【論文精選】嚴寒區(qū)太陽能資源分區(qū)與集裝箱房供暖期能耗
【論文精選】嚴寒區(qū)太陽能資源分區(qū)與集裝箱房供暖期能耗
GAS-HEAT1978
《煤氣與熱力》始于1978年，創(chuàng)刊于1981年，中國核心期刊，中國土木工程學(xué)會燃氣分會會刊。篩選燃氣供熱行業(yè)最有價值的技術(shù)信息，新聞分類整理、政策標準、熱點討論、投稿查詢、論文檢索、寫作指導(dǎo)、編委風(fēng)采、精品會議……
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作 者： 史彥卓，楊暉，鄭穎，郭寶霞，佟雨柔，陳國偉
第一作者單位：北京建筑大學(xué)供熱、供燃氣、通風(fēng)及空調(diào)工程北京市重點實驗室
摘自《煤氣與熱力》2022年4月刊
參考文獻示例
史彥卓，楊暉，鄭穎， 等 . 嚴寒區(qū)太陽能資源分區(qū)與集裝箱房供暖期能耗 ［J］. 煤氣與熱力， 2022，42（4） ：A21-A26.
1 概述
集裝箱房作為臨時建筑的一種，具有可回收、結(jié)構(gòu)強度高等優(yōu)點 ［ 1 ］ ，多用于工地、軍隊宿舍以及災(zāi)后重建用房 ［ 2 ］ 。新冠肺炎流行期間建立的方艙醫(yī)院及隔離用房也多為集裝箱房，這使人們逐漸了解到集裝箱房的優(yōu)勢，也開始關(guān)心在我國不同氣候區(qū)能否適用。 Wang 等人 ［ 3-4 ］ 在成都搭建了臨時建筑并對其室內(nèi)熱環(huán)境進行了研究，結(jié)果表明：房間門窗緊閉時，冬季、夏季測試周內(nèi)日間自然室溫遠高于室外溫度，最大溫差均達到 7 ℃以上。冬季夜間自然室溫與室外溫度基本一致，夏季夜間自然室溫高于室外溫度 1~2 ℃。室內(nèi)熱環(huán)境長期處于不舒適狀態(tài)。
我國嚴寒和寒冷地區(qū)晝夜溫差大，對建筑室內(nèi)環(huán)境影響明顯 ［ 5-6 ］ ，因此如何在冬季保持集裝箱房良好的室內(nèi)環(huán)境成為關(guān)注的問題。與混凝土建筑相比熱惰性小、進深小的特點，使集裝箱房受太陽輻射影響更大。劉大龍等人 ［ 7-8 ］ 研究了青藏高原（嚴寒和寒冷氣候地區(qū)）典型城鎮(zhèn)的水平面總輻射、溫濕度等氣象參數(shù)及海拔對居住建筑能耗的影響，并以晴空指數(shù)為基礎(chǔ)，采用聚類分析法對我國太陽能資源進行了分區(qū)，結(jié)果表明太陽輻射是影響能耗的關(guān)鍵因素。此外，許多學(xué)者研究了集裝箱房非透明圍護結(jié)構(gòu)熱工特性對集裝箱房能耗、室內(nèi)熱環(huán)境的影響 ［ 9-10 ］ 。
本文選取我國嚴寒地區(qū)（嚴寒 A 區(qū)、嚴寒 B 區(qū)、嚴寒 C 區(qū)） 63 座城鎮(zhèn)，采用聚類分析法對供暖期（以典型年 11 月 15 日—次年 3 月 15 日作為計算時間）太陽能資源進行分類，選出典型城鎮(zhèn)。模擬研究窗墻比對集裝箱房供暖期綜合能耗（包括供暖能耗、照明能耗、設(shè)備能耗）、室內(nèi)溫度的影響。
2 太陽能資源分類
供暖期南向太陽輻照度（法向直射輻照度占主導(dǎo)）可反映建筑的太陽得熱量，南向太陽輻照度的計算式為 ［ 11 ］ ：
由計算結(jié)果可知， 11 月 15 日至次年 3 月 15 日 63 座城鎮(zhèn)的法向直射輻照度、南向太陽輻照度并無明顯規(guī)律，因此我們采用聚類分析法對太陽能資源進行分類。聚類分析法可以將數(shù)據(jù)分成若干簇族，使得同一簇內(nèi)的數(shù)據(jù)點相似度盡可能大，而不同簇間的數(shù)據(jù)點相似度盡可能小，從而找出具有相似特征的數(shù)據(jù)點 ［ 15 ］ 。 K-means 算法作為基于劃分的聚類算法，基本思想：從一組數(shù)據(jù)中給定若干個點作為聚類中心，通過迭代的方法更新聚類中心的值，最終使每個數(shù)據(jù)與聚類中心的距離平方和最小 ［ 16 ］ 。該方法通常用于從隨機分布的事物集合中將相同事物進行分組，適合對本文這類具有相同特點的數(shù)據(jù)進行分組。
筆者使用 Python 語言編寫 K-means 算法，并將 63 座城鎮(zhèn)的 11 月 15 日至次年 3 月 15 日法向太陽曝輻照度、南向太陽輻射曝輻照度載入進行聚類，采用輪廓系數(shù)法 ［ 17-18 ］ 確定最優(yōu)聚類數(shù)，最終進行分類。
供暖期太陽能資源分類見表 1 。表 1 中將內(nèi)蒙古簡稱為蒙。太陽能資源分區(qū)Ⅰ區(qū)為供暖期太陽能資源較差地區(qū)，Ⅱ區(qū)為供暖期太陽能資源豐富地區(qū)。
表 1 供暖期太陽能資源分類
根據(jù)聚類分析結(jié)果，在每個簇族內(nèi)選取距離簇心最近的城鎮(zhèn)作為典型城鎮(zhèn)：
嚴寒 A 區(qū)：Ⅰ區(qū)典型城鎮(zhèn)為漠河，Ⅱ區(qū)典型城鎮(zhèn)為博克圖。
嚴寒 B 區(qū)：Ⅰ區(qū)典型城鎮(zhèn)為安達，Ⅱ區(qū)典型城鎮(zhèn)為二連浩特。
嚴寒 C 區(qū)：Ⅰ區(qū)典型城鎮(zhèn)為沈陽，Ⅱ區(qū)典型城鎮(zhèn)為大同。
3 集裝箱房模型及參數(shù)設(shè)置
根據(jù) CECS 334 — 2013 《集裝箱模塊化組合房屋技術(shù)規(guī)程》中的 ICC 箱型，建立集裝箱房的物理模型，見圖 1 。集裝箱房長 6.058 m ，寬 2.438 m ，高 2.591 m ，南向墻體設(shè)有外窗、尺寸為 0.9 m × 2.1 m 的外門。外窗熱工參數(shù)根據(jù) GB/T 51350 — 2019 《近零能耗建筑技術(shù)標準》中的 80 系列內(nèi)平開隔熱鋁合金窗選取，窗墻比隨模擬工況不同變化，門窗氣密性等級按 6 級計算。
集裝箱房圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)滿足 JGJ 26 — 2018 《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》規(guī)定的嚴寒 A~C 氣候區(qū)域傳熱系數(shù)限值，傳熱系數(shù)見表 2 。
圖 1 集裝箱房物理模型
表 2 集裝箱房圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)
供暖室內(nèi)設(shè)計溫度為 18 ℃，房間換氣次數(shù)取 0.5 h -1 。采用電散熱器供暖，電熱轉(zhuǎn)化率取 95% ，室內(nèi)溫度低于 18 ℃時開啟電散熱器。照明裝置電功率密度取 6 W/m 2 ，光熱轉(zhuǎn)換率取 75% 。設(shè)備電功率密度 3.8 W/m 2 ，設(shè)備發(fā)熱率為 100% 。室內(nèi)人數(shù)設(shè)置為 1 人。為了使日間房間 0.75 m 高度的光通量滿足 300 lx ，將照明使用率在 8 ： 00 — 18 ： 00 調(diào)整為 1.0 ，并在軟件中開啟照明控制。人員在室率、照明裝置使用率、設(shè)備使用率的逐時分布見表 3 。表 3 中，第 1 h 表示［ 0 ： 00 ， 1 ： 00 ），第 2 h 表示［ 1 ： 00 ， 2 ： 00 ），以此類推。
表 3 人員在室率、照明裝置使用率、設(shè)備使用率的逐時分布
采用 DesignBuilder 軟件在不同窗墻比條件下，對集裝箱房進行能耗及室內(nèi)熱環(huán)境模擬，熱平衡算法采用導(dǎo)熱傳遞函數(shù)法（ CTF ）。
4 模擬結(jié)果與分析
4.1 窗墻比
JGJ 26 — 2018 指出，嚴寒地區(qū)建筑南向窗墻比應(yīng)小于 0.45 ，根據(jù) GB/T 5824 — 2021 《建筑門窗洞口尺寸系列》確定 5 種窗墻比對應(yīng)的外窗尺寸，見表 4 ?？紤]實際情況，外窗的寬度、高度進行了圓整。
表 4 5 種窗墻比對應(yīng)的外窗尺寸
4.2 窗墻比的影響
為驗證聚類分析法對太陽能資源分區(qū)的有效性，選取相同太陽能資源分區(qū)內(nèi)緯度最低城鎮(zhèn)與典型城鎮(zhèn)進行綜合能耗對比。
3 個熱工區(qū)域的太陽能資源分區(qū)中緯度最低城鎮(zhèn)與典型城鎮(zhèn)綜合能耗隨窗墻比的變化分別見圖 2~4 。由圖 2~4 可知，在 3 個熱工區(qū)域的太陽能資源分區(qū)中，緯度最低城鎮(zhèn)與典型城鎮(zhèn)的綜合能耗均隨窗墻比的增大而先減小后增大。熱工區(qū)域、太陽能資源分區(qū)一定時，緯度最低城鎮(zhèn)與典型城鎮(zhèn)的最小綜合能耗對應(yīng)相同窗墻比。這說明聚類分析法對太陽能資源分區(qū)具備有效性，典型城鎮(zhèn)具有區(qū)域代表性。
圖 2 嚴寒 A 區(qū)太陽能資源分區(qū)緯度最低城鎮(zhèn)與典型城鎮(zhèn)綜合能耗隨窗墻比的變化
圖 3 嚴寒 B 區(qū)太陽能資源分區(qū)緯度最低城鎮(zhèn)與典型城鎮(zhèn)綜合能耗隨窗墻比的變化
圖 4 嚴寒 C 區(qū)太陽能資源分區(qū)緯度最低城鎮(zhèn)與典型城鎮(zhèn)綜合能耗隨窗墻比的變化
12 月 14 日 0 時— 28 日 24 時（以下簡稱 12 月 14 — 28 日）， 3 個熱工區(qū)域的太陽能資源分區(qū)典型城鎮(zhèn)室外溫度見圖 5 。 12 月 14 — 28 日， 3 個熱工區(qū)域的太陽能資源分區(qū)典型城鎮(zhèn)窗墻比 9% 、 25% 、 41% 對應(yīng)的室內(nèi)溫度逐時值分別見圖 6~8 。由圖 6~8 可知，房間設(shè)置的電散熱器保證了室內(nèi)溫度最低為 18 ℃。由于集裝箱房圍護結(jié)構(gòu)熱惰性比較差，在太陽輻射作用下，室內(nèi)溫度升高速率比較快，當失去太陽輻射作用時，室內(nèi)溫度下降速率也比較快。窗墻比越大，集裝箱房室內(nèi)溫度波動越明顯。
圖 5 12 月 14 — 28 日 3 個熱工區(qū)域太陽能資源分區(qū)典型城鎮(zhèn)室外溫度
圖 6 12 月 14 — 28 日嚴寒 A 區(qū)太陽能資源分區(qū)典型城鎮(zhèn)窗墻比 9% 、 25% 、 41% 對應(yīng)的室內(nèi)溫度逐時值
圖 7 12 月 14 — 28 日嚴寒 B 區(qū)太陽能資源分區(qū)典型城鎮(zhèn)窗墻比 9% 、 25% 、 41% 對應(yīng)的室內(nèi)溫度逐時值
圖 8 12 月 14 — 28 日嚴寒 C 區(qū)太陽能資源分區(qū)典型城鎮(zhèn)窗墻比 9% 、 25% 、 41% 對應(yīng)的室內(nèi)溫度逐時值
5 結(jié)論
①在 3 個熱工區(qū)域的太陽能資源分區(qū)中，緯度最低城鎮(zhèn)與典型城鎮(zhèn)的綜合能耗均隨窗墻比的增大而先減小后增大。熱工區(qū)域、太陽能資源分區(qū)一定時，緯度最低城鎮(zhèn)與典型城鎮(zhèn)的最小綜合能耗對應(yīng)相同窗墻比。聚類分析法對太陽能資源分區(qū)具備有效性，典型城鎮(zhèn)具有區(qū)域代表性。
②房間設(shè)置的電散熱器保證了室內(nèi)溫度最低為 18 ℃。由于集裝箱房圍護結(jié)構(gòu)熱惰性比較差，在太陽輻射作用下，室內(nèi)溫度升高速率比較快，當失去太陽輻射作用時，室內(nèi)溫度下降速率也比較快。窗墻比越大，集裝箱房室內(nèi)溫度波動越明顯。
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（本文責(zé)任編輯：賀明?。?/span>
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