西藏地區民用建筑采暖熱負荷朝向修正率研究
0 引言
西藏地區屬于嚴寒和寒冷地區，但該地區止到2004年才被列為采暖地區，且由于西藏自治區太陽輻射照度大，日照時間長，當地南北向房間耗熱量的差異比其他地區大，因此西藏地區采暖標準則加大了南向、東南、西南向朝向附減修正率，但是具體增加的值是多少標準并沒有給出，因此本文針對此問題研究了西藏地區采暖熱負荷的朝向修正率。
1 理論分析
1.1 在沒有太陽輻射情況下，外墻、屋頂耗熱量
沒有太陽輻射的影響的情況下，外墻、屋頂的耗熱量是由溫差傳熱和對周圍環境的長波輻射散熱來決定的，且認為外墻表面的溫度近似等于室外空氣的溫度。其計算公式如下：
Q=KF(tn-tw)+qeF （1-1）
式中K—外墻、屋頂的傳熱系數，w/(m2.℃)；F—外墻、屋頂的表面積，m2；tn、tw—供暖室內設計溫度、室外逐時空氣溫度，℃；qe—在沒有太陽輻射情況下外墻、屋頂對周圍環境的長波輻射量， w/m2；
1.2 在有太陽輻射強度下，外墻、屋頂耗熱量
在有太陽輻射情況下，外墻、屋頂等圍護結構的表面吸收太陽輻射熱量之后，溫度有所升高。
Q=KF(tn-tw)+q′eF-( qS +qR)F（1-2）
式中 —在有太陽輻射情況下外墻、屋頂對周圍環境的長波輻射量，w/m2；qS—圍護結構外表面所吸收的太陽輻射熱量，W/m2；qR—圍護結構外表面所吸收的地面反射輻射熱量，W/m2；對于水平屋頂，則不考慮該項；其他符號代表的含義和上文一致，在此不再贅述。
根據文獻[1]所述，建筑外表面接受的太陽總輻射包括太陽直射輻射、太陽散射輻射、地面的反射輻射，以及周圍建筑物的表面反射輻射。由于本文的建筑模型為單體模型，周圍沒有其他建筑物，所以周圍建筑物的表面反射輻射不考慮。其計算公式如下：
qs+qR=ρ表I總 （1-3）
本文研究把建筑外表面對天空的長波輻射換熱量以及與地面之間的長波輻射換熱量進行了簡化，用建筑周圍環境表面的綜合溫度來表示，其值等效于地表溫度、天空有效溫度和臨近建筑表面溫度的綜合作用（本文的建筑模型是單體模型，因此后者不考慮）根據文獻[1]所述，計算公式如下：
（1-4）式中 Tc—建筑周圍環境表面的綜合溫度，K；其他符號代表的含義和上文一致，在此不再贅述。
根據由公式1-4所計算出來的建筑表面的綜合溫度，那么建筑外表面對周圍環境的有效長波輻射可以有下式計算。
qe=αenv (t-tenv) （1-5）
式中t—建筑外表面的溫度，℃；通過圍護結構的傳熱控制方程和室內空氣的熱平衡聯合可以求得。tenv—建筑周圍環境表面的綜合攝氏溫度，℃；αenv—建筑外表面與周圍環境表面的長波輻射換熱系數，w/(m2•℃)通常長波輻射換熱表示成溫差的線性關系來簡化。
在有太陽輻射和沒有太陽輻射的情況下，建筑外表面的溫度是不相同的，從而也引起了建筑外表面對周圍環境的長波輻射量也不同，所以兩者的差值是由建筑外表面吸收的太陽輻射強度決定。其計算公式如下：
（1-6） 式中的符號代表的含義和上文一致，在此不再贅述。
1.3 外墻采暖熱負荷的朝向修正率
外墻采暖熱負荷的朝向修正率主要解決的是由于太陽輻射的影響而引起的各個朝向房間室內溫度冷熱不均問題。而長波輻射（尤其夜間輻射）通常在傳統的熱負荷計算過程中忽略不計，這對冬季采暖來說，是不安全的。因此本文研究的采暖熱負荷的朝向修正率則考慮了長波輻射的影響。綜上所述外墻、屋頂的朝向修正率計算公式如下：
（1-7）由此可見，外墻、屋頂的采暖熱負荷的朝向修正系數主要跟室內外采暖溫差成反比，與進入室內的太陽總輻射以及建筑外表面的吸熱系數成正比，當考慮了外墻、屋頂對周圍環境的長波輻射時，朝向修正率還與外墻表面對周圍環境的長波輻射換熱系數與外墻表面總換熱系數的比值有關系。
圖1.模擬建筑平面圖
2.數值模擬
2.1 模型建立的條件
本研究建立的模型中每個房間功
能相同，尺寸大小為4.2m ×3.6m×3m，共九個房間。圍護結構的熱工特性如表1。對于通風作息的設定，根據文獻[2]所述，考慮到西藏地區室外空氣含氧量比較低這一特殊的地理氣象條件，，通風作息的設定應根據當地室外空氣的含氧量進行折算，通常在原有基礎上乘以1.5-1.7的系數，又根據文獻[3]所述，住宅的關窗風量可按換氣次數0.5h-1取,所以本研究的DeST模型的通風作息模式，取關窗風量可按換氣次數1h-1，本研究建立的模型平面圖如圖1所示：
表1.模型圍護結構熱工特性
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圍護結構
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構成
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傳熱系數(w/㎡k)
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外墻
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20mm水泥沙漿+40mm聚苯乙烯泡沫塑料+20mm
石灰沙漿+200mm鋼筋混凝土 +20mm石灰沙漿
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0.612
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普通內墻
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20mm水泥沙漿+180mm陶粒混凝土+20mm水泥沙漿
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1.515
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屋頂
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20mm水泥砂漿保護層+160mm憎水膨脹珍珠巖+100mm
鋼筋混凝土板+20mm石灰砂漿
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0.574
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2.2 模擬的結果與分析
由圖1可以看出，房間2和房間5作為研究對象，兩者內擾完全相同，均為采暖房間。在無太陽輻射工況下，兩者的差值就是通過南外墻的溫差傳熱、滲透空氣、外墻對周圍環境的長波輻射而引起的耗熱量；在有太陽輻射工況下，兩者的差值一方面是通過南外墻的溫差傳熱、滲透空氣、外墻對周圍環境的長波輻射而引起的耗熱量，另一方面則是太陽輻射通過南向外墻的有效得熱來影響房間的耗熱量。在有太陽輻射和沒有太陽輻射兩種工況下的差值就是太陽輻射影響下的房間有效得熱量，然后就可以得出不同朝向的外墻和屋頂由于太陽輻射引起的朝向修正率。具體計算結果見表2、表3、表4、表5。
表2.西藏不同地區不同方位外墻的朝向修正率（考慮散射輻射）
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南
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東南
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東
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東北
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北
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西北
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西
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西南
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拉薩
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-18.57%
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-17.18%
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-11.76%
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-6.23%
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-4.98%
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-5.29%
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-9.78%
|
-13.02%
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昌都
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-17.18%
|
-15.00%
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-9.89%
|
-4.65%
|
-4.10%
|
-4.15%
|
-8.36%
|
-13.19%
|
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林芝
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-21.61%
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-20.63%
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-14.52%
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-7.20%
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-5.89%
|
-6.88%
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-11.46%
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-16.37%
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表3.西藏不同地區不同方位外墻的朝向修正率（不考慮散射輻射）
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南
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東南
|
東
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東北
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北
|
西北
|
西
|
西南
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拉薩
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-14.95%
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-13.21%
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-8.13%
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-2.55%
|
-1.08%
|
-1.92%
|
-6.01%
|
-10.76%
|
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昌都
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-14.12%
|
-11.75%
|
-6.77%
|
-1.86%
|
-0.71%
|
-0.89%
|
-5.30%
|
-10.07%
|
|
林芝
|
-17.88%
|
-15.21%
|
-9.25%
|
-3.21%
|
-1.44%
|
-2.98%
|
-8.33%
|
-13.69%
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由表2和表3可以看出，考慮散射輻射和不考慮散射輻射，其結果相差很大，尤其北向最為特殊，文獻【4】規定北向的朝向修正系數是0-10%，可是對于西藏地區，北向雖然未受到太陽直射輻射但是由于受到太陽散射輻射和地面的反射輻射因素的影響，其熱負荷的朝向修正率拉薩地區為-4.98%，昌都地區由于太陽輻射強度較拉薩地區弱，且室外溫度比拉薩地區低，因此其修正率為-4.10%，對于林芝地區，雖然太陽輻射強度較拉薩地區弱，但是室外空氣溫度相對于拉薩地區高，所以朝向修正率為-5.89%。
不考慮散射輻射，理論上北外墻的朝向修正率為0，但是由于存在實際模擬過程中各房間出現的戶間傳熱等因素，會出現誤差。詳見表3分別為-1.08%、-0.71%、-1.44%。其他朝向的修正率可以詳見表2和表3。
表4.西藏不同地區屋頂采暖負荷朝向修正率（考慮散射輻射）
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拉薩
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昌都
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林芝
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朝向修正率
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-10.67%
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-10.45%
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-11.64%
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表5.西藏不同地區屋頂采暖負荷朝向修正率（不考慮散射輻射）
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拉薩
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昌都
|
林芝
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朝向修正率
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-7.09%
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-7.05%
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-8.03%
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由表4可以看出，拉薩的屋頂修正率比昌都的大，這主要是由于拉薩的太陽總輻射強度比昌都大，且拉薩的采暖室外溫差比昌都小。而林芝則恰恰相反，正是由于林芝的采暖室外溫差較小，導致其采暖負荷的屋頂的修正系數較大。再者拉薩、昌都、林芝的屋頂朝向修正系數都在10%以上，所以針對西藏地區，屋頂的修正不能忽略，否則將導致建筑頂層房間室內溫度過熱，影響人們的舒適性，還會導致末端設備容量和系統的初投資的增加。
由表5可以看出，當不考慮散射輻射強度對修正系數的影響時，結果相差很大，綜合來看，三個地區的散射輻射強度對外墻和屋頂采暖朝向修正系數的影響平均分為3.9%和3.35%。所以在考慮采暖負荷朝向修正系數時，應該考慮天空散射輻射強度對其的影響。
3.結論
（1）考慮散射輻射、西藏地區外墻修正附減率平均增加了3.9%，屋頂的修正附減率平均增加3.35%，可見散射輻射對朝向修正率影響比較大。
（2）對研究外墻的修正率時，由于存在實際模擬過程中各房間出現的戶間傳熱等因素，會出現誤差。其誤差平均在1.08%左右，通常可以忽略。
（3）對于屋頂來說，拉薩、昌都、林芝的屋頂朝向修正率都在10%以上，所以針對西藏地區，屋頂的修正不能忽略，否則將導致建筑頂層房間室內溫度過高，不僅影響人們的舒適性，還會增加末端設備容量和系統的初投資。
參考文獻
[1] 清華大學DeST開發組.建筑環境系統模擬分析方法—DeST [M].中國建筑工業出版社.2006.1.
[2] 西安建筑科技大學,西藏建筑勘察設計院. DB 54/0015 —2007西藏自治區民用建筑采暖設計標準[S].拉薩:西藏人民出版社,2007.
[3] 張曉亮，朱光俊，江億. 建筑環境設計模擬分析軟件DeST—第13講住宅模擬優化實例[J].暖通空調，2005，38（8）：65-72.
[4] 采暖通風與空調調節設計規范GBJ19 - 87[M].北京:中國建筑工業出版社,1989.
湘公網安備43011102000873號
