121节约矿物能源清洁无污染我国目前城市化水平约在30左右，根据发达国家的经验，将在30年左右的时间内迅速达到6070的城市化水平。这直接表现为城市目前的大规模的建设活动，城市就如同一个大工地。从节能因素考虑，这是挑战，更是机遇。太阳辐射不仅带来热量，也带来采光。这两个方面都是现代建筑不可或缺的因素，一般来说，对于公共性建筑，仅照明就占日常能耗的40.。太阳能对于室内热环境的贡献正是本文要讨论的命题，从日常生活中我们都知道冬季朝南的房间要比朝北的房间更温暖。在夏天受季风的影响，一般南向的房间夜晚通风更好，这从热舒适角度也一定程度减低了空调的制冷能耗。这些说明只要我们精于计算，合理设计，就能最大限度的降低人们使用矿物能源的频率，达到节能减排的目的。1122太阳光综合改善人们生活条件，包括采光，健康，对心理的影晌人类经过数千万年的演变，人类机体最适应的物理环境就是自然条件下物理环境，比如春夏秋冬的变化，每一天早中晚的气温变化。另外人类的眼睛最适应的光源就是自然光，在自然光下人眼可以接受更大的照度值范围，达到更高的视觉功效。太阳光对于人类的生命健康有极为重要的关系，日光的照射有助于预防各种疾病的发生。根据对比试验，目光照射下成长的小自鼠比人工光照射下的小白鼠明显成长速度更快，并且机体合成某些生命物质的能力更强。另外，充足的阳光对于室内的工作人员的精神心理有相当的作用，明朗的阳光让人精神振奋，情绪乐观；透过窗户的美景也有助于工作疲惫的迅速缓解。一天的阳光在持续不断的变化，它的强度、方向和频谱随着时间和天气的变化而变化。这带给人以时间性，让人们的生物钟跟随它变化，这本身就是生理需求的一部分。 12太阳辐射理论及太阳辐射的研究应用进展121太阳辐射热太阳辐射热是地表大气热过程的主要能源，也是对建筑物影响较大的一个参数。日照和遮阳是建筑设计中的重要因素，这都是针对太阳辐射的。特别是太阳能的建筑设计，必须仔细考虑作为能源使用的太阳辐射能。【2】1211直射辐射、散射辐射和总辐射当太阳的射线到达大气时，其中一部分能量被大气中的臭氧、水蒸气、二氧化碳和尘埃等吸收；另一部分被云层中的尘埃、冰晶、微小水珠及各种气体分子等反射或折射而形成漫反射，这一部分辐射能中的一部分回到宇宙中去，另一部分到达地面。我们把改变了与原来方向而到达地面的这部分太阳辐射称为散射辐射，其余未被吸收和散射的太阳辐射按照原来的方向穿透大气到达地面，因此称为直射辐射。直射辐射与散射辐射的和称为总辐射。1212太阳常数由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳和地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与辐射热源的距离的平方成反比，这意味着地球上方的太阳辐射强度会随着日地距离的不同而异。然而由于日地距离太大(平均距离为l 5 X l 0 8 km)，所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此把太阳常数定义为：在太阳与地球的平均距离处垂直与入射方向的大气界面上的单位面积的热辐射流，称为太阳常数，通常用I表示。从理论上计算该常数为I=13956Wm，称为天文太阳常数，实测分析决定的太阳常数为I=1256Wm2，称为气象太阳常数。1213理想大气总辐射理想大气总辐射量为太阳辐射能通过理想大气到达接受面上的辐射量，一般给出水平面上的数值。所谓“理想大气”又叫“干洁大气”，就其成分而言，除了没有水蒸气和空气微粒以外，其他都和普通大气一样。理想大气造成日照削弱的成分是臭氧、氧和二氧化碳的选择性吸收和空气分子的散射作用。1214大气质量大气质量反映太阳辐射穿过大气层所通过的路程。如图(12)所示A为地球海平面上的一点，当太阳在天顶位置S 时，太阳辐射穿过大气层通过的路程为0 A，太阳位于S点时，其穿过大气到达A点的路径为0A，0A与0 A 之比就称为大气质量。它表示太阳辐射穿过地球大气的路径和垂直入射式的路径之比。通常以符号m表示，并设定标准图12大气质量示意图大气压和0时海平面上太阳垂直入射时，大气质量为1。由此可知大气质量的计算式： 1215辐射换热由于任何物体都具有发射热辐射和对外来辐射吸收反射的能力，所以在空间中任意两个相互分离的物体，只见都会产生辐射换热，图13。如果两物体的温度不同，则较热的物体向外辐射比吸收辐射要多，较冷的物体则相反，这样两个物体之间就形成了辐射换热，应该注意的是，即使两个物体温度相同，它们之间也在进行着辐射换热，只是一种动态的平衡过程，两物体的辐射换热量主要取决于表面温度，表面发射和吸收辐射的能力以及两者的相对位置。图13表面的辐射换热122太阳能的被动式利用自从人类建造房屋遮风避雨开始，人类就开始有意识无意识的利用太阳能。截至目前，几乎所有的居住建筑都在使用太阳辐射能，其中的绝大多数都是以被动的方式利用太阳辐射。被动式利用太阳能是指不采用任何其他机械动力，直接通过辐射、对流和传导实现太阳能采暖或供冷。被动式太阳能利用技术和最初建筑设计密不可分，常见成熟的技术有太阳能采暖和太阳能通风降温。常见的方式主要是通过让太阳辐射直接进入室内利用或通过某些建筑构件采集和储存热能，然后通过空气循环进入建筑内部加以利用。按照设计构造的不同，一般有以下几种方式。【3】1221直接受益式直接受益式就是指在建筑的的采光方向立面设置大面积玻璃窗，将太阳光直接引入室内的方式。进入室内的太阳光一股落于室内的墙面、地面和家居等表面上，房间在利用其光能与热能的同时，也将一部分热能存储于墙体或楼板之中。1222集热墙式 集热墙又叫特隆布墙，是1856年由法国学者Trombe等由直接受益式发展而来，其做法是通过蓄热墙体外面罩一层玻璃，中间有一定厚度的夹层空气，将建筑物外墙面实墙部分得到又散失的太阳辐射能利用起来。1223附加阳光问附加阳光间是指在建筑的主体房间南侧设置一层由玻璃幕罩着的房间，阳光问与主体房间有墙或窗户隔开。阳光间一般是作为公共性的空间加以使用，比如办公建筑中常常作为休息厅，咖啡厅等存在，也可用于养花或栽培，也叫温室式太阳房。这种方式随着现代建筑注重公共交流等空间而越来越多，常常见于寒冷地区办公楼等。1224屋顶蓄热式在我国大多数地区，常年水平向太阳辐射总量一般大于某个立面的太阳辐射量，因此在水平面上设置蓄热体往往能够更高效的利用太阳辐射能。屋顶蓄热虽然理论上效率很高，可是对建筑结构防水施工有较高要求，对建筑设计带来许多不便。1225材料蓄热式该做法构造由太阳能集热器和蕾热物质(通常为卵石地床)构成，安装时集热器水平位置低于蓄热物质这种类型一般用于山地，空气在集热器中被加热后，在热压驱动下流过蓄热物质，并存储热量。在非日照阶段，则由蓄热物质向室内供热。在北方地区的民居中，土炕非常普遍的用于居民的采暖和生活，土炕内是用实心粘土砖砌成烟道，炊火产生的热烟在烟道内流动直接放热，烟道内粘土砖也在蓄存热量，其余的废烟通过分隔墙上的孔洞排出。实心粘土砖有一定的蓄热能力，在炊火停止后相当长的一段时间也在供给热量，持续的满足供热，这是劳动人民利用材料蓄热的经典案例。123被动式利用的案例该住宅基地被绿树环绕，周围是一些建于20世纪50年代的多层建筑，该建筑地面标高低于街道水平面20米，并且有一条小溪从中穿过(图l-4，图1-5)。为了充分的利用太阳能，设计者将其设计为座三角形的结构简单的住宅，并且简洁的几何形体姿态也是对周围环境的一种回应。在该座建筑中采用了多种被动式太阳能技术，多种技术混合利用也是实际建设项目中常见的方式。建筑物呈现三角形，倾斜的是屋顶面，这样能够与太阳辐射的年平均角度偏差最小。并且前端形成的三角形房间作为建筑的阳光间出现，刚光间被基地中的一棵桦树分成两段，其间自然形成了直接受益窗，其对应的功能就是大起居室。除此之外，该项目还利用太阳辐射热自然通风技术和地下蓄热采暧系统。1232国内案倒：国内农村卫生院项目建造地点：青海省、甘肃省、山西省。该项目由世界银行捐款支持，国家卫生部组织实施的中国农村卫生院被动式太阳房全球环境基金项目(简称GEF项目)于2004年6月验收完成投八使用。该项目共建成了29栋被动式太阳能卫生院分布于我国太阳能资源丰富的山西、甘肃、青海的29个贫困县。项目投资并不高，利用的一殷都是成本低廉的太阳能技术，按照室温144C标准计算，可节约采暖常规能源6070，理论最短投资回收年限为4 32年。项目中运用的太阳能技术有直接受益窗、集熟蓄热墙和附加阳光间。这些技术都是在土建阶段完成的太阳能技术，而没有通过专用的技术设备的技术，这样能最大限度的降低成本。图1-6 1233结论低能耗农村卫生院不管怎么说，被动式太阳房还是采用某种技术手段来主动地获得和使用太阳辐射能r起更多的还是专注于建筑的具体形式、具体构造手段等等具体的问题。太阳房往往建造于远离城镇，用地宽阔，经费充足，更多的是满足少量人特殊的生活需求或是作为示范项目存在。在用地非常紧张的城市，大量建造太阳房是不现实的然而太阳房的存在给我们指明了太阳辐射的巨大作用，是我们在城市建造大量型住宅的借鉴。并且其某些技术手段也可以发展为普遍性的构造手段进而为大多数人服务。13论文工作的提出131天津住宅的节能现状天津的住宅种类繁多，有殖民时期留下的洋房洋楼，也有大量的自发建设的平房。解放以后，建成了大量的职工宿舍(筒子楼)，也有老式的坡屋顶公寓。现在比较具有代表性的就是改革开放以后建成的大量多层、高层公寓式住宅。这一类住宅不但数量多，而且是具有节能改造，研究前景的一类住宅。天津属于较早按照65节能标准设计的城市(表11)。2006年以后的新建住宅按照65节能标准设计，主要的建筑形式为多层、板式小高层、点式高层。天津市从1991年开始实施第一阶段建筑节能(即一步节能)，对新建住宅要求建筑耗热量指标达到253wm2以下。以谊景小区为代表的一批一步节能试点小区的建设，对开创建筑节能发挥了带头作用。从1991年实施一步建筑节能以来， 天津市建成一步节能住宅建筑面积3504万平方米。2000年，天津市实施第二阶段建筑节能(即二步节能)，对新建的住宅要求建筑物耗热量指标达到205wm2 以下。二步节能期间，先后建造了龙潭路节能实验建筑、华苑绮华里、梅江芳水园、人民家园等试点建筑，其技术含量在国内已处于领先水平。至2004年年底，天津市共建成二步节能住宅建筑面积1645万m2。从2004年1月1日起天津市实施65节能。对新建的住宅要求建筑物耗热量指标达到144wm2以下。至06 年底，已建成1 500万平方米满足65节能标准的住宅。自天津市65节能以来，建筑设计施工技术不断提高，建筑物的理论能耗指标一直在下降。天津的供热计价方式一直沿用按采暖面积收费的方式。至2009年，天津市供热收费依旧是统一供热统一收费。就能耗输出而言，实际建筑能耗并没有下降，而随着煤炭等矿物能源价格的提升，供暖费用甚至有所提升。仍旧采取以往的供暖量，这就导致了居室内温度的偏高。一方面是我们的建筑本身热工能力越做越好，另一方面，以往的能耗计算中对太阳辐射能的估计过分保守甚至忽略，直接的影响就是冬季暖通计算中采暖负荷的偏大，而目前天津住宅很少能自主控制采暖因而导致采暖期内住宅室内温度过高，中午辐射强度大的时段甚至需要开窗散热。在笔者实验中采访的几户住宅都存在这样的问题。132课题立项背景天津市政府重视建筑节能由来已久。早在1991年，天津市政府办公厅发布了天津市发展新型墙体材料和建筑节能工作的若干规定。2001年天津市人大颁布了天津市节约能源条例，2002年、2006年市政府先后发布了第56号令天津市墙体材料革新和建筑节能管理规定和第107号令天津市建筑节能管理规定，市建委发布了八项配套的规范性文件，由此形成了一部法律、两个政令、一系列规范性文件组成的法律法规体系。进入新千年以来，天津的建筑节能工作取得了很大进展，2004年天津市率先实施65节能标准。至今已有超过半数住宅符合节能建筑节能标准，并在2006 年建设部组织的建筑节能专项检查中，天津市名列全国第一。住宅节能是建筑节能的重要部分，其单位面积能耗不如其他各种建筑，但是总面积数巨大。这样有助于太阳辐射能在供暖能耗中的比例，因此从太阳辐射角度降低天津住宅能耗就成为一个新的角度。随着节能住宅的建设量不断加大，近几年随着天津市内节能住宅的比例不断增加，正在使用节能住宅的人也越来越多。大多数的人都有这样的生活经历，就是冬季室内温度过高，不得不开窗散热，在靠近南窗能得到阳光照射区域的温度甚至高达30摄氏度以上，由此造成大量热量流失。133课题的内容和意义近几年，国内进行太阳能研究的课题和项目很多，也取得了大量有意义的成果。然而就天津地区，在太阳能热辐射方面，仍然是定性的多定量的少；数据方面则是冗杂的多权威准确的少。到目前，天津地区定量的太阳辐射能对冬季采暖贡献数据还不够完备，因此影响到许多相关研究的进展。这次课题的一个基本内容就是对天津进行详尽的天阳辐射能的检测，并且整理总结天津地区的太阳辐射的规律，为节能研究及暖通设计提供可靠的数据依据和技术支持。另外，通过实际测量、挑选有代表性公寓实验、以及计算机模拟相结合的方式，将检测所得数据具体化和应用化。在以往定性研究太阳辐射能的基础上，量化太阳直接辐射能对采暖能耗的贡献，真实的反应建筑物的能源需求。其次，在实测天津冬季太阳辐射量的基础上，通过对居住建筑规划、建筑单体、平面布局及围护结构保温设计的研究，量化太阳辐射对居住建筑冬季采暖能耗的补充并寻找减低居住建筑采暖对不可再生能源依赖的对策。通过在冬季高效利用太阳能和限制夏季太阳辐射的手段，形成最大限度利用太阳辐射能补充采暖用能和严格控制夏季得热的节能居住建筑体系，争取达到在现有居住建筑全年能耗基础上降低5以上的目标。第二章天津地区冬季太阳辐射能的分析21课题的研究方法211研究目的本文的研究目的主要有以下四项： (1)获得近两年天津地区太阳辐射能获得的总量，为各项研究提供数据基础。(2)研究分析采暖季太阳辐射能在住宅能耗中的贡献值，作为减少人工采暖的量化依据。(3)研究从太阳能角度评价建筑物能耗的方法，为今后设计工作提供依据。(4)分析太阳辐射能与居住建筑规划、建筑单体、平面布局、围护结构的关系。212研究过程通过对研究目的分析不难发现我们的研究主要是协调以下几种关系：辐射能总量、太阳辐射和住宅能耗、评价太阳辐射、如何利用太阳辐射来设计。因此我们的研究过程也将以下面几步展开。(1)监测并分析太阳辐射。通过辐射表和巡检仪逐时地监测2007年l 1月l 5日至2008年3月15日段和2008年11月15日至2009年3月15日段的太阳辐射量。对获得的逐时数据进行筛选分析总结，获得07年冬季和08年冬季太阳辐射总量和变化过程。对某些重点日期时间段详细分析，包括冬至日、大寒日、最冷周。通过这些手段基本获得了天津地区近两年太阳辐射的完整资料。(2)在实际的建筑物中计算太阳辐射的贡献量。我们选择天津三座小区在07年及08年冬季进行测试，一座用总热源法测试采暖量和温度：另两座监测温度。利用第一步获得的测试年的太阳辐射量计算得到该套住房太阳辐射量，比对总热源的能量就得到测试时间段内太阳辐射占能耗的比值。另两座小区观测其室内开关暖气温度的变化得到其对暖气的依赖程度，从侧面反映太阳辐射能的实际作用。(3)利用能耗模拟软件模拟测试小区深入分析。利用能耗模拟软件模拟测试小区在考虑太阳辐射和不考虑太阳辐射情况下的能耗状况，并和实际的测量结果对比。为天津市降低采暖能耗提供依据。(4)研究单体建筑体型、开窗和太阳能的关系。设计模拟试验对比分析不同的南向窗墙比的能耗水平及相同窗墙比下建筑不同的开间进深体型和能耗水平的关系。(5)研究正确评价利用太阳能和建筑能耗的关系。一方面评价建筑物对太阳能利用情况；另一方面修订体型系数提出新的评价方法，并通过实验的方法验证新的评价方法的优势。22太阳辐射能的观测辐射能的观测是全文研究的起始阶段，也是整个研究的基础，其数据的准确性和真实性影响到实验结果的判断。从2007年我们就开了太阳辐射观测，不论是设各的安装调试维护运行捡查都做到一丝不苟。辐射记录仪纪录一小时内的太阳辐射能加权值，并将每天的数据单独报表出来。这样，我们就得到了采暖期内每天的太阳辐射能量。221辐射能的观测方法和要求我们选取正南向垂直面和水平面两个方向的太阳辐射进行观测，这两个方向能够概括无津数量最多的住宅辐射量。因此我们监测三个物理值：水平总面辐射、水平散射辐射、垂直面总面辐射。监测仪器采用加权累积的方法检测，以小时为基本单元积累每天的太阳辐射总量。检测时间为每年的冬季采暖期，即11月15 日至下一年的3月15日。日常的检测要求是每天检查仪器运行正确，并用镜头布擦净辐射表表面的尘土，以及每天记录天气情况。222辐射能观测仪器和数据仪器辐射能的蕊铡和数据处理仪器为锦州阳光TBO-2型总辐射袁和锦州阳光TC2B太阳辐射记录仪。辐射表是采用光电转换感应原理，与辐射记录仪配接能够精确的测量太阳总辐射能量(图2-1)。223观测地点和观测时间表)观测地点位于天津大学北洋科学楼顶，北洋科学楼建筑7层，高度29 2米四周无遮挡物，观测地点能够获得全年完好日照。周边环境见图2-2。观测时间2007年11月15日至2008年3月15日：2008年11月15日至2009年3月15 日。23太阳辐射能数据的整理和分析231天津地区全采暖期的太阳辐射量及其分布特点2311水平总面辐射我们分别检测了07年采暖期和08年采暖期的太阳辐射量，以每日的积累值为纵轴将其制成曲线如图(24)和图(25)。图表纵轴以兆焦每平米(MJm) 为单位。本文中水平总面辐射也简称为总辐射。从整体上看，水平总面辐射积累值符合太阳高度角的变化规律，在冬至日左右出现全年的最低谷，整体上有曲线规律。水平总面辐射的一个突出特点是不均匀，曲线起伏变化十分剧烈。其辐射量主要受天气影响。在整个采暖期，07年的日辐射最大值为201 14 MJm，出现在3月15日：08年的最大值为19433 MJ 砰，出现在3月13日。最低值07年为0241 MJm2，出现在12月lO日；08年最低值为0537 MJm，出现在2月12日。据气象记录，水平总面辐射最大值的出现在晴天，与此相对应的是当天的散射辐射相当低，与总辐射与直辐射差距很大(07年为2348 MJm，08年为3422 MJm2)。一般最低值都出现在雪、雾天气。2312南立面垂直面总面辐射天津地区07年冬季和08年冬季南立面垂直面总面辐射，本文中简称为直辐射。(图2-6、图27) 天津地区的纬度位置相对较高，所以冬季直辐射比总辐射量略高出61 3。城市单栋建筑一般主要靠南向采光，因此相对有利。然而对规划而言，如果依靠南向辐射则对采光间距的要求就会提高，因此对用地紧张的城市住宅来说，冬季太阳高度角偏低会成为劣势。通过观察可知，直辐射虽然总量相对较大，然而其波动性比总辐射更大，更容易受天气的影响。天津冬季常出现大雾天气，因此其波谷时辐射量相当的低，与最大值的比值可达到1l 0l4 0 0 0。其0 7年的最大值为17863 MJm，最小值为0005 MJm2；0 8年的最大值为18405 MJm2，最小值则为0098 MJm2。就整体而言，直辐射没有明显的趋势性，这对我们利用太阳能是不利的。从能量平衡的角度来说，尽管其能量是波动的、波峰和波谷的差异也是巨大的、晴天和阴天不可预计，但是全年的能量是相对平衡的。面对变化的能量，我们可以研究各种方式来控制和储存使用能量。本文中也主要就能量平衡的角度进行分析。从建筑使用的角度来讲，太阳直辐射能够将直射光直接投到室内迸深较深的地方，这样有利于热能在室内的均匀扩散和建筑内部的采光能耗降低。太阳高度角降低，有利于太阳光穿透玻璃，减少损失在反射上的能量而让大部分的能量进入室内。232天津地区采暖期重点日期太阳辐射分析在整个采暖期(1 1月15日来年3月15日)中，我们选取三个重要日期进行考察分析。分别是：冬至日、大寒日和最冷周。最冷周我们取节气中的“三九” 进行分析，07年冬季是2008192008117；08年冬季是200918-2009116。特定日期我们以半个小时为时间单元，每半小时记录一次辐射瞬时值和半小时内的辐射累积值。最冷周以天为单位，考察连续九天的持续情况。2.3 2 1冬至日本节中我们将水平散射面辐射值简称为散辐射，将监测水平总面辐射、南立面垂直面辐射、水平散射面辐射的辐射表称为总辐射表、直辐射表、散辐射表。2007年冬至日在12月22日，天气多云阴天。市区最低温21，市区户外实时温度24，相对湿度65，日均气温34。在阴天没有直射日光的情况下，太阳辐射能以全天空散辐射为主要存在形式。散辐射表的测量值接近于总表，而直表的测量值最低(表21)。0 8年冬季冬至日发生在2007年12月22日，晴朗天气。清晨最低温131 ，为50年来同期最冷的早晨。此天的辐射状况和天津大多数晴天类似，太阳辐射以阳光直射为主要成分。受高度角的影响，直辐射大于总辐射，散辐射明显低于总辐射和直辐射。据笔者观察，天津冬季以两种天气为大多数：第一种是多云或阴天，这种天气气温一般不是很低，无风。然而太阳辐射量很差，辐射热对室内的热贡献不明显。第二种天气是晴天，受北方冷空气影响气温很低，风大。室外主观感受很冷，气温比阴天约低510。太阳辐射状况一般良好，直辐射日积累量一般高于lOMJm，室内能感受到太阳辐射的热感。表22为08年冬季冬至日太阳辐射的极值。全天内的详细变化见图210和图21l。表22 08年冬季各向太阳辐射情况总辐射散辐射直辐射2322大寒日07年冬季大寒日在2008年1月21日，当日最高气温1，最低气温8， 多云转晴。08年冬季大寒日在2009年1月20日，最高气温达到了7左右， 天空以多云为主。两个大寒日主要是多云天气，太阳辐射不是很明显，气温不是最冷。下表为两天的累积值。表23是两个大寒日的累积值辐射详细状况；逐时和累计值的变化见图212至215。、表2-、3 07、08年大寒曰各向太阳辐射情况总辐射累积值散辐射累积值直辐射累积值5 08年冬季大寒日太阳辐射豢积值逐时变化曲线2323最冷周相对于某个特定口期的分析，最冷周的状况更能反映冬季持续的情况。一般来说，最冷周是气温最低的连续几天，也是十地、建筑物等蓄热物整个冬天热能储存最低的时段，因此人们的主观感受是昂冷的。我们选取节气的“三九”连续的九天作为最冷周来研究。分析最冷周的意义在于研究能耗最大的连续九天太阳辐射量值，即最不利情况下的状态。07年和08年冬季室外温度和最玲周室外温度见图2-16至2-17。07年冬季最冷周的太阳辐射情况不如08年冬季，07年冬季直辐射El积累超过10MJI开的天数只有两天，08年最冷周则有7天。最拎周每天的辐射情况见图2一16和图2一19。在这一节，我们只反映太阳辐射的具体情况下一节我们将具体分析某一案例结合太阳辐射的情况来理论模拟太阳辐射在其中的各项贡献。07年冬季最冷周的天气主要以多云天气为主，08年以晴天为主，这两组曲线带有明显的天气影响。07年最冷周总辐射的总辐射累计主要在5-8MJm2之间变化(图2-20)，直辐射与总辐射相似围绕这个值上下波动，在16日的晴天，直辐射可以迅速攀升到17MJra，而总辐射攀升不明显。08年因为是晴天天气，直辐射比总辐射高出5-4iMJnl左右(图2-21)。我们可以得出结论，在不同天气下总辐射相对稳定，直辐射浮动较大；总体而亩直辐射的能量比总辐射要大，晴天直辐射能够高出总辐射一倍左右；天津地区建筑开窗南向比天窗有益，但要注意采用保温窗帘和其他蓄热构造配合。2324结论我们分析了天津市采暖期的整体情况，也着重分析了特定日期的情况。天津的太阳能资源是相当丰富的。08年冬季全天直辐射在8MJm2以上的天数就有81 天，在10MJre以上的天数有66天。整个采暖期太阳辐射有以下特点： (1)太阳辐射受天气影响很大，晴天和阴天辐射量差距很大在25倍。(2)总辐射量相对直辐射稳定，晴天和阴天的总辐射差距一般不超过一倍；直辐射波动最为明显，但其阴天的状况也与总辐射基本持平，晴天辐射量增长很大(3)天津地区南向开窗在冬季的热作用好于水平向天窗。(4)南立面垂直面辐射波动大，在实际的使用中保温窗帘等夜晚保温装置能够发挥巨大的作用(5)散辐射虽然不可忽略，但其辐射主要作用于采光照明而热作用不明显。24典型户型的监测和数据241实验概况2411检测对象的选取甲小区：该住宅小区建成于2006年，外墙围护结构为炉渣空心砌块+挤塑型聚苯板，外窗为中空玻璃断桥保温铝合金窗，是按照65节能规范建设的住宅区。被测试单元板式多层南北通透，朝向正南，南向窗墙比O49且没有其他建筑遮挡。我们采用了总热源法对其进行了最冷月的能耗检测。乙小区：位于天津市南开区建成于2006年，也是符合天津市65节能要求的新建小区。被测单元位于塔式高层25层，南北不通透，朝向正南。我们利用温度自记仪对其主要房间的室温进行观测，时间为整个采暖期。丙小区I位于天津市河西区建成于1998年，按照两步节能要求建成。被测户位于六层到顶，南北通透，朝向正南北。利用温度自记仪对其主要房间的室温进行观测，时间为整个采暖期。2412检测方法和仪器观测方法有两种：总热源法和室温监测。总热源法利用的仪器有热量表和温度自记仪。室温监测所用仪器为温度自记仪。热量表：添瑞祥TRXDN20A， TRXDN25A；温度自记仪：SCQ-01a型。安装方式如图222所示。图222左图为热量表，右圈为温度自记仪2A2甲小区试验结果和分析我们选取甲小区同一栋楼上两套住宅，该楼是一栋6层板式住宅(图223) 被测户位于中间单元，分别是5 0 2室和6 0 2室。5 0 2室是标准的两室户型户型见(图224)6 0 2室是顶层是一栋越层复式住宅，户型见(图225)。测试时间为2008年1月，0口2008年3月15日。2A2I测试过程对该户型的测试意义在于；一方面检测65节能住宅的室内房间温度，一方面通过太阳辐射能的模拟计算得到太阳辐射能对其采暧的贡献值。因此我们的测试包含三部分：(1)通过温度自记仪对房间各室温检测。(2)利用太阳辐射能的数据计算。(3)通过热量表计算测试期间暖气对户内的供热量。502室温度自记仪安放位置：起居室17号主卧室(南向)ll号厕所次卧室(北向)19号厨房一l号计算采暖面积：l叭7I平方米602室温度自记仪安放位置： 起居室珥8号主卧室(南向)2号厨房一15号计算采暖面积：120 03平方米-一r L一502和602基本户型相同，其不同点在于602是顶屋，其热能损失要多。因此我们在每个户型中选取三个房间进行分析，他们是上下对应的有助于比对，分别是502起居室17#、南向卧室ll#、北向卧室I鲥，602起届室48#、南向卧室2#、和厨房15#。我们将选取一个标准晴天和一个阴天来分析从早到晚的变化情况。这两天暖气正常供应。图228 602#室温变化曲线资料来源：作者自绘通过502室可以看出南向卧室温度最高，起居室由于窗户比较大温度较低。在夜间起居室温度和北向卧室几乎一致，在白天7：30分得到太阳辐射以后其温度明显得到升高，而北向卧室也有一定升高。602室卧室温度明显高于起居室， 因为起居室接触楼面有两个散热面，而卧室上面还有一层阁楼因此其温度较高。第二章天津地区冬季太阳辐射能的分析计算南向玻璃块净面积： A502=-Al吣+.+Ai=10019951002 in A602=Al吒十.+A=12258351226 m： 当天太阳辐射量与其所占比例Q502=A502Cq m=12247859810 (式2-11) Q m=10403KW。H=104023610KJ=374472 KJ (式2-12) Q602Cqx=149859043KJ (式2-13) Q a=80KWH=803610KJ=298000KJ (式2-14) 6 502=Q502Q502+Q暖=2465 (式2-15) 6 602=Q602Q602+Q暖-3424 (式2-16) 其中： C一窗(f-j)的太阳辐射修正系数，等于3mm普通玻璃的太阳辐射透过率、污垢遮挡系数和窗(门)综合遮阳系数的乘积。3m m普通玻璃的太阳辐射透过率取值087，污垢遮挡系数取值O90，窗(门)的综合遮阳系数=外遮阳的遮阳系数玻璃的遮阳系数(1窗框比)。计算中窗户面积为各块玻璃面积的和，因此不计入窗框比。C取值为0783。进入502户的太阳辐射能约占暖气供热的l4；进入602户的太阳辐射约占暖气供热的13。根据居住建筑节能监测标准(DB 2912007)，居住建筑室内居住性房间室内温度的逐时值不应低于16，最高不应高于24。502室全天温度高于24，602室白天室温高于24。说明在晴天太阳辐射能的贡献是巨大的，并且如果将室内温度设计值降低的话太阳辐射能所占的比例还能进一步升高。第三章建筑能耗计算和计算机模拟31建筑能耗计算方法本文中所有的计算方法依据民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)(JGJ26-95)、天津市自2007年六月开始实施天津市居住建筑节能设计标准(DB2912007)中的相关内容。311建筑耗热量指标在此标准中，建筑物耗热量指标的计算方法应按下式计算： q=q日丁+qnvF一38 (式31) 其中ql广建筑物耗热量指标(Wre)； q旷一单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量(w盯)； qINr单位建筑面积的空气渗透耗热量(Wm2)； 38一单位建筑面积的建筑物内部得热(包括炊事照明家电和人体散热)，住宅建筑取38Wm2。312围护结构耗热量单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量应按下式计算。m_ q胛=172(ei。KiF)4 (式3-2) f=l 其中172一采暖期室内外平均温差()。2广围护结构传热系数的修正系数，按表(31)采用； K广。围护结构的传热系数【W(m2K)】，对于外墙应取其平均值； Fr围护结构的面积(1112)； A广建筑面积(m2)； 42313空气渗透耗热量由以上的计算方法不难看出，能耗指标的计算主要是三大块的计算，即：围护结构耗热量+空气渗透耗热量一内部热补偿。由此可见，在实际生活中明显感到的太阳辐射热没有计算在内，数值巨大的太阳辐射被忽略掉了。在这种计算方式的基础上，暖通计算也就以此为能耗设计值来进行计算、设计，直至最后的施工建设。在国内建筑设计中一个常见的事实就是，各种计算要考虑建筑材料的质量、使用寿命等因素后进行一定程度的补偿，设计师考虑到国内的建设施工状况更要加大这一部分的比重。这就迸一步加剧了超量供热导致能源浪费的状况，也就不难解释为什么在我们实际测试的几个住户冬季完全不开暖气的情况下，室内热环境仍适宜居住的现象。这也为我们引出一条线索，如果我们长期监测天津地区的太阳辐射量，并将其汇总分析，我们就能得到几个标准年里整个采暖期内进入室内的太阳辐射量， 我们就能得到太阳辐射能在冬季对建筑采暖用能的贡献值，进而对供热设计反馈信息，达到降低建筑物冬季的供热用能的目的。4332建筑物理环境计算机模拟321计算机模拟的发展现状和作用建筑物采暖能耗受到多种因素的制约，首先是建筑本身的各项属性，包括围护结构、冷风渗透，其次是建筑的使用方式和供暖方式，比如人的散热、开窗换气、暖气或空调的使用方式等等。最后，建筑所处的环境变化等因素也不可忽视。建筑节能是2l世纪建筑行业具有革新意义的大事。综合分析和评估最后改良建筑的能耗情况也就成为重中之重，面对建筑节能复杂的影响因素，面对建筑造型的创新、建筑材料的日新月异，像以往单纯依靠人工计算的方式越来越不能满足需求。建筑能耗分析软件的主要目的就是综合建筑的各项因素，模拟建筑物的真实情况，最后得到能耗的准确情况。根据模拟的结果，设计人员根可以进行设计方案的调整和优化。现阶段的模拟软件大多数甚至能够提供优化和调整的方案供设计人员选择。设计效率的提高，这符合我国现阶段建设量巨大的客观情况。322主流模拟软件介绍建筑物理模拟软件经过几十年的发展，根据不同的侧重软件的种类很多，发展成熟的软件也相当得多，比较知名的软件也非常多。与我们的课题有关的主要是建筑能耗模拟，一般需要持续一段时间以动态或静态简化的方式模拟。在此我主要介绍国外的DOE2和国内的清华大学DeST小组的DeST-h。3221 DOE-2 DOE2是美国劳伦斯伯克力国家实验室开发的能耗分析模拟软件，包括负荷计算模块、空气系统模块、机房模块、经济分析模块。它可以提供整幢建筑物每小时的能量消耗分析，用于计算系统运行过程中的能效和总费用，也可以用来分析围护结构(包括屋顶、外墙、外窗、地面、楼板、内墙等)、空调系统，电器设备和照明对能耗的影响。DOE-2的功能非常全面而强大，经过了无数工程的实践检验，是国际上都公认的比较准确的能耗分析软件，并且该软件是免费软件，使用人数和范围非常广泛。DOE2的输入方法为手写编程的形式，要求用户手写输入文件，输入文件必须满足其规定的格式，并且有关键字的要求。DOE2输入、输出文件格式均为英文，且格式要求比较严格，对于中国用户来说不易上手。但DOE2有大量的资料库和研究文献，用户可以通过学习比较详细的了解运用。目前还有很多基于DOE2上开发的软件，比如VisualDOE、eQUEST、PowerDOE等。3222 DeS。r 住宅建筑热环境模拟工具包(简称“DeST-h”)为国家自然科学基金重点项目“住区微气候工程热物理问题研究”编号59836250的子课题，是在清华大学建筑环境与设备研究所十余年的科研成果的基础上，由清华大学建筑技术科学系研制开发的面向住宅类建筑的设计、性能预测及评估并集成于AutoCAD R14上的辅助设计计算软件。DeST-h主要用于住宅建筑热特性的影响因素分析、住宅建筑热特性指标的计算、住宅建筑的全年动态负荷计算、住宅室温计算、末端设备系统经济性分析等领域。DeST-h采用状态空间法求解不稳定传热方程组，在此基础上分析建筑动态热特性，计算住宅建筑的空调能耗，客观全面地反映住宅建筑的热状况。DeST-h是国内唯一可以对建筑物及其空调供暖系统进行全年逐时模拟分析的软件。DeSTh是世界上第一个专门用于住宅类建筑能耗模拟分析的软件。商业建筑相比，住宅类建筑的房间功能形式较为简单，一般有起居室、卧室、厨房、洗手间等几种，所以在DeSTh中，用房间功能类型来定义房间内扰和系统参数，将房间的人员、灯光和设备热扰都固定于房间类型上，这样大大降低了房间内扰设定的工作量。强大的构件库为建筑构件提供了更多的选择，开放式的结构允许用户自由定义新的构件。在DeSTh中，综合考虑了遮阳、通风、天空背景辐射等因素，使得住宅类建筑的模拟计算更符合实际情况，反映被模拟筑的真实能耗状况。DOE2、EnergPlus、VisualDOE、eQUEST、PowerDOE、DeST这些软件的计算方法一般都是基于动态的环境；为了保证计算结果的准确度，软件大多都需要室外逐时的气缘数据或典型气象年数据，而且需要尽可能详细的体型描述数据及相应的热工性能数据。323模拟软件的选侧考虑到模拟建筑的客观情况和软