西藏地区气候寒冷、太阳辐射照度高，并且常规能源匮乏，当地生态环境脆弱。在西藏地区大力推广太阳能采暖系统有非常重要的现实与战略意义。笔者自 2006一直从事太阳能采暖系统设计、优化与施工研究。
摘 要：西藏地区太阳能资源非常丰富且冬季温度低，该地区非常适合大面积推广太阳能采暖系统，以达到节能减排的目的。但是由于实际大部分太阳能采暖工程，忽略了建筑围护对太阳能主动式采暖系统初投资与运行费用的影响，造成了太阳能主动式采暖系统初投资过高、太阳能保证率低。为了分析建筑热工性能对太阳能主动式采暖系统的影响，笔者利用数值模拟方法，将建筑热工性能与主动式太阳能采暖系统作为一个整体进行计算分析，利用初投资费用最低与全寿命周期总费用最低两个目标函数，对主动式太阳能采暖建筑热工性能的保温性能进行优化。结果表明，提高建筑围护结构热工性能，不仅可以降低太阳能采暖建筑的采暖运行费用，而且可降低整个系统的初投资。
关键词：搜论文知识网,太阳能,可再生能源,建筑节能,建筑能耗分析,EnergyPlus,TRNSYS
根据现场实践，笔者最大感受是业主愿意投资大量资金建设太阳能主动采暖系统，如安装大面积太阳能集热板，但不愿对提高建筑围护结构热工性能进行投资，这就造成了建筑基准能耗过高，在同样太阳能保证率情况下(例如65%保证率)，主动式系统投资过大，系统运行能耗过高。本文以某一典型的实际工程为例，利用建筑动态能耗模拟软件(EnergyPlus与TRNSYS)对建筑围护结构热工性能对主动式太阳能采暖系统及系统能耗的影响进行定量分析，从全寿命周期出发确定最优建筑热工保温与主动式采暖系统配置。该新建建筑为西藏地区典型四层条式住宅建筑，建筑总面积为1 840 m2，其中采暖面积为1 230 m2，非采暖面积为610 m2。建筑外墙面积1 150 m2，外窗面积422 m2，屋顶面积457 m2，体型系数为0.37。对该典型建筑进行研究，其结果具有一定的普遍参考意义。
王 磊，等：西藏地区太阳能采暖建筑热工性能优化研究
1 建筑基本情况
新建建筑为4层条式住宅建筑，总面积为1 840 m2，各层房间布局与结构完全一样。建筑为砖混结构，外墙为240 mm厚实心砼砖块，内墙为200 mm厚实心砼砖块;屋顶为200 mm厚现浇钢筋混凝土，20 mm厚水泥保护层，60 mm厚炉渣找坡，4 mm厚SBS防水卷材，20 mm厚水泥砂浆;地面贴砖，卫生间吊顶铝合金;外窗为塑钢单层玻璃;外饰面为弹性涂料。图1给出了标准层平面图。
2 计算模型及参数
目前建筑动态能耗模拟软件可以分两大类[3]：
1)建筑能耗模拟软件―此类软件主要用于建筑和系统的动态模拟分析，以EnergyPlus 、DOE-2、DesT和ESP-r 等为代表。这类软件的主要模拟目标是建筑和系统的长周期的动态热特性(往往以小时为时间步长)，采用的是完备的房间模型和较简单的系统模型及简化的或理想化的控制模型，适于模拟分析建筑物围护结构的动态热特性及模拟建筑物的全年运行能耗。
2)空调采暖系统仿真软件―此类软件主要用于空调系统部件的控制过程的仿真，以TRNSYS、SPARK和HVACSIM+等为代表。这类软件的主要模拟目标是各种模块搭成的系统的动态特性及其在各种控制方式下的响应。它们采用的是简单的房间模型和复杂的系统模型，可以根据需要由使用者灵活地组合系统形式和控制方法，适用于系统的高频(如以几s为时间步长)动态特性及过程的仿真分析。
为了研究建筑围护结构动态热特性对主动式太阳能采暖系统的配置优化的影响，需同时采用上述两类软件，对建筑能耗与主动式太阳能采暖系统进行模拟计算。因此分别采用了EnergyPlus与TRNSYS对建筑能耗与主动式太阳能采暖系统进行模拟计算，其计算模型示意图见图2与图3所示。EnergyPlus模型计算所得出的建筑动态负荷，输入TRNSYS动态模型中进行主动式太阳能采暖系统模拟计算。
2.1 热工模型输入条件与假设
1)围护结构(外墙、屋顶、内墙、外窗)热工性能参数见表1～表3所示。
2)建筑换气次数选取1次/h
3)假设内热源为0 W/m2。
4)房间采暖温度取18℃
5)太阳能集热器选取平板式太阳能集热器，其集热效率选取ASHRAE Handbook[5]的典型平板式集热器效率曲线 ，并选取0.8修正系数，以考虑现场因素对集热效率影响。
6)室外气象数据选用拉萨市典型气象年[4]
2.2 经济模型输入条件与假设
1)外窗由单玻改为双玻，初投资增加200元/m2。
2)屋顶保温采用XPS保温，外墙采用EPS外墙外保温，初投资增加与保温厚度关系如图4所示。
3)采暖散热器(铜铝复合)取700元/kW。
4)电锅炉造价取180元/kW。
5)太阳能集热板造价取600元/m2。
6)蓄热水箱造价取2 300元/m3。
7)能源单价 0.65元/kWh。
3 计算结果分析
3.1 基准建筑计算结果分析
本文首先对基准建筑的设计负荷、全年动态能耗进行计算，并分析了在基准建筑热工性能条件下，太阳能集热板面积对系统的太阳能保证率与能耗的影响。其计算结果分别见表5与图5。
当太阳能主动式采暖系统选取保证率为65%时，对应的太阳能集热板面积为420 m2，即每平米太阳能板可以服务3.46 m2采暖面积。集热水箱的体积与系统保证率的关系如图6所示。 从图6中可以看出，最优蓄热水箱体积为42 m3即每平米集热板对应于100 L蓄热水。采用主动式太阳能采暖系统后，建筑全年的能耗为59 547 kWh，即41 kWh/m2。
3.2 不同保温措施热工性能分析
3.2.1 外窗采用中空玻璃(6+6+6) 当外窗由单玻窗，改为双玻窗(6+6+6)，建筑的采暖负荷可降低6%，在满足同样太阳能保证率(65%)条件下，太阳能集热板面积可减少4.4%，全年能耗减少4.3%。
3.2.2 增加屋顶保温 屋顶保温层厚度对建筑采暖负荷、集热板面积、全年能耗的敏感性分析见图7所示。
从图7中可以看出，当屋顶保温层厚度大于60 mm时，建筑采暖负荷、集热板面积以及全年能耗的进一步减小的相对变化率低于1%。此时，建筑采暖负荷降低约12%，集热板面积降低约16%，全年能耗降低约17%。
3.2.3 增加外墙保温 外墙保温层厚度对建筑采暖负荷、集热板面积、全年能耗的敏感性分析见图8所示。
从图8中可以看出，当外墙保温厚度大于50 mm时，建筑设计负荷、太阳能集热板、全年能耗进一步减少的相对变化率小于2%。此时建筑采暖负荷率降低了约23.1%，太阳能集热板面积减少约27.7%，全年能耗减少约30.3%。
3.3 不同保温措施经济性分析
在上述敏感性分析的基础上，本节分析建筑热工保温对太阳能采暖系统的初投资、运行费用及全寿命周期费用的影响，以确定最优的建筑热工保温范围。经济计算中，假设建筑保温层与主动太阳能采暖设备系统的寿命为25 a，不考虑能源价格升高与货币贬值率。
初投资同时考虑，建筑保温提高所造成的投资增加，以及当建筑保温性能提高后，采暖末端、辅助热源、集热板面积、蓄热水箱体积等减少所带来的设备初投资降低。
外窗改为双层玻璃，屋顶保温、外墙保温对建筑与太阳能采暖系统总投资节省、运行费用节省及全寿命周期费用节省的计算结果见表6，与图9，图10，所示。
从表6中可以看出，当外窗由单玻窗改为双玻窗时，总初投资增加约19 600元(10.7元/m2)，总运行费用节省41 625元(22.6元/m2)，全寿命周期费用 可以节约21 980元(11.9元/m2)。
由图9可以看出，当屋顶保温厚度为60 mm时，建筑初投资的节省值最高，约为46 657元(25.4元/m2)。当屋顶保温层厚度为100 mm，全寿命周期节省值最高，约为219 025元(119元/m2)，因此对于太阳能采暖建筑屋顶保温层的最优厚度为60～100 mm，对应的传热系数为0.42～0.27 W/m2・K。
图10中可以看出，当外墙保温厚度为50 mm时，初投资费用节省值最高，约为35 793元(19.5元/m2)。当外墙保温层厚度为70 mm，全寿命周期费用节省值最高，约为344 183元(187.1元/m2)，因此对于太阳能采暖建筑屋顶保温层的最优厚度为50～70 mm，对应的传热系数为0.60～0.46 W/m2・K。
4 结 论
利用数值模拟方法对太阳能采暖建筑的热工性能对主动式太阳能采暖系统设计参数与能耗的影响进行分析。并从初投资与全寿命周期两个方面，确定最佳的太阳能建筑热工性能保温要求，得出了以下结论：
1)当外窗改为中空玻璃时，建筑的采暖负荷降低6%，太阳能集热板面积可减少4.4%，全年能耗减少4.3%。每平米建筑面积对应初投资增加约10.7元/m2，全寿命周期节省11.9元/m2。
2)当屋顶XPS保温层厚度大于60 mm后，建筑采暖负荷、集热板面积以及全年能耗的相对减小率低于1%。初投资费用最低的屋顶XPS保温层厚度为60 mm，对应传热系数0.42 W/m2・K，全寿命周期费用最低的屋顶XPS保温层厚度为100 mm，对应的传热系数为0.27 W/m2・K。
3)当外墙EPS保温厚度大于50 mm时，建筑设计负荷、太阳能集热板、全年能耗的相对减少率低于2%。初投资费用最低的外墙EPS保温层厚度为50 mm，对应的传热系数为0.60 W/m2・K;全寿命周期费用最低的外墙EPS保温层厚度为70 mm，对应的传热系数为0.46 W/m2・K。
参考文献：
[1]EnergyPlus. Enginnering reference [S]. Lawrence Berkeley National Laboratory， 2010.
[2]TRNSYS 16 Manual. Solar energy laboratory [S]. University of WisconsinMadison， 2006.
[3]燕达，谢晓娜，宋芳婷，等.建筑环境设计模拟分析软件DeST第1讲建筑模拟技术与DeST发展简介[J].暖通空调，2004，34(7)：
Yan D， Xie X L， Song F T， et al. Building enviroment design simulation software DeST simulation and DeST [J]. Heating Vertilating & Airconditioning， 2004，34(7)：3539.
[4]宋芳婷，江亿.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].中国建筑工业出版社，2005.
[5]ASHRAE Handbook HVAC Applications [R].Chapter 33，SOLAR ENERGY USE，2007.
[6]GB 50179―93 建筑气候区划标准[S].北京：中国计划出版社，1993. [7]Weather data for building energy analysis of China [M]. China Architecture & Building Press， 2005.
[8]Tanbiruj M D J， Masudur M D R， Design of a direct gain passive solar heating system [C]//2010 International Conference on Industrial Engineering and Operations Management， Dhaka，Bangladesh， January，2010.
[9]Cheung C K， Fuller R J， Luther M B. Energyefficient envelope design for highrise apartments [J]. Energy and Buildings， 2005， 37：3748.
