用户开窗行为对围护结构综合传热系数的影响

彭 鹏， 田 喆， 卢亚开

(1.天津大学建筑设计研究院，天津300072；2.天津大学 环境科学与工程学院，天津300072)

1 概述

建筑围护结构是由外墙、屋顶、地面、门、窗等多部件组合而成的综合体，围护结构的热工性能是影响建筑节能效果的重要指标。目前，围护结构热工性能现场检测方法主要包括热流计法、热箱法、红外热像仪法[1]。然而，这3种方法的评价对象仅针对围护结构中的单一部件，测试结果为单一部件的传热系数，难以反映围护结构的综合热工性能。随着供热信息化水平不断提高，供热系统运行数据的获取变得十分便捷。文献[2-3]利用采集到的供热系统供热量与建筑室内外温差，采用一元线性回归方法求解了围护结构的综合传热系数。然而，受到居民开窗通风造成的散热量、太阳辐射得热量、内部得热量的影响，供热系统供热量与围护结构耗热量并不相等。

本文考虑太阳辐射得热量、内部得热量，定义表征围护结构绝热性能、气密性的围护结构基础传热系数，以及综合考虑围护结构绝热性能、气密性及用户开窗行为导致的开窗通风散热量的围护结构综合传热系数，采用理论与实测方法，分析用户开窗行为对围护结构综合传热系数的影响。

2 基本原理

2.1 热平衡分析

由于供暖建筑具有较大的热惰性，研究和实践表明，在进行围护结构耗热量分析时采用稳态传热算法是适用的[4]，因此本文以日为单位，进行稳态分析。

供热系统供热量与围护结构耗热量(包括基本耗热量、冷风渗透耗热量)、用户开窗通风造成的散热量(以下简称开窗通风散热量)、得热量(包括太阳辐射得热量、内部得热量)的热平衡方程为：

Φsup=Φenv+Φinf+Φwin-Φrad-Φin

(1)

式中Φsup——供热系统日均供热量，W

Φenv——围护结构日均基本耗热量，W

Φinf——围护结构日均冷风渗透耗热量，W

Φwin——日均开窗通风散热量，W

Φrad——日均太阳辐射得热量，W

Φin——日均内部得热量，W

将日均太阳辐射得热量Φrad、日均内部得热量Φin剥离，可以得到与室内外温差直接相关的日均耗热量，以Φbas表示：

Φbas=Φenv+Φinf+Φwin

(2)

式中Φbas——与室内外温差直接相关的日均耗热量，W

太阳辐射得热量：在掌握建筑几何尺寸、窗墙比和玻璃窗的遮阳系数等基本信息后，利用能耗动态模拟软件计算得到[5]。

内部得热量：内部得热量包括照明装置发热量、家用电器设备发热量、炊事发热量、人体发热量等，虽然受人员活动的影响比较明显，但是在整个供暖期中日平均值基本不变。JGJ 26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》第4.3.3条规定：建筑物内部得热量指标按3.80 W/m2取值。该数据是中国建筑科学研究院于1984年在北京市抽样调查并借鉴和汲取国外的经验确定。随着社会发展，建筑内部得热量发生了变化。根据文献[6]的结论，普通居住建筑单位供暖面积建筑内部热源的散热强度为4.17 W/m2，本文以此取值。

2.2 围护结构基础传热系数和综合传热系数

定义围护结构基础传热系数KHLC表征围护结构绝热性能、气密性，计算式为：

(3)

式中KHLC——围护结构基础传热系数，W/(m2·K)

A——围护结构总传热面积，m2

tin——室内温度，℃

tout——室外温度，℃

综合考虑围护结构绝热性能、气密性及用户开窗行为导致的开窗通风散热量，定义围护结构综合传热系数Kz，计算式为：

(4)

式中Kz——围护结构综合传热系数，W/(m2·K)

由式(3)、(4)可知，围护结构综合传热系数Kz在围护结构基础传热系数KHLC的基础上，考虑了用户开窗行为导致的开窗通风散热量。

3 计算案例

3.1 案例基本情况

天津某二步节能住宅，供暖面积为11 782 m2，建筑高度30 m，围护结构部件的传热面积及传热系数见表1。室内供暖装置为散热器，使用市政供热系统集中供热。热力入口安装温度和流量传感器，用于测量供回水温度和热水流量。为监测室内温度，考虑房间的朝向和在建筑中的相对位置(边、顶、底、中)，选择7个房间(编号为房间1～7)，分别布置温度自计仪。各测试传感器每10 min采集1次数据。测试期为2011年11月24日—2012年3月14日。本文以日为单位展开研究，因此将监测数据日平均化后进行计算。室外气象参数来自天津市气象局，为逐时观测资料。采用调查问卷的方式，对用户开窗行为进行调查，调查内容为：不同室外温度条件下的用户开窗行为。

表1 围护结构部件的传热面积及传热系数

3.2 实测数据

测试期日均供水温度、日均回水温度、日均室外温度随时间的变化见图1。测试期各房间日均室内温度随时间的变化见图2。由图2可知，在测试期室内温度基本保持稳定，变化幅度不大。

图1 测试期日均供水温度、日均回水温度、日均室外温度随时间的变化

图2 测试期各房间日均室内温度随时间的变化

为计算围护结构综合传热系数Kz，需计算与室内外温差直接相关耗热量Φbas以及对应的室内外温差。由式(2)可知，Φbas由Φsup、Φrad、Φin确定。Φsup可根据实测供回水温度、流量计算获得，Φrad根据建筑信息和当年气象资料通过模拟软件获取，Φin取4.17 W/m2。测试期单位供暖面积的与室内外温差直接相关的耗热量(定义为Φbas,S，单位为W/m2)以及室内外温差(本文指日均值)随时间的变化见图3。图3中室内外温差由图1中日均室外温度以及图2中各房间日均室内温度的平均值计算得到。

图3 测试期单位供暖面积的与室内外温差直接相关的耗热量以及室内外温差随时间的变化

根据图3数据，由式(4)可计算得到不同室内外温差下的围护结构综合传热系数Kz。围护结构综合传热系数随室内外温差的分布见图4。由图4可知，随着室内外温差增大，围护结构综合传热系数Kz呈逐渐下降的趋势，在室内外温差约24 ℃时出现拐点。当室内外温差大于24 ℃后，围护结构综合传热系数Kz趋于稳定。

图4 围护结构综合传热系数随室内外温差的分布

由于围护结构综合传热系数Kz是围护结构基础传热系数KHLC与开窗通风效应的叠加，而围护结构基础传热系数KHLC又是建筑自身属性，基本不随外界条件变化而变化。因此可以得出以下结论：随着室内外温差减小(在室内温度保持基本稳定的前提下，对应室外温度升高)，围护结构综合传热系数Kz增大是由用户开窗行为增加导致的。随着室内外温差增大(在室内温度保持基本稳定的前提下，对应室外温度下降)，围护结构综合传热系数Kz减小是由用户开窗行为减少导致的，使得围护结构综合传热系数Kz趋于围护结构基础传热系数KHLC。上述分析结果与居民调查问卷显示的结果基本吻合：当室外温度较高时，用户开窗现象较为普遍。当室外温度较低时，则会减少开窗时间，甚至不开窗。

3.3 用户开窗行为的影响

基于上述分析，反映围护结构绝热性能和气密性的围护结构基础传热系数KHLC可由图4中拐点之后的数据取算术平均值确定。

图4中按室内外温差由小到大顺序排列的围护结构综合传热系数Kz构成变量集Y(y1，y2，…，yi，…，yn)，与变量集Y中各元素一一对应的室内外温差构成变量集X(x1，x2，…，xi，…，xn)。当室内外温差增加到某一值时，即xi≥xk时，居民不开窗，此时xk对应的yk(即第k个室内外温差对应的围护结构综合传热系数Kz)可认为是在围护结构基础传热系数KHLC上下波动。

KHLC是由围护结构自身的热工性能决定的，当建筑确定时，KHLC为定值，与室内外温差无关，因此变量集X的子集Xn-k+1(xk，xk+1，…，xj，…，xn)与变量集Y的子集Yn-k+1(yk，yk+1，…，yj，…，yn)无线性关系，此时有：

(5)

由图4可知，变量集Y的子集Yk-1(y1，y2，…，yi，…，yk-1)与用户开窗行为有关，且认为子集Xk-1与Yk-1成线性关系。将子集Xn-k+1与Yn-k+1、子集Xk-1与Yk-1进行皮尔逊相关分析[7]，皮尔逊相关系数r的判别式分别为：

r(Xn-k+1,Yn-k+1)≤0.3

(6)

r(Xk-1,Yk-1)>0.5

(7)

采用Matlab软件对式(6)、(7)进行计算，可确定满足式(6)、(7)时k为90，对应室内外温差为24.02 ℃，这与图4反映的情况基本一致。由式(5)及相关数据可计算得到围护结构基础传热系数KHLC为1.56 W/(m2·K)。由图4中数据可计算得到，测试期围护结构综合传热系数Kz的算术平均值为1.66 W/(m2·K)，高于围护结构基础传热系数KHLC，超出部分可以认为是由于用户开窗行为导致的。

4 结论

① 基于热平衡分析法，定义反映围护结构绝热性能和气密性的围护结构基础传热系数，以及综合考虑围护结构绝热性能、气密性及用户开窗行为导致的开窗通风散热量的围护结构综合传热系数。以天津地区某居住建筑为例，采用实测与调查问卷的方法，对用户开窗行为对围护结构综合传热系数的影响进行分析。

② 随着室内外温差减小(在室内温度保持基本稳定的前提下，对应室外温度升高)，围护结构综合传热系数增大是由用户开窗行为增加导致的。随着室内外温差增大，围护结构综合传热系数减小是由用户开窗行为减少导致的，使得围护结构综合传热系数趋于围护结构基础传热系数。与居民调查问卷显示的结果基本吻合(当室外温度较高时，用户开窗现象较为普遍；当室外温度较低时，则会减少开窗时间，甚至不开窗)。

③ 将不同室内外温差下的围护结构综合传热系数作为数据样本，采用皮尔逊相关分析法，对用户开窗行为出现拐点的室内外温差进行计算。对于该居住建筑，用户开窗行为出现拐点的室内外温差为24.02 ℃。