热湿气候区超低能耗海岛建筑热工设计.docx

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热湿气候区超低能耗海岛建筑热工设计

在我国热湿地区海域约250万平方公里的海洋国土上,散布着数百个岛礁。

随着我国渔业和旅游业的快速发展,国防安全的加强,热湿地区海岛开发建设已成为国家重大战略需求。

该地区位于北纬4°~17°之间,常年空气温度和相对湿度偏高,空气温度的月平均值和年平均值在25 ℃以上,年平均相对湿度超过80%,太阳辐射资源属于二类地区,按照建筑气候区划原则,被视为极端热湿气候区。

 因此,无论是民用还是军用建筑,在自然通风运行工况下,室内热环境指标无法达到人体基本热舒适需求,全年均需要空调降温,能源消耗巨大。

而海岛远离大陆,常规能源供给极为困难。

因此,研究发展适应于极端热湿气候条件的超低能耗建筑,建立相应的设计原理和方法,成为热湿地区海岛建设之亟需。

01

热湿地区海岛超低能耗建筑的“逆向设计”技术路线

超低能耗建筑实现的技术路线包括三个环节:

首先是创作设计与地域气候相适应的建筑方案,然后按相关标准规范要求选择高效的建筑用能设备,最后，在有条件的情况下，设置可再生能源替代系统作为补充，实现建筑运行能耗超低甚至零能耗，如图1所示。

图1 常规超低能耗建筑技术路线

Fig.1Conventionalultra-lowenergyconsumptionbuildingtechnologyroute

在极端热湿气候区的海岛上,没有常规电力系统，生活用电能靠柴油发电解决。

实现超低空调能耗甚至零（常规）能耗，唯一的途径是光伏利用太阳能，因此，图1所示的超低能耗建筑技术路线应该转变成图2。

图2 热湿地区海岛超低能耗建筑技术路线

Fig.2Technicalrouteofultra-lowenergyconsumptionbuildingsonislandsinhotandhumidareas

在正常天气条件下，即当实际气象工况与该地区累年气象参数统计平均较为吻合的情况下，建筑室内热环境调节由太阳能光伏制冷空调系统提供。

当出现异常气象条件、光伏系统无法完成正常供冷量时，方可启动柴油发电驱动系统作为补充。

热湿地区海岛太阳辐射资源丰富且月平均分布差异较小，为利用太阳能光伏降温提供了便利条件，见表1。

表1南海两地日均太阳总辐射

Table1DailyaveragetotalsolarradiationintheSouthChinaSea

为此,本文提出“逆向设计”的超低能耗建筑技术思路:

首先依据太阳辐射参数和光伏产品性能,确定能够为建筑物提供的“制冷量”;然后依据累年气象参数,确定“保证率最高”的建筑物最大空调负荷；进而依据所在地气象参数,将空调负荷恰当地分担到建筑围护结构的各个部分;最后确定围护结构的热工性能指标,包括传热系数和构造层次等,见图3。

图3 “逆向设计”技术路线框图

Fig.3 Technicalroadmapof“reversedesign”

02

热湿地区海岛建筑太阳能供冷量与冷负荷限值

建筑单位面积能够获得的太阳能供冷量,取决于以下几个因素:

1）太阳辐射总量与光伏转化效率。

以表1给出的南海珊瑚岛1988—2017年间累年水平面太阳辐射参数为例:

南海珊瑚岛全年太阳辐射的日平均值为210.0W/m2,12月份为最低值157.3W/m2,远大于北京、西安。

光伏电池系统实际运行效率往往达不到电池组件的装机效率。

目前市场上性能稳定的光伏产品实际转换效率多在10%~14%之间,设计计算中选取10%时,有较高保证率。

2）直流压缩机的制冷效率。

如果采用交流驱动制冷压缩机,会产生较大的电流损失。

 依据GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》,选择COP为3.0的光伏直流制冷模块。

3）光伏板面积与供冷负担建筑面积比。

仅仅依靠在建筑屋顶及建筑外立面上的光伏系统提供制冷动力,可实现热湿地区海岛超低空调运行能耗。

热湿地区海岛台风暴雨频率较高,在不考虑外立面安装光伏板的前提下,本文仅考虑在屋顶设置光伏板一种情况。

定义f 为光伏电池板面积Fgf与屋面面积Fwm之比:

（1）

以n代表建筑的层数,可得到光伏板面积与供冷系统负担的建筑面积比Fn为:

（2）

得到热湿地区海岛建筑单位面积能够获得的平均供冷量Lm2为:

（3）

式中:

Ilow为所在岛礁太阳辐射最低月的日平均值;cse为光伏电池的转换效率;COP为直流压缩制冷机的效率。

以南海珊瑚岛12月的日均最低值157.3W/m2为例,若光伏转换率取值为10%,直流型模块化光伏空调设备系统COP取值为3.0。

当建筑物为4层、f取值为0.7时，Fn值为5.7,单位建筑面积可得到的供冷量由式（3）计算得出为8.3W/m2。

其物理意义是:

只要建筑室内需要排除的热量不超过8.3W/m2,即可全部使用光伏系统解决室内热环境调节问题。

在实际工程中,光伏系统会出现逐年衰减现象,故在围护结构热工设计时的参考供冷量基准按80%计算,即6.6W/m2,保证率较高。

03

空调负荷分摊比例与防热设计原则

空调运行负荷由三部分构成:

一是通过建筑围护结构传热,包括外墙、屋顶、门窗传热、空气渗透等室内外显热交换以及室内人为散热产生的负荷。

二是通过轻质透明部件的太阳辐射得热产生的负荷。

如果建筑设计中采取了良好的遮阳设施,太阳辐射形成的负荷有可能近似为零。

三是空调系统运行时自身消耗的能量产生的负荷,但这部分负荷通常在确定COP时已经加以考虑。

因此,空调负荷的分摊比例,实际上只需考虑围护结构传热、空气渗透和室内人为散热形成的负荷。

GB50352—2019《民用建筑统一设计标准》和GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》等标准中的“建筑遮阳”概念,往往泛指建筑门窗上的固定遮阳设施、玻璃贴膜遮阳等措施,以降低太阳直射辐射以及散射、反射辐射进入室内。

对于外墙等重质构造,相关规范和标准均建议采用隔热措施,包括设置内外墙面隔热层、夹心隔热层等。

实际运行当中,建筑围护结构外表面受到太阳辐射和室外空气的联合热作用,通常用“室外综合温度”表达:

（4）

式中：

Tsa为室外综合温度;Tsun 为太阳辐射当量温度；Ta为室外空气温度;I为围护结构外表面法线方向的太阳总辐射强度；ρ、αo分别为太阳总辐射吸收系数和围护结构外表面换热系数。

当太阳总辐射峰值为600W/m2,ρ取0.9，αo取20W/（m2·℃）时,Tsun 值达到27℃,而室内外空气温度差值则在10℃左右。

因而得到热湿地区海岛超低能耗建筑的设计原则为:

建筑物各个朝向的立面,不论是轻质透明结构（门、窗、幕墙等）,还是非透明的外墙和屋面,都必须进行遮阳设计。

当遵循了上述设计原则后,空调运行负荷仅剩下室内外温差引起的围护结构传热、空气渗透换热和室内人为产热形成的负荷。

04

超低能耗建筑“逆向设计”准则条件

热湿地区海岛上的一栋建筑,要实现超低空调运行能耗,其建筑围护结构传热形成的空调负荷,必须满足如下条件:

（5）

上式的物理意义是:

建筑物在室外气象条件热作用下,外墙、窗户、屋面等围护结构产生的空调负荷CL,应小于或等于屋顶太阳能电池驱动的直流压缩机系统为室内提供的全部供冷量Lall。

在稳态平衡状态下,当CL与Lall相等时,上述条件式演化成为:

（6）

式中:

Kwq、Kwm、Kch分别为外墙传热系数、屋面传热系数、窗户传热系数； Fwq 、Fwm 、Fch分别为外墙总面积、屋面面积、窗户面积；Twp、Tn分别为室外设计温度、室内设计计算温度；Fall为总建筑面积；Ilow为最低月太阳辐射日平均值。

（Kwq Fwq+KwmFwm+Kch Fch）（Twp-Tn）为外墙、屋面和窗户传热形成的冷负荷；Cren为人为产热,即室内人员、照明及电气设备形成的冷负荷；CCL为空气渗透形成的冷负荷。

式（6）中,建筑物所在的岛礁确定,Twp 、Tn、Ilow三个参数即已确定。

光伏电池转换效率cse和直流压缩制冷机的效率COP大小取决于设备性能。

将室内人为产热和空气渗透换热产生的负荷取为定值时,式（6）演变为:

（7）

对于特定的岛礁建筑,等式右边为定值,“逆向设计”的关键步骤为如何将供冷量“分摊”在外墙、屋面和窗户上。

05

围护结构传热系数确定方法

1）首先讨论围护结构外表面积与建筑面积的比例关系。

对于各层层高相同、形体较为规整的普通多层住宅和办公建筑,其围护结构外表面积与建筑面积的比率大致分布在一个区间内。

 依据国家标准GB50096—2011《住宅设计规范》和JGJ67—2006《办公建筑设计规范》中对室内空间和净空高度的规定,单层建筑层高（含楼板及抹灰层）的取值在2.8~3.2m之间。

这是因为住宅和办公建筑的功能空间都较小,俗称“小空间”建筑。

建筑的整体形状通常可视作为“长方体”。

选择热湿地区海岛一栋已建成的长方体建筑,其总建筑面积Fall为:

（8）

式中：

a、b分别为建筑长和宽;n为建筑层数。

其建筑外表面积（含屋面）为：

（9）

式中：

c为单层层高。

建筑外表面积与建筑总面积的比值为:

（10）

当建筑进深a=12m,宽度b=24m,层高c=3m时,

Φ=1.0。

 当进深加大到15m、宽度增加到30m

时,Φ =0.625,即进深越大,外表面积越小。

为简单起见,取建筑总面积与建筑外表面积相等,即Φ值为1,与热湿地区海岛建筑实际情况基本相符。

2）其次确定外墙、屋顶等重质围护结构和窗户等轻质结构传热总量的比例关系。

窗户面积一般占外围护结构总面积比例较小,但窗户传热系数较大,而外墙和屋面的传热系数可以较小,但面积则比窗户等轻质结构相对较大。

文献[12]介绍了1栋6层住宅围护结构传热占比情况,其中外墙等实体结构占比51%,外门窗传热和空气渗透占比49%。

对于夏热冬暖地区的相关研究亦表明,重质围护结构能耗量占围护结构总能耗的50%左右。

基于上述结果,将超低能耗建筑的分担比例确定为窗户等轻质围护结构部分承担约50%,而外墙等重质围护结构部分承担另外的50%,工程上易于实现。

3）最后讨论超低能耗建筑围护结构传热系数确定方法。

给出普遍意义上的超低能耗建筑围护结构传热系数设计计算式,较为困难,工程上亦无必要。

以南海珊瑚岛1栋4层办公建筑为例进行分析:

取珊瑚岛最低月太阳辐射日平均值Ilow为157.3W/m2，太阳光伏转换率cse为10%,直流制冷系统的制冷效率COP 为3.0,屋面可安装光伏板的面积比为0.7。

建筑层数为4时,每平方米光伏板需要分担的面积系数F4=5.7,珊瑚岛室外设计计算温度取为34℃,室内设计计算温度取为26℃。

单位建筑面积室内人员和设备散热形成的冷负荷Cren取5.0,单位建筑面积空气渗透冷负荷CCL取2.2。

将已确定参数代入式（7）中，得到:

（11）

（12）

该式表明,外墙、屋面和窗户的传热系数取值范围较大,只要满足式（12）即可。

假设外墙传热系数取上限值0.8,屋面传热系数亦取上限值0.6，墙地比取0.7，窗地比取0.3，代入式（12）,得到窗户传热系数的上限值为:

Kch=10.5W/（m2·K）。

其物理含义为,只要南海珊瑚岛的1栋4层建筑的窗户传热系数小于10.5W/（m2·K），就可实现超低空调运行能耗目标。

显然,限定值范围宽泛,亦即以太阳能光伏制冷为主的超低能耗建筑在热湿地区海岛易于实现。

06

结束语

本文介绍了在热湿地区海岛设计建造以太阳能光伏驱动空调系统为主的超低能耗建筑的基本思路、“逆向设计”技术路线和设计计算方法,给出了热湿地区海岛超低能耗建筑防热设计的原则和超低空调运行能耗实现的“准则”,并以1栋常见的4层办公建筑为例进行了演算。

此设计方法已应用于热湿地区多个岛礁建设中，并取得了预期效果，为未来岛礁超低能耗建筑设计提供了技术指导。

然而该方法仅适用于南海岛礁地区太阳辐射、气候参数、岛礁环境与材料等特定的情况下。

如需扩大至更广泛的地域范围，该设计方法还需要重新进行更深入的理论分析和试验研究，才能形成完整的超低能耗（近零能耗）建筑热工设计方法。