稳态计算方法计算建筑耗热量指标中问题
清华学 建筑节研究中心 燕达张野刘烨李婷吴宏
摘 标准[1]出计算建筑耗热量指标稳态算法包括通围护结构传热耗热量空气渗透耗热量建筑部热三方面中围护结构传热耗热量项计算复杂结果影响重计算关键文稳态算法中围护结构传热耗热量计算影响素进行分析探讨面传热量计算太阳辐射热量计算围护结构传热系数计算三问题通拟算法问题影响研究稳态算法计算建筑耗热量指标应性
关键字 稳态算法围护结构传热耗热量
1 前言
建筑耗热量指标评价建筑耗水重指标标准[1]中通建筑耗热量指标稳态算法〔简称稳态算法〕计算1980~1981年通设计住宅建筑耗热量指标确定节前建筑耗基准水样通标准稳态算法计算设计建筑耗热量指标基准水评价设计建筑否达预定节目标见稳态算法计算准确性设计建筑否真正实现定节目标关键正确评价建筑采暖耗水关键
稳态算法中建筑耗热量指标围护结构传热耗热量空气渗透耗热量建筑部热量三指标确定中围护结构传热耗热量计算复杂结果影响重文稳态方法中影响围护结构传热耗热量素进行分析通建筑算例计算探讨面传热量计算太阳辐射热量计算围护结构传热系数计算三问题研究稳态算法计算准确性
2 面传热计算
面传热量三种常见计算方法：基外温面均传热系数法基温面均传热系数法基外温面划分带计算法
基外温面均传热系数法采室外空气温度差利面传热系数修正考虑面通土壤室外空气换热热阻基温面均传热系数法考虑室面通土壤室外空气换热直接采室温度室外温差进行计算基外温面划分带计算法考虑室热量通面传室外路程长短热阻相应室面划分带采传热系数进行计算
基外温面划分带计算法采传热系数考虑距离外墙远导致土壤传热热阻综合传热系数拟反映面传热实际状况应该选算法
基外温面均传热系数法计算建筑耗热量时单位面积面传热耗热量：
(21)
式中：Q1 — 单位面积面传热耗热量kWh(m2·a)
εf — 面传热系数修正系数取06
Kf — 面均传热系数W(m2·K)
N — 供暖期时数h
tout — 室外空气温度℃
tin — 室控制温度℃
基温面均传热系数法计算建筑耗热量时具体计算方法：
(23)
式中：tg — 供暖期均温℃
符号前
采基外温面划分带计算法时工程般采似方法计算面外墙行方分成四计算带应带取传热系数进行计算 [2]单位面积面传热耗热量计算公式：
(22)
式中：A — 面总面积m2
Am — 带面面积m2
Km — 带面传热系数W(m2·K)
符号前
北京区例参考北京典型年逐时气象数tout 取016℃tin 取18℃供暖期122天N 24×1222928h建立面面积52m×10m建筑模型面传热系数Kf 408 W(m2·K)根三种方法计算单位面积面传热耗热量表21：
表21 基三种方法面传热耗热量计算
基外温面
均传热系数法
基温面
均传热系数法
基外温面
划分带计算法
单位面积面传热耗热量kWhm2•a
130
101
18
图21 基三种方法面传热耗热量拟
根结果出三种算法结果相差甚远前两种算法中面传热系数取值直接决定计算结果取值考虑土壤热阻仅考虑面构造做法热阻时计算结果显然偏时算法二没表达面通土壤室外空气换热进深面影响
3 太阳辐射热量计算
文献[1]中单位建筑面积通围护结构传热耗热量式计算：
(31)
式中：Q2 — 单位建筑面积通围护结构传热耗热量kWh(m2·a)
εi — 围护结构传热系数修正系数
Kni — 围护结构均传热系数W(m2·K)
Fi — 围护额结构面积 m2
A0 — 建筑面积m2
N — 供暖期时数h
tout — 室外空气温度℃
tin — 室控制温度℃
式中通围护结构传热系数修正系数表达太阳辐射热量建筑耗热量影响节通算例应逐时气象数模拟计算方法检验稳态算法中修正系数法准确性
式(31)中修正系数ε分文献[1]取值全部取1计算两种取值算例围护结构耗热量差稳态算法中太阳辐射热量修正
算例应动态模拟软件计算供暖期建筑耗热量模型参数气象数外稳态算法取值致分气象参数中太阳辐射参数太阳辐射数全部取零情况计算两种工况建筑耗热量差太阳辐射热量
采建筑环境模拟软件DeST建立建筑模型北京西安乌鲁木齐三区进行计算建筑五层层高28m建筑外墙37砖墙外窗双层塑钢窗外围护结构具体参数见表31：
模型面图示：
图31 建筑模型面图
表31 建筑模型外围护结构参数
围护结构类型
传热系数W(m²·K)
面积m2
修正系数
北京
西安
乌鲁木齐
屋顶
1786
520
091
094
095
南外窗
31
4004
018
028
034
北外窗
31
1493
076
073
086
东外窗
31
84
057
060
059
西外窗
31
84
057
060
059
南外墙
127
3276
070
079
076
北外墙
127
5787
092
091
095
东外墙
127
1316
086
088
085
西外墙
127
1316
086
088
085
根建筑参数分利围护结构传热系数修正系数法根逐时气象数两种方法计算北京西安乌鲁木齐三区供暖期太阳辐射热量表32
表32 太阳辐射热量计算结果
围护结构传热系数修正系数法
动态模拟法
太阳辐射热量
kWhm2•a
北京
29
35
西安
20
17
乌鲁木齐
41
32
图32 太阳辐射热量拟
计算结果出采逐时气象数法计算太阳辐射热量相北京区采围护结构传热系数修正系数法计算太阳辐射热量偏西安乌鲁木齐计算数值偏说明目前应广泛围护结构传热修正系数太阳辐射热考虑定误差
4 围护结构传热系数计算
稳态算法中围护结构传热系数计算结果直接影响围护结构外表室换热两局部组成：空气流换热室外表长波辐射换热通常建筑热工计算中围护结构外表综合换热系数αn简化计算述两局部热量文献[3]αn通常取87 Wm2·K数般供热负荷计算建筑热工分析〔利工况〕稳态算法中取αn 87 Wm2·K计算供热期耗热量否准确研究节应动态模拟软件围护结构外表流换热长波辐射换热分开处理外表综合传热系数法计算结果分析准确性文献[4]介绍设定墙屋顶楼外表流换热系数分35Wm2·K1 Wm2·K4 Wm2·K
然选第3节中北京区算例室外干球温度太阳辐射采逐时气象参数分利两种方法建筑模型进行计算供热期耗热量表41：
表41 北京区建筑采暖季耗热量拟
外表综合传热系数法
单独计算室长波辐射法
单位面积建筑耗热量kWhm2•a
53
34
图41 北京区建筑采暖季耗热量拟
表采外表综合传热系数法计算单位面积建筑耗热量53kWhm2•a分考虑室流长波辐射换热法建筑耗热量仅34kWhm2•a二者相差达50见正确处理围护结构外表换热模型结果影响通常应计算利工况〔负荷计算防结露分析热工计算等〕外表等效传热系数值应供热期累计耗热量计算时引起较误差应予重视通校核计算墙体外表综合传热系数取42Wm2·K楼板〔楼〕综合传热系数取48Wm2·K楼板〔屋顶〕综合传热系数取12Wm2·K时采外表综合传热系数法计算建筑耗误差较
5 三种素综合考虑
综合考虑面传热量计算太阳辐射热量计算围护结构传热系数计算三素建筑负荷影响选第3节中北京区算例分两工况采计算方法该建筑采暖季耗热量进行计算工况采计算方法表51：
表51 工况计算方法拟
计算素
工况1
工况2
面传热计算
基外温面均传热系数法
基外温面划分带计算法
太阳辐射热量计算
围护结构传热系数修正系数法
动态模拟法
围护结构传热系数计算
外表综合传热系数法
单独计算室长波辐射法
计算该建筑北京区采暖季耗热量表52：
表52 北京区建筑采暖季耗热量拟
工况1
工况2
单位面积建筑耗热量kWhm2•a
84
34
图51 北京区建筑采暖季耗热量拟
计算出：采工况1方法计算建筑耗热量约工况225倍两种工况计算结果差异较见时考虑面传热量太阳辐射热量围护结构传热系数三方面时计算方法结果影响
6 总结
1进行面传热量计算时采三种算法结果相差甚远基外温基温面均传热系数法中面传热系数取值直接决定计算结果取值考虑土壤热阻仅考虑面构造做法热阻时计算结果显然偏时基温面均传热系数法没表达面通土壤室外空气换热进深面影响
2采围护结构传热系数修正系数法计算太阳辐射热量时北京区计算结果采逐时气象数法计算数值相偏西安乌鲁木齐计算数值偏说明目前应广泛围护结构传热修正系数太阳辐射热考虑定误差
3采外表综合传热系数法计算单位面积建筑耗热量分考虑室流长波辐射换热法耗热量相二者相差较见否正确处理围护结构外表换热模型结果影响通常应计算利工况〔负荷计算防结露分析热工计算等〕外表等效传热系数值应供热期累计耗热量计算时引起较误差应予重视
4时考虑面传热量太阳辐射热量围护结构传热系数三方面时采计算方法结果相差较第5节算例中采基外温面均传热系数法围护结构传热系数修正系数法外表综合传热系数法计算结果采基外温面划分带计算法利逐时气象数动态模拟法单独计算室长波辐射法25倍见方法结果影响
参考文献：
[1] JGJ 2695 民建筑节设计标准〔采暖居住建筑局部〕
[2] 贺孙刚 供热工程[M] 第三版 北京：中国建筑工业出版社1993：9 ~ 15
[3] 陆耀庆 实供热空调设计手册〔册〕[M] 第二版 北京：中国建筑工业出版社2021：230
[4] 章熙民泽霈梅飞鸣 传热学[M] 第五版 北京：中国建筑工业出版社2007：169177
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清华学 建筑节研究中心 燕达张野刘烨李婷吴宏
摘 标准[1]出计算建筑耗热量指标稳态算法包括通围护结构传热耗热量空气渗透耗热量建筑部热三方面中围护结构传热耗热量项计算复杂结果影响重计算关键文稳态算法中围护结构传热耗热量计算影响素进行分析探讨面传热量计算太阳辐射热量计算围护结构传热系数计算三问题通拟算法问题影响研究稳态算法计算建筑耗热量指标应性
关键字 稳态算法围护结构传热耗热量
1 前言
建筑耗热量指标评价建筑耗水重指标标准[1]中通建筑耗热量指标稳态算法〔简称稳态算法〕计算1980~1981年通设计住宅建筑耗热量指标确定节前建筑耗基准水样通标准稳态算法计算设计建筑耗热量指标基准水评价设计建筑否达预定节目标见稳态算法计算准确性设计建筑否真正实现定节目标关键正确评价建筑采暖耗水关键
稳态算法中建筑耗热量指标围护结构传热耗热量空气渗透耗热量建筑部热量三指标确定中围护结构传热耗热量计算复杂结果影响重文稳态方法中影响围护结构传热耗热量素进行分析通建筑算例计算探讨面传热量计算太阳辐射热量计算围护结构传热系数计算三问题研究稳态算法计算准确性
2 面传热计算
面传热量三种常见计算方法：基外温面均传热系数法基温面均传热系数法基外温面划分带计算法
基外温面均传热系数法采室外空气温度差利面传热系数修正考虑面通土壤室外空气换热热阻基温面均传热系数法考虑室面通土壤室外空气换热直接采室温度室外温差进行计算基外温面划分带计算法考虑室热量通面传室外路程长短热阻相应室面划分带采传热系数进行计算
基外温面划分带计算法采传热系数考虑距离外墙远导致土壤传热热阻综合传热系数拟反映面传热实际状况应该选算法
基外温面均传热系数法计算建筑耗热量时单位面积面传热耗热量：
(21)
式中：Q1 — 单位面积面传热耗热量kWh(m2·a)
εf — 面传热系数修正系数取06
Kf — 面均传热系数W(m2·K)
N — 供暖期时数h
tout — 室外空气温度℃
tin — 室控制温度℃
基温面均传热系数法计算建筑耗热量时具体计算方法：
(23)
式中：tg — 供暖期均温℃
符号前
采基外温面划分带计算法时工程般采似方法计算面外墙行方分成四计算带应带取传热系数进行计算 [2]单位面积面传热耗热量计算公式：
(22)
式中：A — 面总面积m2
Am — 带面面积m2
Km — 带面传热系数W(m2·K)
符号前
北京区例参考北京典型年逐时气象数tout 取016℃tin 取18℃供暖期122天N 24×1222928h建立面面积52m×10m建筑模型面传热系数Kf 408 W(m2·K)根三种方法计算单位面积面传热耗热量表21：
表21 基三种方法面传热耗热量计算
基外温面
均传热系数法
基温面
均传热系数法
基外温面
划分带计算法
单位面积面传热耗热量kWhm2•a
130
101
18
图21 基三种方法面传热耗热量拟
根结果出三种算法结果相差甚远前两种算法中面传热系数取值直接决定计算结果取值考虑土壤热阻仅考虑面构造做法热阻时计算结果显然偏时算法二没表达面通土壤室外空气换热进深面影响
3 太阳辐射热量计算
文献[1]中单位建筑面积通围护结构传热耗热量式计算：
(31)
式中：Q2 — 单位建筑面积通围护结构传热耗热量kWh(m2·a)
εi — 围护结构传热系数修正系数
Kni — 围护结构均传热系数W(m2·K)
Fi — 围护额结构面积 m2
A0 — 建筑面积m2
N — 供暖期时数h
tout — 室外空气温度℃
tin — 室控制温度℃
式中通围护结构传热系数修正系数表达太阳辐射热量建筑耗热量影响节通算例应逐时气象数模拟计算方法检验稳态算法中修正系数法准确性
式(31)中修正系数ε分文献[1]取值全部取1计算两种取值算例围护结构耗热量差稳态算法中太阳辐射热量修正
算例应动态模拟软件计算供暖期建筑耗热量模型参数气象数外稳态算法取值致分气象参数中太阳辐射参数太阳辐射数全部取零情况计算两种工况建筑耗热量差太阳辐射热量
采建筑环境模拟软件DeST建立建筑模型北京西安乌鲁木齐三区进行计算建筑五层层高28m建筑外墙37砖墙外窗双层塑钢窗外围护结构具体参数见表31：
模型面图示：
图31 建筑模型面图
表31 建筑模型外围护结构参数
围护结构类型
传热系数W(m²·K)
面积m2
修正系数
北京
西安
乌鲁木齐
屋顶
1786
520
091
094
095
南外窗
31
4004
018
028
034
北外窗
31
1493
076
073
086
东外窗
31
84
057
060
059
西外窗
31
84
057
060
059
南外墙
127
3276
070
079
076
北外墙
127
5787
092
091
095
东外墙
127
1316
086
088
085
西外墙
127
1316
086
088
085
根建筑参数分利围护结构传热系数修正系数法根逐时气象数两种方法计算北京西安乌鲁木齐三区供暖期太阳辐射热量表32
表32 太阳辐射热量计算结果
围护结构传热系数修正系数法
动态模拟法
太阳辐射热量
kWhm2•a
北京
29
35
西安
20
17
乌鲁木齐
41
32
图32 太阳辐射热量拟
计算结果出采逐时气象数法计算太阳辐射热量相北京区采围护结构传热系数修正系数法计算太阳辐射热量偏西安乌鲁木齐计算数值偏说明目前应广泛围护结构传热修正系数太阳辐射热考虑定误差
4 围护结构传热系数计算
稳态算法中围护结构传热系数计算结果直接影响围护结构外表室换热两局部组成：空气流换热室外表长波辐射换热通常建筑热工计算中围护结构外表综合换热系数αn简化计算述两局部热量文献[3]αn通常取87 Wm2·K数般供热负荷计算建筑热工分析〔利工况〕稳态算法中取αn 87 Wm2·K计算供热期耗热量否准确研究节应动态模拟软件围护结构外表流换热长波辐射换热分开处理外表综合传热系数法计算结果分析准确性文献[4]介绍设定墙屋顶楼外表流换热系数分35Wm2·K1 Wm2·K4 Wm2·K
然选第3节中北京区算例室外干球温度太阳辐射采逐时气象参数分利两种方法建筑模型进行计算供热期耗热量表41：
表41 北京区建筑采暖季耗热量拟
外表综合传热系数法
单独计算室长波辐射法
单位面积建筑耗热量kWhm2•a
53
34
图41 北京区建筑采暖季耗热量拟
表采外表综合传热系数法计算单位面积建筑耗热量53kWhm2•a分考虑室流长波辐射换热法建筑耗热量仅34kWhm2•a二者相差达50见正确处理围护结构外表换热模型结果影响通常应计算利工况〔负荷计算防结露分析热工计算等〕外表等效传热系数值应供热期累计耗热量计算时引起较误差应予重视通校核计算墙体外表综合传热系数取42Wm2·K楼板〔楼〕综合传热系数取48Wm2·K楼板〔屋顶〕综合传热系数取12Wm2·K时采外表综合传热系数法计算建筑耗误差较
5 三种素综合考虑
综合考虑面传热量计算太阳辐射热量计算围护结构传热系数计算三素建筑负荷影响选第3节中北京区算例分两工况采计算方法该建筑采暖季耗热量进行计算工况采计算方法表51：
表51 工况计算方法拟
计算素
工况1
工况2
面传热计算
基外温面均传热系数法
基外温面划分带计算法
太阳辐射热量计算
围护结构传热系数修正系数法
动态模拟法
围护结构传热系数计算
外表综合传热系数法
单独计算室长波辐射法
计算该建筑北京区采暖季耗热量表52：
表52 北京区建筑采暖季耗热量拟
工况1
工况2
单位面积建筑耗热量kWhm2•a
84
34
图51 北京区建筑采暖季耗热量拟
计算出：采工况1方法计算建筑耗热量约工况225倍两种工况计算结果差异较见时考虑面传热量太阳辐射热量围护结构传热系数三方面时计算方法结果影响
6 总结
1进行面传热量计算时采三种算法结果相差甚远基外温基温面均传热系数法中面传热系数取值直接决定计算结果取值考虑土壤热阻仅考虑面构造做法热阻时计算结果显然偏时基温面均传热系数法没表达面通土壤室外空气换热进深面影响
2采围护结构传热系数修正系数法计算太阳辐射热量时北京区计算结果采逐时气象数法计算数值相偏西安乌鲁木齐计算数值偏说明目前应广泛围护结构传热修正系数太阳辐射热考虑定误差
3采外表综合传热系数法计算单位面积建筑耗热量分考虑室流长波辐射换热法耗热量相二者相差较见否正确处理围护结构外表换热模型结果影响通常应计算利工况〔负荷计算防结露分析热工计算等〕外表等效传热系数值应供热期累计耗热量计算时引起较误差应予重视
4时考虑面传热量太阳辐射热量围护结构传热系数三方面时采计算方法结果相差较第5节算例中采基外温面均传热系数法围护结构传热系数修正系数法外表综合传热系数法计算结果采基外温面划分带计算法利逐时气象数动态模拟法单独计算室长波辐射法25倍见方法结果影响
参考文献：
[1] JGJ 2695 民建筑节设计标准〔采暖居住建筑局部〕
[2] 贺孙刚 供热工程[M] 第三版 北京：中国建筑工业出版社1993：9 ~ 15
[3] 陆耀庆 实供热空调设计手册〔册〕[M] 第二版 北京：中国建筑工业出版社2021：230
[4] 章熙民泽霈梅飞鸣 传热学[M] 第五版 北京：中国建筑工业出版社2007：169177
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