外围护结构对空调负荷影响的模拟计算东南大学能源与环境学院蒋云峰摘要：围护结构的性能对建筑节能有着重要的影响。
本文首先分析了夏热冬冷地区的建筑热作用和能耗构成，然后利用Ecotect软件模拟了建筑外墙、建筑外窗等围护结构对空调负荷的影响，量化各围结构的节能效果，并对模拟结果进行了分析比较。
关键词:节能; 围护结构; 负荷模拟The Simulation Study of The Impact Of Building EnvelopePerformance To Air conditionin g’s LoadingAbstract: The building envelope performance plays a big role in building energy saving. The building’s thermal process and energy structure is analyzed in this paper firstly. Then the software of Ecotect is used to simulate the impact of the exte rnal walls, windows to the air conditioning’s loading. The different building envelope’s effect of energy saving is quantified and the results are also analyzed and compared.Keywords: energy saving; resistance of envelope; loading simulation1 前言我国夏热冬冷地区面积约180 万平方公里，人口5.5亿左右，国内生产总值约占全国的48 %，是我国人口最密集、经济文化较为发达的地区。
该地区的气候特征表现为夏季闷热，7月平均气温为25 ℃～30 ℃，日平均气温稳定等于或大于25 ℃的日数为40天～110天；冬季湿冷，1月平均气温为0℃～10℃，年日平均气温低于或等于5 ℃的日数为0天～90 天，冬季寒潮可造成剧烈降温，极端最低气温大多可降至-10 ℃以下；气温年较差在19 ℃～27 ℃之间，气温日较差小于6 ℃～11 ℃，年降水量大，日照偏少，年日照时数为1000 h～2400 h，年平均相对湿度为70%～80 %[1]。
围护结构是建筑物构成的主体，由外围护结构和内围护结构两部分组成。
外围护结构包括了外墙、外门窗、屋面和地面四个部分，其作用是使室内受到遮护，可以尽可能少地受室外气候变化的影响。
内围护结构包括了内墙、楼面、内门窗三部分，其作用主要是为了构建和分配室内空间，以适应不同的功能需求。
从建筑节能的概念上来讲主要关注的是外围护结构的节能。
利用计算机进行建筑能耗理论研究和模拟分析，在计算模型建立合理的前提下，有诸多优点，归纳为以下几个方面：①合理利用建筑资源，节约能源，缩短实验周期，保护环境。
②可对建筑围护结构进行传热负荷预测、分析测评和经济性分析。
③暖通空调系统运行性能模拟和预测的结果可以作为设计参考[2]。
围护结构材料的选用对于空调负荷有较大的影响，因此，屋顶、窗户、墙壁等外围护结构采用何种材料才能达到较好的节能效果是建筑围护结构设计必须要考虑的问题之一。
如果直接采用实体模型来进行试验可能会耗费较多的材料与时间，因此利用计算机软件进行必要的模拟计算，对围护结构情况先有大体的了解，这样在进行实体实验时就能事半功倍，同时模拟的结果可作为暖通空调设计的依据。
本文采用了建筑技术性能分析软件Ecotect对作者所在的办公室的空调运行进行了模拟计算，主要计算外围护结构材料对建筑空调负荷的影响。
通过不同的围护结构材料的搭配来寻找出空调负荷最小的组合。
2 建筑围护结构的热作用及能耗影响因素在夏热冬冷气候条件下，建筑热过程为室外综合温度作用下一种非稳态传热[3]。
夏季白天外围护结构受到太阳辐射被加热升温，向室内传递热量，夜间围护结构散热，及存在建筑围护结构内、外表面昼夜交替变化传热方向，以及在自然通风条件下对围护结构双向温度波作用。
冬季基本上是以通过外围护结构向室外传递热量为主的热过程[4]。
Qot图1 围护结构传热建筑围护结构传热主要由对流和辐射两种热传递形式实现，在冷负荷计算中是比较复杂的，因其既受建筑围护结构特性、建筑材料本身的热容、传热和隔热特性、延迟、衰减等特性的影响，特别是建筑表面材料辐射反射隔热特性，同时也受室外环境的温湿度、风速、太阳辐射强度、各种热量反射、建筑群环境、热岛效应等因素的影响。
明确各因素和条件之间的相互关系，是建立相应计算模型不可缺少的环节。
建筑外围护结构传热引起的负荷占建筑空调负荷很大的比重，也是非常重要的组成部分。
建立围护结构传热模型，如图1示，根据传热平衡，传入室内的热量o Q 可用如下方程表示：o s b g r ra p ca ot Q Q Q Q Q Q Q Q Q =+++----空调冷负荷在实际计算中，主要可分为室内和室外两部分。
室内冷负荷是空调设计和温度调控的重要依据，主要包括室内人体、照明设备、各种工艺设备、电器设备散热，在房间用途确定的情况下，其室内产生的热量计算比较简单，基本上可以认为是固定的；室外部分主要是太阳辐射、建筑围护结构传热、新风换热和建筑周边环境反射辐射传热等，室外部分的计算比较复杂且是一个动态非稳定的传热过程。
在空调环境下一般认为室内温度为一恒定值，且室内的负荷相对稳定，可以简化室内的负荷扰动，只考虑室外非稳定气象温度和室外环境带来的扰动[5]。
2 模拟方法及软件介绍本文所采用的软件Ecotect 是Autodesk 公司出品的一款建筑技术分析软件，包含了热环境、光环境、声环境、日照、经济性及环境影响、可视度六类分析功能，还附带了一个可视化气象数据分析模块，上述六类分析基本上涵盖了建筑设计中的主要影响因素。
它采用权威的核心算法和VRML 、HTB2热分析软件均有导入导出接口。
另一个鲜明的特点是它采用了灵活和直观的三维信息化模型，简化了复杂几何体的构思过程，彻底摒弃了传统CAD 软件的复杂定位模式[6]。
pasa e Q neQ图2 平均状态的计算节点示意图Ecotect 中的热环境分析基于英国注册工程师协会（CIBSE ）所核定的准入法，这是一种动态负荷计算方法，它的特点是计算速度快且操作简单，其精度能够满足建筑设计各阶段的不同要求。
准入法的另一个特点是非常灵活，其对于建筑物的体形以及模拟分析区域的数量没有限制。
与其他的负荷计算方法所不同的是，准入法中包括了两个计算状态，即平均状态和波动状态。
如图2所示，这里用节点网络图示意平均状态。
（1） 平均状态在平均状态中，区域内部这一侧有两个节点，一个是室内空气温度节点a T ，另一个是环境温度节点e T 。
在准入法中，环境温度同时考虑了房间表面辐射和对流换热影响，其数值介于室内气温和内表面平均温度之间，大概是1233a m T T +，其中m T 是房间内表面平均温度。
这样做是因为准入法最初主要用于计算热负荷，在热水供暖系统中，综合考虑辐射和对流换热将比空气温度更实用。
Ecotect 中计算所得的区域温度均为环境温度，这与Energy-Plus 等软件是不同的。
如前所述，a T 和e T 之间的传热同时考虑了对流和辐射换热，AU ∑表示外墙传导，p rC v 表示室外渗透传热。
在没有空调的房间内，rCpv 是一项重要的内容，并且可能比AU ∑还要大。
空气节点上pa Q 是平均设备负荷，sa Q 是通过玻璃窗进入的太阳辐射得热，e Q 是内部对流得热。
环境温度节点上au Q 是通过 围护结构的吸收太阳辐射得热，ne Q 是分配到环境温度节点的内部得热，se Q 是通过玻璃窗进入的太阳辐射负荷。
（2）波动状态波动状态模型也可以用类似于平均状态的节点网络来表示，但其中的能量流和波动温度之间在准入关联上存在相位差，因此波动状态中节点之间的传热过程采用了相对较为复杂的处理方式，首先其假定外扰以24h为周期做正弦变化，对于各种不同扰动的响应则是分别由相应的衰减系数、准入系数和表面系数决定的，同时这些系数都有对应的时间提前/延迟量等。
（3）计算流程图3中描述了准入法的计算流程，我们可以看到在计算过程中对平均部分和波动部分是分开进行处理的，但处理过程基本相同：首先计算的是内部得热和直接太阳得热，这些得热的平均量和波动部分随后要被划分为对流和辐射两种类型。
参照图2我们可以发现上述得热都被指定到空气温度或环境温度节点上，添加到环境温度节点上的得热都被指定到空气温度或环境温度节点上，添加到环境温度节点上的得热的比例是固定的，包含了2/3辐射得热，1/3的对流得热。
图3 准入法的计算流程从准入法的计算流程图中，我们可以发现围护结构传导得热通常被直接添加到环境温度节点。
虽然准入法使用热平衡方程求解负荷，不过可以预先计算逐时传导得热的主要部分，这是因为在准入法中，这部分得热可以通过解析正弦扰动下的传导热流进行求解。
在得热的不同部分都被添加在环境温度节点和空气节点后，就可以通过求解逐时热平衡方程找出负荷的平均部分和波动部分。
上述过程可以通过单向实现，不需要进行反复的循环求解未知温度。
将求得的平均负荷和波动负荷进行综合处理即可得24h逐时负荷。
3 外围护结构材料改变对空调能耗影响的模拟3.1建筑模型本文采用的建筑模型为作者所在的办公室的简化实体模型。
该房间南北向，建筑面积近40m2。
对模拟中所选用的围护结构材料做了编号，如表1所示。
为了能了解不同部分对空调负荷的影响，所以在模型中做了搭配组合，组合一中所选用的建筑模型围护结构为现在所采用的材料，组合二、三、四分别将窗户、屋顶、墙壁改为节能材料，组合五为全部改用节能材料，如表2所示。
办公室人数为19人，人均产热量为70W,产湿量为0.061kg/h[6],照明为10W/m2,空调系统的使用时间为9:00到21:00，设定的室内温度为26℃。
表1 模型建筑围护结构材料围护结构 说明代码 窗户铝合金框单层玻璃（无隔热层） a 低辐射铝合金框中空双玻窗 b 屋顶 粘土瓦+龙骨空气层+石膏板c贴箔保温陶瓷瓦 d 墙壁混凝土砌块墙抹灰e木板、R 2.0(75毫米)的保温材料、耐火砖f表2 围护结构材料组合窗户 屋顶 墙壁 组合一 a c e 组合二 b c e 组合三 a d e 组合四 a c f 组合五bdf3.2模拟数据及结果分析利用软件，作者模拟了五种组合在南京气象数据里最热日（七月二十日），最热月（七月）的逐时温度、逐时空调负荷、月空调总负荷等数据。
