拉萨地区居住建筑保温及太阳能集热面积协同优化设计研究.pdf

36修回日期：2 0 2 3-0 7-19收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 3；A2096-942207-0036-06TU83文献标志码：中图分类号：文章编号：doi:10.3969/jj.issn.2096-9422.2023.07.006No.7 in 2023(Total Vol.51.No.389GreenBuildingsJournal of BEE2023年第7 期（总第51卷第38 9 期）绿色建筑建筑节能（中英文拉萨地区居住建筑保温及太阳能集热面积协同优化设计研究罗薇，王利新2（1中国建筑第八工程局有限公司西北分公司，西安710000;2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，兰州730000)摘要：针对传统建筑主被动技术顺序设计过程中技术衔接不完善、各技术优化过程相对独立的问题，采用DesignBuilder和jEPlus提出了主被动协同优化方法，以拉萨地区典型建筑为例，以建筑能耗和初投资最低为目标，确定了建筑围护结构保温厚度为0.0 9 m、南向窗墙比为0.6、日照间距为2 3m、太阳能集热器面积为40 m时供暖期间建筑总能耗和系统初投资最小。结果表明：投资与日照间距成正比，在满足最小日照间距下增大日照间距对高层建筑得热影响较小；由于主动太阳能系统初投资较高，热工参数优化结果相比规范结果略高；围护结构保温削减的负荷比例最大，达7 1.5%；直接受益窗削减的负荷占比17.6%；主动太阳能系统占比10.9%。关键词：协同优化；主被动技术；jjEPlus;主动太阳能系统Collaborative Optimization Design of Building Thermal Insulation and Solar HeatCollection Area of Residential Buildings in LhasaLUO Weil,WANG Lixin?(1.China Construction Engineering Division.CORP.,Ltd(Northwest),Xi an 710000,China;2.CSCEC AECOM Consultants Co.,Ltd,Lanzhou 730000,China)Abstract:In order to solve the problem that the technology connection is not perfect in the process ofthe sequential design of traditional architectures active and passive technology,and the optimization ofeach technology is relatively independent,this paper adopts DesignBuilder and jEPlus proposed the activeand passive collaborative optimization method.Taking typical buildings in Lhasa as an example,with thelowest building energy consumption and initial investment as the goal,it determines that the buildingenvelope insulation thickness is 0.09m,the window to wall ratio in the south is 0.6,the sunshine spacingis 23m When the area of solar collector is 40m,the total energy consumption of the building and theinitial investment of the system are the smallest during the heating period.The results show that theinvestment is directly proportional to the sunshine interval,and the increase of sunshine interval has littleefect on the heat gain of high-rise buildings when the minimum sunshine interval is satisfied.Due to thehigh initial investment of active solar system,the optimization results of thermal parameters are slightlyhigher than those in the specification.The load reduction ratio of building envelope insulation is thelargest,up to 71.5%.Direct benefit window reduction of the load accounted for 17.6%;Active solarsystems accounted for 10.9%.Keywords:collaborative optimization;active and passive technology;jEPlus;active solar system37mK罗薇，等：拉萨地区居住建筑保温及太阳能集热面积协同优化设计研究0引言西藏地区冬季寒冷漫长、常规能源匮乏，但太阳能资源丰富，采暖系统形式多为太阳能系统供暖。单纯的太阳能供暖形式以往偏重于单独研究一种采暖技术或主被动采暖顺序结构设计。而利用主被动太阳能供暖是西藏地区供暖的最佳手段。各地研究学者关于被动供暖做了大量研究。Ruiz等人对直接受益式住宅的开窗面积、朝向、围护结构保温性能进行设计参数优化，降低了直接受益式住宅的能耗水平13%。Soteris A.Kalogirou等人预测被动太阳能建筑的能耗时使用人工神经网络（A NNS），此方法有助于设计师优化建筑形状和体形、选择合理的采暖措施并提前预测建筑能耗2。OmerKaynakli总结了以往建筑围护结构保温材料厚度的优化方法及其经济性，并采用全生命周期分析法研究了保温厚度对建筑能耗的影响，给出合理的保温经济厚度3近年来，有部分学者对增强太阳能供暖系统效能做了部分研究。姚胜针对我国北方地区开展了空气源热泵与太阳能低温热发电技术关键科学问题的理论与实验研究，提出了一种集太阳能供暖、空气源热泵以及太阳能低温热发电技术于一体的空气能太阳能热电冷联产系统，发现联产系统的合理实施将会带来巨大的效益4。王博源通过建模与模拟计算得出多能源供热系统的太阳能有用得热量比常规太阳能供暖系统提升了54.7%，平均太阳能集热效率由33.4%提升至 52.0%5除了单独进行主动或被动采暖措施优化，近年主被动协同优化也引起了广泛关注。2 0 18 年，刘妍彤采取先被动后主动的顺序，使用Ecotect、Sk e t c h u p、Sunny design软件对西安地区的某住宅建筑的建筑朝向、遮阳构件以及屋顶分布式光伏进行优化，使得住宅建筑的综合节能性大大提高6。王晓亮通过数值计算、实验测试、多目标优化等方法对高寒地区铁路客运站提出了一种“分级式”主被动协同式优化方法，采用“被动建筑+空气源热泵”及“被动建筑+太阳能空气集热+空气源热泵”两种采暖优化方式对铁路客运站进行优化7。但是，目前建筑主被动采暖措施的设计大多仍采用优先设计使用被动技术，在被动措施难以满足的情况下再考虑使用主动采暖措施的顺序结构。此种设计方法使得主被动采暖措施设计不协调，不能充分发挥被动和主动措施的全部性能。基于此，本文提出了一种建筑主被动协同优化模型及方法。以拉萨地区为例，通过建筑主被动协同优化确定了建筑围护结构保温层厚度、窗墙面积比、日照间距、主动太阳能系统集热器面积。1研究方法1.1建筑能耗计算研究建筑如图1所示，南向采用直接受益窗白天向室内供暖，不足部分由主动太阳能供暖系统承担，辅助热源系统采用电辅热围护结构保温直接受益窗被动主动太阳能太阳能利用系统图1主被动太阳能建筑示意图1.1.1围护结构耗热量计算围护结构耗热量与室内外温差、围护结构传热系数等有关，见式(1)8 Qw=EKwFw(tn-tw)(1)式中：Kw为围护结构传热系数,W/（m K)；Fw为围护结构面积,mtn、t w 分别为室内设计温度、室外温度，；为围护结构的温差修正系数1.1.2外窗耗热量计算外窗得热量由昼间太阳辐射引起，而失热量由室内外温差引起，见式（2）：Q.=Qc.g-Qc.1(2)式中：Qc.为外窗得热量,W；Qc.,为失热量,W。其中外窗得热量计算，见式（3）：窗得热量计算，见式（3）：Qc.g=IS.tF(3)式中：1I为进人室内的平均太阳辐射强度，W/m；S。为遮阳系数；t为玻璃透过率，单层窗、双层窗分别取0.8 9 和0.80;F。为窗户面积,m外窗失热量计算，见式（4）Qc,1=K,F.(t,-tw)(4)式中：K。为外窗传热系数，W/1.2太阳能供暖系统计算太阳能集热器的集热效率见式（5）：q=AI solarn(5)式中：为为太阳能集热器的集热效率；q为有效收集热量，J/s;A为集热器的总面积，m；38LUO Wei,et al.Collaborative Optimization Design of BuildingThermal Insulation and Solar Heat Collection Area of Residential BuildingsinLhasaIsolar为太阳水平面辐射强度,J/s。式（5）可以改写为集热器媒介人口温度和出口温度的差分公式，见式（6）：(Tin-Tair)(ToutTou-Tar)?n=C。+C,(6)1solarsolar式中：C。、CI、C2 分别为常数系数；Ti为集热器媒介人口温度，K；Tou为集热器媒介出口温度，K；Tair为室外空气温度,K。集热器参数见表1。表1集热器参数参数数值C。0.603 0C,-3.8665C20.0015单板面积/m2本研究使用了太阳能集热器水箱，关注建筑本身能耗，因此水箱模型选择简单的混合模型。对于混合模型，其内部温度是均一的，其控制方程见式（7）：mcpdTdt=qnet(7)式中：m为质量,kg;C,为水比热容,kJ/(kgK);T为水箱温度,K；t为时间,;qnet为水箱净热流，J/s。1.3日照间距计算日照间距是指在日照遮挡情况下满足规范建筑之间需要保持的距离9。以南北行列式住宅为例，如图2 所示，其计算公式见式（8）：D。=H o c t g Bc o s y(8)式中：D。为建筑间距,m；H。为遮挡建筑物的计算高度（一般为北侧檐口高度),m;为太阳高度角，（）；为建筑方位与太阳方位的水平夹角，（）。11墙面墙面法线Do图2日照间距分析示意图1.4优化模型1.4.1目标函数模型以建筑能耗和全寿命周期运行费用最小作为目标函数,见式（9）、（10）：(1+i)minS,=min C+CoM(9)i(1+i)minS,=E(10)式中：S，为相对对比建筑的增量成本,元；S,、E 为建筑总能耗,kW;1+r-1(其中i为实际贷款年利率，无量纲，i1+pr为名义利率,取0.0 45;p为物价水平变动率,取3）；C。为初投资费用，元；Com为运行费用元；1为系统运行年限，取2 0 年。初投资计算公式见式（11）：S,=Q,V+Q,Awin+QAsc+Q4(d-22.5)(11)式中：V为保温材料体积,m；Awin为直接受益窗面积，m；As为太阳能集热器面积,m；d为日照间距,m;Q1、Q 2、Q 3、Q 4分别为保温材料、窗户、集热器、楼间距单价，分别取37 3元/m、50 0 元/m、10 0 0 元/m、7104元/m。集热系统的运行费用由其运行时间与循环泵功率决定，辅助电辅热运行费用由其开启时间和需补充热量决定。运行费用见式（12）：CoM=(Wsp+WLp+WAE)M(12)式中：Wsp为集热循环泵耗电量，kWh；WLp为用户循环泵耗电量，kWh；WAE为用辅助热源耗电量，kWh；M为电价，元/kWh。1.4.2优化算法本文的优化算法选择非支配排序遗传算法（NSG A I I），它是一种借鉴自然选择和遗传机制的多目标随机搜索算法。NSGA-II算法为了估算某具体解附近的种群密度，引人密度算子，以此来计算解集之间的平均距离；并且，为了得到种群中个体的非劣等级排序及拥挤度，引进了拥挤度算子。由此，NSGA-II遗传算法可以快速形成分布均匀的帕累托前沿。NSGA-II算法的参数设置见表2。1.4.3优化过程以EnergyPlus为建筑动态模拟软件，使用OpenStudio、E n e r g y Pl u s 建立建筑被动结构计算模型和建筑主动系统计算模型，使用jEPlus建立参数化模拟模39罗薇，等：拉萨地区居住建筑保温及太阳能集热面积协同优化设计研究型，根据优化目标选择合适的被优化参数，确定被优化参数的约束条件。在jEPlus建立的参数化模型的基础上，使用jEPlus+EA中的NSGA-II遗传算法进行多目标优化。表2NSGA-II算法参数设置参数值种群数量24最大送代次数200交叉概率1变异概率0.2锦标赛个体数22典型建筑及计算条件2.1建筑模型介绍本研究以拉萨地区住宅建筑为例，平面布置图及EnergyPlus模型图如图3、4所示，单层建筑面积为296m，层高为6 层，总建筑面积为17 7 6 m。卫生间和厨房不供暖，南向房间采用直接受益窗被动太阳能技术，不足部分由主动太阳能系统承担，辅助热源采用电采暖，总供暖面积为1337 m。北向房间窗墙比取满足拉萨地区采光要求下最小窗墙比0.3。220030002000,32002000元48002000,32002000,30002200008卫生间书房卫生间餐厅厨房楼梯间厨房餐厅卫生间书房006t卧室卧室客厅卧室卧室客厅卧室卧室00637003000450036003600450030003700单位:mm图3建筑平面图图4EnergyPlus模型2.2内热源设置为保证室内环境舒适，供暖期间室内温度不低于18，人员新风量不小于30 m/（h 人）。客厅、卧室、书房、厨房的人员数分别设置为4人、2 人、2 人、1人，人体散热率按9 0 W/人计算；客厅、书房和卧室的设备功率密度为5W/m，厨房的设备功率密度为24W/m；4种房间的照明功率密度均为6 W/m。人员活动规律见表32.3围护结构设置典型建筑基础围护结构的传热系数和围护结构各材料的热物性参数见表4。2.4优化变量本文选取太阳能集热器面积、南向直接受益窗窗墙面积比、围护结构保温层厚度3个变量作为优化变表3典型建筑各房间运行时间表同时使用系数时间/h一2345678910111213141516171819202122 2324人员一11111110.50.1 0.10.1 0.10.10.1 0.10.10.10.10.10.10.50.50.5卧室照明000000010.50.1 0.1 0.10.1 0.10.10.10.10.10.10.51一1设备一1111110.5 0.10.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.10.1 0.10.10.10.1 0.5 0.50.5人员000000000.50.50.5 0.5 0.50.50.50.50.50.51110.50.50.5客厅照明000000010.10.10.1 0.10.10.10.1 0.1 0.1111111设备000000000.50.50.5 0.50.50.50.50.50.50.51110.50.5 0.5人员00000000.50.50.5 0.5 0.50.50.50.50.50.51110.50.5 0.5书房照明000000000.50.5 0.50.5 0.50.5 0.5 0.50.50.51110.50.5 0.5设备000000.5 0.5 0.50.50.50.50.50.50.50.51110.50.50.5人员000一一000110000厨房照明0000O011000011O000设备00011000000O110000卫生间照明0000000000.10.10.1 0.10.1 0.1 0.10.10.10.10.10.10.10.10.1量，见表5。考虑到安装面积等约束，集热器最大面积应小于0.9 倍屋顶面积，集热器面积范围为0 266m,步长为1m；南向窗墙面积比为0.3 0.9,步长为0.1；保温层厚度为0 0.5m，步长为0.0 1m。日照间距根据日照分析结果，取满足冬至日1h至无遮挡间距。40LUO Wei,et al.Collaborative Optimization Design of BuildingThermal Insulation and Solar Heat Collection Area of ResidentialBuildingsinLhasa表4典型建筑围护结构传热系数和材料热物性参数结构材料导热系数/W/(mK)密度/(kg/m)比热/J/(kgK)传热系数/W/(mK)20mm砂浆0.931900840EPS 聚苯板0.04151400外墙20 mm保温砂浆0.298001050300mm混凝土砌块0.511400100020mm砂浆0.93190084020mm砂浆0.931900840内墙200mm混凝土砌块0.51140010001.5220mm砂浆0.93190084040 mm细石混凝土1.4210084040 mm碎石0.361840840EPS聚苯板0.04151400屋面3mmAPP沥青层0.517001000120mm钢筋混凝土2.32300100020mm砂浆0.931900840100mm钢筋混凝土2.32300100020 mm保温砂浆0.298001050地面EPS聚苯板0.0415140040mm砂浆0.9319008408mm瓷砖0.8519008408 mm 铁皮1602800896门25 mm 木板0.1555018803.048mm铁皮160280089620 mm砂浆0.931900840100mm钢筋混凝土2.323001000楼板3.1720 mm砂浆0.9319008408mm瓷砖0.8519008405mm白玻0.9窗13mm空气夹层2.685 mm白玻0.9表5优化变量取值范围及步长参数取值范围步长集热器面积/m?0,2661南墙窗墙面积比0.3,0.90.1北墙窗墙面积比0.3保温层厚度/m0,0.50.01日照间距/m23,3113结果分析本文利用jEplus实现了围护结构、窗墙比、日照间距及主动太阳能系统协同优化，以拉萨地区为例，得到了综合考虑建筑能耗和系统初投资最小情况下最优结果。3.1单因素对建筑能耗影响从图5 7 可以看出，当保温层厚度小于0.1m时，建筑能耗受保温层厚度影响最大，其能耗变化斜率变化最大；而当保温层厚度大于0.1m时，建筑能耗随保温层厚度的增加而降低，斜率变化较为平缓。建筑能耗随南向窗墙面积比和日照间距变化斜率虽然较大，但是变化范围较小。窗墙面积比在0.3 0.9之间变化时，建筑能耗仅降低13.8 W/m。日照间距对能耗影响较小的主要原因是因为最小日照间距是以1层建筑最小日照时间确定的，当1层建筑满足最小日照时间时，2 层及以上层日照时间远大于1h，当日照间距增大时，对2 层及以上层日照时间影响较小，仅对1层日照时间有较大影响。403530252015105000.10.20.30.40.5保温层厚度/m图5建筑平均能耗与保温层厚度变化规律（窗墙面积比为0.6，日照间距为2 7 m）3.2优化结果图8 为拉萨地区日照间距和围护结构协同优化结果，帕累托前沿上的深色点为最优解，即供暖期间41H罗薇，等：拉萨地区居住建筑保温及太阳能集热面积协同优化设计研究181614121086420.30.40.50.60.70.80.9窗墙面积比图6建筑平均能耗与窗墙面积比变化规律保泪尽度为0日照间所为2 78.158.158.148.148.138.138.128.128.11222426283032日照间距/m图7建筑平均能耗与日照间距变化规律（保温层厚度为0.2 5m，窗墙面积比为0.6建筑总能耗和系统初投资最小。此时，最佳保温层厚度为0.0 9 m，南向窗墙面积比为0.6，日照间距为23m，太阳能集热器面积为40 m,建筑平均能耗为8.6W/m。日照间距优化结果为最小日照间距，主要原因是不同日照间距下，建筑平均能耗变化较小，且日照间距的增加对整体初投资影响较大。同时各参数削减负荷情况如下：围护结构保温7 1.5%；直接受益窗17.6%；主动太阳能系统占比10.9%，见图9。5550(2,01)/445403530最优解250123456789建筑能耗/(10 kWh)图：日照间距及围护结构协同优化结果3.3与现有标准对比表6、7 分别为本文研究得到的围护结构传热系数、南向窗墙面积比与西藏自治区民用建筑节能设计标准（DBJ5400012016）的对比结果。由表6、7可以看出，本文的约束值比规范约束值略高，这主要是因为主动太阳能系统初投资较高，提高围护结构传热系数有利于降低主动太阳能系统初投资。我们也可以看出，南向窗墙面积比并不是越大越好，直接受益窗白天可以充分利用太阳能向室内供暖，同时夜间也作为失热部件增加建筑能耗。因此，综合建筑昼间得热与夜间失热，南向窗墙面积比应取0.6。主动太阳能系统10.90%直接受益窗17.60%围护结构保温71.5%图9削减负荷比例表6围护结构传热系数对比围护传热系数/W/（mK)】结构规范本文外墙0.500.32屋面0.400.36地面1.100.40表7窗墙面积比对比窗墙面积比方向规范本文南向0.450.604结论通过对西藏拉萨地区某6 层建筑进行建筑围护结构保温、直接受益窗、主动太阳能系统和日照间距协同优化模型计算及分析得到以下结论：(1)投资与日照间距成正比，在满足最小日照间距下增大日照间距对高层建筑得热影响较小。（2）由于主动太阳能系统初投资较高，本文热工参数优化结果相比规范结果略高。(3）当保温层厚度为0.0 9 m、南向窗墙面积比为0.6、日照间距为2 3m、太阳能集热器面积40 m时，供暖期间建筑总能耗和系统初投资最小。（4）围护结构保温削减的负荷比例最大，达71.5%；直接受益窗削减的负荷占比17.6%；主动太阳能系统占比10.9%。主被动采暖的协同优化方法若在设计前期得到应用,将对提升建筑采暖的经济性和节能性具有积极的研究价值和现实意义。(下转第6 1页）61上接第41页）XIA Fan,et al.Dynamic Heat Transfer Characteristics of PhaseTransitionEnergy Storage-capillary Embedded TubeUnit管。因此螺旋管式的嵌管单元换热效果优于U型管和直型管，螺旋管的选择可以明显缩短相变材料的放热时间。研究应用复合相变墙体嵌人套管改善蓄热能力，螺旋管式为最佳选择，该结论在一定程度上为相变墙体的深人研究奠定基础。参考文献：1巫洋茜，谢东，王汉青.相变蓄能墙体在主/被动建筑中的应用现状J.建筑热能通风空调，2 0 2 1,40（6）：8 9-9 4.2桂鹏策，胡思前，汪海平.相变储能材料及其在温控领域中的应用 J.现代化工,2 0 2 0,40（10）：7 5-7 9.3刘明炀.相变墙体的制备及传热性能研究 D.武汉：武汉工程大学,2 0 19.4 Diaconu B M,Cruceru M.Novel Concept of Composite Phase ChangeMaterial Wall System for Year-Round Thermal Energy Savings J.Energy and Buildings,2010,42(10):1759-1772.5陈萨如拉，常甜馨，杨洋，等.既有建筑嵌管式相变复合墙体夏季热特性研究 J.中国科学技术大学学报，2 0 2 1,51（11）：8 40-8 56.【6 赵运超，丁云飞，周孝清，等.瞬态气象条件下变热容相变墙体隔热研究 J.太阳能学报：2 0 2 1,42（10）：146-152.7原芷若，苏增强，张明旭，等.相变储能技术在建筑领域的应用分析 J.科技视界,2 0 2 1，（17）：143-144.8 J Longeon M,Soupart A,Fourmigue J F,et al.Experimental andNumerical Study of Annular PCM Storage in the Presence of NaturalConvectionJ.Applied Energy,2013,112(12):175-184.9 Agyenim F,Eames P,Smyth M.A Comparison of Heat TransferEnhancement in a Medium Temperature Thermal Energy Storage HeatExchanger using FinsJ.Solar 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Jin,Shuanglong Zhang,Xiaodong Xu,et al.Effects of PCMState on its Phase Change Performance and the Thermal Performance ofBuilding Walls J.Building and Environment,2014,8(1):334-339.14 Hatakeyama T,Ishizuka M,Takakuwa S,et al.Experimental andThermal Network Study on the Performance of a Pins Studded PhaseChange Material in Electronic Device Cooling J.Journal of ThermalScience and Technology,2011,6(1):164-177.15严天，黄志波，高佳佳，等.自力式套管封装相变墙体排热系统及相变简化模型研究 J.建筑科学,2 0 19,3 5（4）：2 2-2 7.16党昕，孟多，高慧.恰法与显热容法在建筑相变蓄热技术数值模拟中的应用 J.辽宁工业大学学报：自然科学版，2 0 2 1，41（3）：18 8-194.17全仓，李祥立，端木琳.多管式相变蓄热器换热影响因素研究 。太阳能学报，2 0 19,40（8）：2 2 9 9-2 3 0 5.18谭心，程西送，虞启辉，等.基于Fluent的相变蓄热水箱蓄热性能研究 J.机床与液压,2 0 2 0,48（16）：12 1-12 5.19 张改.多排管式蓄热器蓄放热性能数值模拟及实验研究 D.石家庄：河北科技大学,2 0 13.20宗弘盛，杨兆晟，张群力，等.梯级相变蓄热装置蓄放热性能模拟研究 J.可再生能源，2 0 2 1,3 9（5）：6 18-6 2 5.作者简介：夏凡（19 9 6），男，江西人，能源动力工程专业，硕士研究生，研究方向为相变储能（9 6 53 2 7 52 4 ）。指导教师：李小华（19 7 2），男，湖南邵阳人，毕业于澳大利亚阿德莱德大学，博士，教授，研究方向：新能源技术及应用、绿色建筑与建筑节能、特种环境控制技术（13 0 0 7 449 53 8 16 ）。北京：中国建筑科学研究院，2 0 186刘妍彤.西安某住宅建筑的主、被动混合优化节能策略研究 D.西安：西安建筑科技大学，2 0 18.7王晓亮.高寒地区建筑主动和被动采暖技术协同优化 D.成都：西南交通大学,2 0 17.【8】陆耀庆.实用供热空调设计手册【M.北京：中国建筑工业出版社，2008.9张昊，陈景衡，武玉艳.拉萨地区住宅建筑群布局模式对建筑能耗影响关系研究J.西安建筑科技大学学报：自然科学版，2 0 2 1,53（2）：289-294.作者简介：罗薇（19 9 1），女，陕西西安人，建筑与土木工程专业，硕士研究生，研究方向为建筑节能与工业通风（8 0 6 46 40 6 3 ）。