西安地区围护结构传热系数的修正系数 εi讨论

翟文燕

0 引言

冬季热工计算是以阴寒天气为准,不考虑太阳辐射作用,但这并不意味着太阳辐射对建筑保温没有影响。太阳辐射热是影响建筑热过程的主要热源,也是建筑热环境四个参量中影响最大的一个,实际上,建筑师设计房屋时,总是要争取良好的朝向和适当的间距,以便尽可能得到充分的日照。规范中对围护结构传热系数的修正也是考虑到太阳辐射热和天空辐射热的影响。由于考虑了太阳辐射热的补充作用,实际从围护结构传出的热量并没有我们在理想状态下所计算得到的多,即kw◦eff＜kw,在冷热负荷计算中,采用有效传热系数(kw◦eff)可以减少冷热负荷量,使建筑在满足室内热环境要求下,消耗能量减少。

因此从节能的角度上来看建筑热工设计,我们不但要采用降低墙体、屋面窗户的传热系数,增加隔热保温材料厚度来达到节约建筑能耗的目的,更应该充分考虑到太阳辐射的作用。

1 围护结构传热系数的修正系数的意义

随着科技的发展,能源问题已成为全球共识的问题,2010年陕西省要完成从建筑节能50%到节能65%的过渡,我们就不能忽视太阳辐射和天空辐射对围护结构传热量的影响,因此就引入了围护结构传热系数的修正系数。由于围护结构不同部分在太阳辐射和天空辐射作用下所吸收热量程度各不相同,因此节能设计规范根据不同地区和不同朝向给出了修正系数取值的一个参考值。本文旨在评价这一参考值的准确程度,在这里只对墙体的传热系数修正系数进行检验。

2 外墙传热系数修正系数的计算模型及分析

2.1 外墙传热系数修正系数的计算模型

外墙有效传热系数计算公式:

其中,kw◦eff为外墙的有效传热系数,W/(m2◦K);kw为外墙原传热系数,W/(m2◦K);tsol◦eq为太阳辐射当量温度,℃。

其中,ρ为外表面的太阳辐射吸收系数;I为垂直面上的太阳辐射照度,W/m2;αe为外表面换热系数,W/(m2◦K)。

2.2 公式分析

把式(1)代入式(3)中得:

因此,从公式推导中可以看出围护结构传热系数的修正系数与围护结构的原传热系数无关,即与围护结构的构造无关。

3 外墙传热系数修正系数的实例计算

3.1 实例说明

3.1.1 选择围护结构

取一典型的采暖地区的外围护结构构造如图1所示,取其朝向为正南向。

3.1.2 气候条件

1)已知西安地区冬季室内计算温度为ti=16℃～18℃,设计计算用采暖期天数为100 d,室外平均计算温度为te=0.9℃。2)西安的冬季太阳辐射照度采用《民用建筑节能设计手册》附录九的冬季太阳辐射照度。

3.2 计算过程

1)已知条件。

取西安地区气候特点,对围护结构传热系数的修正系数εi进行计算。室内计算温度为 ti=18℃,室外平均计算温度为 te=0.9℃。外围护结构表面材料为水泥砂浆,其ρ=0.48,取其冬季太阳辐射照度为各月垂直南向照度的加权平均值。

2)计算。

由式(2)得:

求结构原传热系数:

由式(1)得有效传热系数为:

由式(3)得修正系数为:

因此得出的传热系数的修正系数εi比规范上的传热系数修正值εi=0.79(南向外墙)大0.087。

用同样的计算方法分别对以下列出的条件下的传热系数的修正系数进行计算。

条件:1)室内计算温度分别取 ti=16℃和 ti=18℃。2)冬季太阳辐射照度分别取最大值 Imax、最小值 Imin和加权平均值¯I。3)我们采用四种外表面材料分别对其围护结构传热系数修正值进行计算,所采用的四种材料及其太阳辐射吸收系数见表1。

表1 围护结构外表面材料及其太阳辐射吸收系数

根据上述条件,得出计算结果如表2所示。

表2 计算结果表西安地区(构造见图1)

4 数据分析

1)室内计算温度取值分别为 ti=18℃和ti=16℃时,当其他条件相同时,其 ti=16℃时所得的εi值更接近规范上的值。2)计算中所采用的冬季太阳辐射照度取的是昼夜平均值,其值越大,εi越小。3)外表面材料的吸收系数ρ越大,所得的εi越小。而且可以从表2中看出,ρ值的取值是决定修正系数的主要因素。

5 结论与建议

在《民用建筑节能设计标准》(采暖居住建筑部分)规范中,规定西安地区南向外墙围护结构传热系数的修正系数εi=0.79,从数据来看,规范中取的εi值普遍低于验算得的值,因此我们可以认为在规范中εi的取值高估了太阳辐射的作用。

由以上的图表我们可以看出,外围护结构的构造,太阳辐射照度,室外计算温度对围护结构传热系数的修正系数影响不大,其修正系数主要取决于建筑外围护结构外表面对太阳辐射的吸收系数,即主要取决于外表面的材料,为了获得比较大的材料吸收系数,在建筑设计中对材料的选择是尤为重要的。

对于建筑外围护结构传热系数修正系数的取值,在规范中,由于高估了太阳辐射的作用,使在计算冷负荷时所采用的有效传热系数取值偏小,则在计算负荷量时所得值也偏小,进而影响了采暖计算所要求的热量。造成的结果就是冬季室内温度达不到规范的要求,因此我们建议应对规范中的传热系数的修正系数做再一次的修正。

[1] 杨善勤.民用建筑节能设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[2] 付祥钊.夏热冬冷地区建筑节能技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3] 彦启森,赵庆珠.建筑热过程[M].北京:中国建筑工业出版社,1986.

[4] JGJ 26-95,民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)[S].