西北综合勘察设计研究院 西安 710003
摘要：本文利用DeST软件，对西藏地区典型民用建筑进行数值模拟，给出了西藏地区外墙、外窗的采暖热负荷朝向修正率，这对西藏地区采暖设计和太阳能的充分利用提出实际的参考和指导意义。
关键词：太阳能；可再生能源；朝向修正率；数值模拟
1.引言
西藏地区地处我国的西南边境，属于严寒和寒冷地区，但由于缺少煤、石油、天然气等常规能源，直到2004年才被正式列为全国采暖地区，目前针对西藏地区建筑节能和采暖标准还不是很精确，研究也很少，虽然现有规范对朝向修正率给出了一个修正范围，但由于西藏太阳辐射照度大，日照时间长，这就意味着西藏地区采暖热负荷的朝向修正率应该比规范上高很多，现有规范给出的修正范围用于计算西藏热负荷有一定的误差；加上西藏俗有“世界屋脊”之称，太阳能资源居全国之首，因此，为了在西藏采暖工程中节约能耗，充分利用太阳能资源，响应国家推行绿色建筑的号召，《绿色建筑评价标准》中4.2.9和4.2.11也对住宅建筑中的得可再生能源利用值做了具体规定，本文通过DeST软件模拟，分析得出西藏地区的采暖热负荷计算中朝向修正率的值，从而为该地区工程设计提供参考参数。
2.模型的建立和模拟条件
2.1模型的建立
（1）外墙朝向修正率模型的建立
本文对围护结构对太阳辐射的吸收问题做了简化，根据《西藏自治区居住建筑节能设计标准》针对不同地区对围护结构热工特性的要求，选择典型围护结构类型，这样计算出来的热负荷的朝向修正率也具有广泛的应用性。由于本文主要研究朝向修正率的问题，所以在建立模型的时候，要考虑把不影响朝向的修正率的因素排除掉，对于研究垂直的围护结构的朝向修正率，则只需要建立单层的模型，模型的每个房间的功能相同（卧室），尺寸大小为。所以建立的模型平面图如图2.1，立体图如图2.2。
（2）外窗朝向修正率模型的建立
本文对近年来大量使用的节能型外窗的热负荷朝向修正率进行了研究，外窗的热工性能如表2.1，建立的模型图如图2.3和2.4，外窗参数设定为“工程类型”即“K-Sc”模型。研究方法如同外墙。
图2.2简化模型立体图
表2.1不同外窗的热工性能参数
图2.4简化模型立体图
2.2 模拟条件
根据西藏地区的太阳资源分区的划分和中国气候分区情况，本文选择西藏的3个典型地区：拉萨、昌都、林芝作为模拟建筑的地点。气象数据是DeST软件所提供的数据，将外表面的换热系数近似为常数，忽略了风速、风向变化的影响；建筑内扰按默认内扰情况计算，通风作息模式取关窗风量按换气次数1次/h; 开窗风量为20次/h。
3.数值模拟结果分析
3.1数值模拟结果
表3.1不同地区在不同条件下的房间的基础室温和采暖期内的平均耗热量
注：模型建立的条件是规定房间均为上北下南，左西右东，则南向与Y轴指向相反，按逆时针计算南向角度值将是270度；考虑散射辐射。
表3.2不同地区在不同条件下的房间的基础室温和采暖期内的平均耗热量
注：模型建立的条件是规定房间均为上北下南，左西右东，则南向与Y轴指向相反，此模型按逆时针计算南向角度值将是315度；考虑散射辐射。
表3.3不同地区在不同条件下的房间的基础室温和采暖期内的平均耗热量
注：模型建立的条件是规定房间均为上北下南，左西右东，则南向与Y轴指向相反，按逆时针计算南向角度值将是270度；不考虑散射辐射。
表3.4不同地区在不同条件下的房间的基础室温和采暖期内的平均耗热量
注：模型建立的条件是规定房间均为上北下南，左西右东，则南向与Y轴指向相反，此模型按逆时针计算南向角度值将是315度；不考虑散射辐射。
3.2西藏不同地区朝向修正率的计算
（1）外墙朝向修正率
由图2.1可以看出，房间2和房间5作为研究对象，对于房间2来说，只有一个南外墙，其余的均为内墙（在建立模型时，所有房间均采暖，不考虑户间传热），所以，太阳辐射只能通过南外墙和屋顶来影响房间的耗热量； 对于房间5来说，太阳辐射只能通过屋顶影响房间的耗热量。在无太阳辐射情况下，两者的差值就是通过南外墙的温差传热和渗透空气而引起的耗热量；而在有太阳辐射情况下，两者的差值一方面是通过南外墙的温差传热和渗透空气而引起的耗热量，另一方面则是太阳辐射通过南向外墙的有效得热来影响房间的耗热量。
同理，对于西外墙则是房间4和房间5之间的关系，对于北外墙则是房间8和房间5的关系，东外墙则是房间6和房间5之间的关系。在这不再赘述。对于研究东南、东北、西北、西南方向则需要把模型旋转45度，具体数值如表3.2和3.4，公式如同(3-1),在这也不再赘述。不同地区不同朝向的修正率具体见表3.5和3.6.
表3.5西藏不同地区不同方位外墙的朝向修正率(考虑太阳散射辐射)
由表3.5可以看出，在考虑到散射辐射的情况下，北向虽然未受到太阳直射辐射，但是由于受到太阳散射辐射和地面的反射辐射因素的影响，其热负荷的朝向修正率拉萨地区为-4.98%，昌都地区由于太阳辐射强度较拉萨地区弱，且室外温度比拉萨地区低，因此其修正率为-4.10%，对于林芝地区，虽然太阳辐射强度较拉萨地区弱，但是室外空气温度相对于拉萨地区高，所以朝向修正率为-5.89%。根据表3.6的显示则看出，在不考虑的散射辐射的情况下，北向房间的朝向修正系数基本接近为0，但是本模型建立的条件是不考虑户与户之间的传热问题，而实际模拟计算中则考虑不同毗邻房间之间的相互传热，所以出现了计算误差；加之朝向修正率的计算误差与室内外计算温差成反比，因此在实际的工程计算过程中，北向房间的朝向修正问题要慎重考虑；而其它朝向由于有直射辐射和地面反射，误差可以忽略不计。
综合表3.5和表3.6可以看出，东南朝向的修正系数比西南的朝向修正系数要大，东向的比西向的大，这主要是由于太阳的一天的运行规律决定，在采暖季，通常上午的太阳辐射比下午的太阳辐射要强，那么东边的要较西边的朝向修正系数要大。
（2）外窗朝向修正率
由图2.3可以看出，研究外窗的朝向修正系数，根据建立的模型，房间2、4、6、8为研究对象，房间5为参照对象。例如：房间2的耗热量与房间5的耗热量的差值就是南外窗和室内外通风影响的结果，本研究研究了两种工况，一种是有太阳辐射，一种无太阳辐射，两种工况下，房间2的耗热量与房间5的耗热量差值就是只有南外窗影响的结果，本着这种计算方法，建立模型进行数值模拟，模拟结果如下表3.7和3.8。
表3.7 西藏典型地区不同窗户玻璃特性不同方位的朝向修正率（考虑散射辐射）
由表3.7可以看出，不同外窗的热工特性不同，外窗的热负荷的朝向修正率不同，总体上来看，K值越小，SC值越大，热负荷的朝向修正率越大，即镀膜三层玻璃比二层的中空和真空玻璃的热负荷朝向修正率要大，普通的单层玻璃最小。从结果来看，虽然单层玻璃的K值很大，温差损失相对于其它两种玻璃大，但单层玻璃的朝向修正依然最小，这说明了，外窗的太阳辐射得热要比温差传热所占的比例要大的多，所以针对西藏太阳能比较丰富的地区，我们要充分考虑太阳辐射对采暖热负荷朝向修正率的影响。
由表3.8可以看出，如果不考虑散射辐射对采暖热负荷朝向修正的影响，总体规律在原有基础上有所减小，对于南向来说，由于不同地区，减小的程度是不一样的。综合来看，拉萨地区平均减小22.53%，林芝减小10.77%，昌都减小8.8%。影响其变化的原因是，采暖室外温差越大，太阳辐射的变化越难影响采暖热负荷朝向修正率。
对于比较特殊的北向，主要是北向接受不到太阳直射辐射，影响其采暖热负荷的修正率的因素主要是散射辐射，综合来看，拉萨地区平均减小16.78%，昌都地区减小15.22%，林芝地区减小20.26%。从而可以看出，太阳的散射辐射对北向的采暖负荷修正率来说，是很重要的因素。所以在实际的采暖设计过程中，对于西藏地区，北向的修正是不能忽略的，忽略有可能影响北向房间的舒适度以及系统的初投资等。
4.结论及建议
4.1 结论
应用Dest模拟软件，综合考虑了散射辐射及长波辐射对不同朝向建筑围护结构耗热量的影响，并针对近年来使用的节能型外窗的建筑，给出了不同节能型外窗的热负荷朝向修正率。得出以下结论：
（1）考虑散射辐射和不考虑散射辐射，结果相差很大，尤其北向最为特殊，不同朝向外墙的热负荷修正率详见表3.5和3.6。
（2）不同外窗的朝向修正系数相差很大，但最低值都在49%以上负减，最高者则可达96%，不同朝向外窗的热负荷修正率详见表3.7和3.8。
4.2 建议
（1） 由本文模拟结果可以看出，西藏住宅建筑热负荷朝向修正率无论是外墙还是外窗，修正率的附减值都比现有规范大，因此，进行负荷计算时，可以参考本文数值给予适当调整，这样，可以充分利用太阳能资源，减少能源消耗和初投资。
表3.8 西藏典型地区不同窗户玻璃特性不同方位的朝向修正率（未考虑散射辐射）
（2）由于本文利用Dest软件进行模拟，内扰和户与户之间的传热问题都使用默认值，外窗也只是利用默认的“K-SC”模型，这样给计算带来了一定误差，所以，如果要使得到的结果更接近实际，还需对西藏不同地区居住建筑的室内热扰、户与户之间的传热及外窗的“K”和“SC”值进行调查分析，进行更具体的研究。
参考文献
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论文作者:魏园园,胡瑞
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/5
标签：朝向论文; 西藏论文; 地区论文; 耗热量论文; 房间论文; 采暖论文; 太阳论文; 《建筑学研究前沿》2018年第5期论文;