采暖热负荷中窗户耗热量的附加率研究

采暖热负荷中窗户耗热量的附加率研究

李振林

核工业工程研究设计有限公司 101300

摘要：目前大多数研究多集中在窗墙比对能耗的影响，而忽视了窗墙比变化引起窗户耗热量计算方法的变化，从而影响热负荷的大小。本文将通过对比分析窗户耗热量动态计算和稳态计算之间差异，提出窗户耗热量稳态计算的适用条件，拟提出更为准确的附加率对稳态计算不适用的情况进行修正。

关键词：采暖热负荷；耗热量；附加率

1 冬季设计日室外逐时温度的确定

1.1 逐时温度生成方法

GB-50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》使用的室外气象参数是根据气象站从1971年1月1日至2000年12月31日记录的原始气象数据再进一步通过理论推导而来。其中气象站记录关于空气干球温度有逐日的四次定时温度（北京时间02:00,08:00,14:00,20:00），日最高温度和日最低温度。为得到日逐时温度（24小时），其做法为先根据空气干球温度在一天的变化规律和考虑到整个气象环境系统的变化给温度变化带来的影响，确定出日最高温度和日最低温度出现的时间，其次以日最高温度，日最低温度和四次定时温度为基本插值点，最后利用三次样条插值函数得到日逐时温度。

1.2 设计日温度的确定

为排除极端天气计算出的负荷过大而造成的选型过大和能源浪费，规范中规定冬季供暖设计温度为历年不保证5天的日平均温度，即将1971-2000的30年的日平均温度按从小到大的顺序排列，选择排列第151位所对应的日期作为设计日，这天的日平均温度作为供暖设计温度，所对应的24小时逐时温度作为设计日的日逐时温度。

2 窗的耗热量计算方法

2.1 动态计算

窗户基本耗热量计算时应采用动态计算，这样可以较为真实反映室外外扰通过玻璃向室内的传热的过程。但由于玻璃的蓄热能力很小，动态计算可简化为式（1），即将日平均温度替换为日逐时温度。

式中：qwd为窗户耗热量，W;k为窗户的传热系数，W/(m2·K);f为窗户面积，m2;tr(n)为n时刻室内设计温度，℃；ta(n)为设计日n时刻的室外温度，℃；

2.2 稳态计算

为了简化动态计算方法，方便工程设计人员使用，规范在热负荷中计算中，窗户基本耗热量采用式（2）计算：

式中：qws为窗户的耗热量，W;ta为设计日平均温度，℃。

另外规定当窗墙比超过50%时，窗户耗热量在基本耗热量的基础上附加10%。

3 稳态计算方法适用性分析

3.1 工况设置

为了验证利用稳态计算方法得到的窗户耗热量的准确性，本文以稳态算法和动态算法计算出的窗户耗热量的差值作为判断准确性的指标，具体计算如式（3）所示。从公式中可以看出该指标不仅与窗墙比有关，还与窗户类型有关。针对不同窗户类型和窗墙比设置如表1所示的工况。

式中：δ为两种计算方法的相对差值；r为窗户面积和墙体面积的比值；F为墙体面积，本文取10 m2。

表1 工况设置    

3.2 对比分析

以拉萨为例，利用本文计算方法和式（3）计算出的相对差值如表2所示。

表2 动、稳态计算方法的窗户耗热量差值δ（W)

按规范要求当窗墙比超50%对窗户基本耗热量附加，意味着具有相同窗墙比的不同窗户类型的δ值应相同。由表2可见，在相同窗墙比时，不同窗户类型的δ值相差较大，且这种差异会因为墙体的面积和窗墙比的增加而等比列增加，在窗墙比为70%时，6mm普通玻璃的δ值为149.5 W,6OPT+12A+6C的δ值仅为36.7 W。这表明窗户耗热量在利用附加率对稳态算法修正时，不能仅以窗墙比超50%为判断依据，还应与窗户类型有关。

3.3 稳态计算的适用条件

在计算窗户耗热量时，若将动态计算方法简化为稳态计算方法，不能仅以窗墙比超50%作为判断依据。本文在综合考虑窗墙比、窗户类型等因素，提出以窗户基本耗热量和房间热负荷的比值（β）作为判断稳态方法计算出的基本耗热量是否要进行附加的依据，比值可按式（4）计算。规定当比值小于0.1，则表明稳态计算的基本耗热量不需要附加，当比值大于0.1，则需要对稳态计算的基本耗热量进行附加。选取β值作为判断依据，是因为当β值很小时，意味着窗户耗热量对热负荷的影响很小，即使动态计算和稳态计算之间有差异，也可以忽略不计。

4 窗的基本耗热量附加率

稳态计算的基本耗热量需要对其进行附加。将窗户耗热量的动态算法和稳态算法的计算方法以图示的方式展示，如图1所示。

图1 动态和稳态算法的计算示意图 

稳态计算的基本耗热量可用室内设计温度和日平均温度之间的线段表示，动态计算的耗热量可用室内设计温度和日最低温度之间的线段表示。可知，稳态计算的误差为日平均温度和日最低温度之间线段，故规范在稳态计算的基础耗热量上通过附加的方式修正误差。附加率的具体计算如式（5）所示。

式中：α为附加率。

将式（1～2）代入上式化简可得：

式中：tmin为日最低温度，℃。

从式（6）可以看出附加率只与室内外参数有关。其中，室内参数包括室内设计温度，室外参数与地点有关，包括设计日最低温度和设计日平均温度。因此，本文针对室内参数选取15℃，16℃，17℃，18℃，针对室外参数选取拉萨、马尔康、阳泉、南京、北京、林芝、康定7个城市作为典型城市，并按照第1章逐时温度生成方法计算得到各个地点设计日的逐时温度。按照式（6）计算得到不同室内外参数的附加率，计算结果如表3所示。

表3 不同地点的附加率

从表3可以看出，室内设计温度越低，附加率越大，拉萨在室内设计温度为18℃时的附加率为26%，在15℃时，附加率增加到30%。且在相同室内设计温度下，马尔康、昌都、林芝的附加率最高，康定的附加率最小。这是由于马尔康、昌都、林芝等地的设计日室外温度波动大，而康定室外温度波动较小。还可以发现不同地点的附加率差别较大，在室内设计温度为18℃时，昌都的附加率为32%，而康定仅为8%。这表明不同地点的附加率统一设置为10%会造成较大的误差。

5 结论

1）综合考虑窗墙比、窗户类型等因素，得到以窗户基本耗热量和房间热负荷的比值作为窗户耗热量能够简化为稳态计算的判断依据。

2）附加率只和室内外设计参数有关，不同地点的附加率不同。室内设计温度越低，其附加率越大。设计日的日逐时温度波动越大，其附加率越大。

3）本研究结果更适用于室外温度变化较大的地区和窗墙比较大的建筑，比如直接收益窗式太阳房的热负荷计算。

参考文献

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[2]龙恩深,付祥钊.窗墙比对居住建筑的冷热耗量指标及节能率的影响[J].暖通空调,2007,(2):52-56.

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[4]GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.