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跟着菲斯特教授学被动房【八】

来源:沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心作者:沃尔夫冈·菲斯特

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《德国被动房基础理论》课程,共8节,由德国被动房研究所沃尔夫冈·菲斯特教授讲授,沈阳建筑大学夏晓东讲述,柴泽宾翻译,沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心录制。本课程已获授权,转载必究。



第八节   建筑的能量平衡


课程PPT及讲义



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这节课是第八节,我们来讲一下建筑中能量的平衡。





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我们来看这张图片,这是在冬季,室外的温度是低于室内的,我们为了保证室内的温度比较稳定,那么就需要室内的热损失和补充的热量是平衡的,也就是ΔU=0。我们看看热损失的部分,热损失部分包括围护结构的传热损失,通风的热损失还有其他的一些热损失;在得热方面,首先是太阳能得热,室内的家用电器得热和室内人员得热,还有就是建筑采暖所补充的能量。




【P3】



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在国际上应用EN ISO 13790这个标准,德国被动房研究所开发的PHPP计算软件的计算内核就是基于这个标准,左侧的一列是建筑的热损失,上面是门窗的热损失,它分为南向和北向两个部分,就北半球而言,南向的窗可以接受太阳的直接辐射,北向的窗只有间接的辐射;第三部分是屋顶的热损失,第四部分蓝色的的是外墙的热损失,第五部分是地面的热损失,最后浅蓝色的部分是通风热损失;


右侧的一列是建筑的得热与热量补充,同样最上面的是通过外窗得到的太阳辐射得热,这里我们看一下,南向所占的比例较大,北向的比例较小,南向的外窗的得热是大于失热的,这种情况是只有在建筑外窗是高性能外窗才能实现的,这就是为什么在寒冷地区我们推荐三玻双low-e的玻璃的原因。


中间黄色的部分是室内得热,也就是人体的散热、我们室内用的电脑的散热、烹饪炊事带来的热量等等,外窗得热和室内得热这两个部分是免费的得热,但是这两部分的总和是不足以平衡建筑的热损失的,因此就需要一定量的采暖热补充,平衡就是建筑得热总量要等于建筑失热的总量。


这个能量平衡的原理是放在地球上任何地方都适用的,无论是在沈阳还是在香港,这个原理都不变。无论是低层的联排别墅,还是高层的大楼,这个原理也都适用。不同的只是计算的边界条件不同。那么通过之前的几节课我们介绍了各部分是如何计算的,下面我们通过一个例子来介绍一下能量的平衡。





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我们还是再来看这栋建筑的剖面图,首先我们要明确建筑的计算尺寸边界,他的尺寸是建筑围护结构的外边界,这样我们就可以计算出围护结构中各构件的面积,这是比较容易计算的。





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我们前面已经讲过,对围护结构中的一个构件是如何计算他的热损失的,也就是通过构件的传热系数乘以构件的相应面积乘以室内外的温差再乘以采暖时间,Δθ×Δt也叫做采暖度时数。它和我国暖通空调计算中的采暖度日数类似。那么上面案例中的墙体的热损失就可以代入相应的计算参数得出每年的热损失值。





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大家还记得我们之前讲过的不透明围护结构的传热系数的计算方法,也就是构件总传热阻的倒数。





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对于围护结构传热损失的计算呢,大家可以通过PHPP软件来完成,我们来看一下PHPP中的计算界面,上面两个数字是构件内外表面传热阻,内部是0.13、外部是0.08,下面有一个构造的表格,有若干行,这里我们可以将围护结构的构造层次逐层输入到表格中,并输入材料的导热系数λ,在表格的最右侧是各构造层的相应厚度,这样我们就可以通过软件,计算出围护结构的总厚度和传热系数,那么用软件来操作是比较便捷的,也更精确。





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对建筑围护结构中常规部位的传热损失的计算,就是所有围护结构部分的热损失的总和。比如有外墙、外窗、屋面、地面各部分。这个值是围护结构中常规部分传热的热损失,不包括热桥部位的热损失。





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那么前面的章节我们讲过,对整个建筑的传热损失的计算需要加上热桥部分的热损失,也就是这个公式,建筑的总传热损失Ht是由三部分组成的,分别是常规部位的传热损失加上线性热桥的传热损失再加上点状热桥的传热损失。线性热桥前面的课程中我们介绍过通常是那些位置和相应的计算方法。


这里说一下点状热桥,这是以点状形式分布在围护结构中的热桥部位,比如导热系数较大的保温板锚栓、穿过围护结构的管线、围护结构中悬挑出的一些栏杆的连接点等。他的计算是计算出点状热桥的热损失系数乘以热桥的个数。





【P10】



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那么在PHPP软件中我们可以更容易的计算出来,这个表格是围护结构传热损失的计算表格,左侧一列输入围护结构中各部分构件的名称,比如外窗、外墙、屋面、地面等,第二列第三列就是相应的面积,第四列是相应的传热系数,第五列是修正系数,第六列是前面提到的采暖度时数,最后一列就是自动计算得出的相应的传热损失。


这里提一下第九行,这里就是热桥部位,前面讲过如果热桥部位处理得好,热桥传热损失系数可以是负值,那么乘以相应的长度后,可以看到在热损失中他可以减掉一部分。最后一列下面的数值就是围护结构传热损失的总和,最下面是单位面积的热损失量,也就是kWh每平方米。表格中黄色的区域是手动输入的,其他部分是根据建筑所在气候区等条件自动生成的。


为了增强PHPP计算软件与建筑设计的结合,我们新开发了一个软件design PH,它是可以与建筑学的草图大师sketchup等绘图软件相关联的,这样就可以在建筑师做建筑设计的模型中直接导入数据,提高了效率。


介绍到这里呢,我们已经将整个围护结构的热损失计算出来了。那么还有一部分通风的热损失需要计算。





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那么通风可以通过这个公式计算,建筑中空气的体积乘以设备的空气交换率乘以空气中的热密度再乘以采暖度时数,这样就可以计算出机械通风的热损失。






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当然这样的计算也是可以在PHPP里面完成。我们可以输入房间的室内面积和房间的净高,这样就可以计算出空气的体积,也就是296m³,设备的空气交换率是考虑了热回收率之后的,设备的热回收率是80%,空气交换率是0.406,这个0.406是通过计算得来的,后面的0.016是渗透进来的空气部分,它的大小取决于气密性的高低,气密性越高这个值就越小,最后计算得出机械通风的热损失总量是729kWh,那么再除以室内的面积118.3平方米,得出了单位面积的通风损失指标。





【P13】



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现在大概介绍一下前面的0.406是怎么来的,这是PHPP软件中的表格,是关于通风设计值的PHPP计算示范。第二行的4代表建筑室内有4个人,下面的30这个值是每人每小时所需新风量,那么每小时所需总新风量就是120,下面横排的排风是不同房间的排风量,大家还记得这个60、40、20所对应的房间,这里输入相应的数量,那么进风和排风是要平衡的因此也是120。


右下角部分表格是需要考虑的影响系数(基本值、标准值和最大值)。输入这些相应的数值后,PHPP会计算出这个空气交换率。


以上我们介绍了建筑的绝大部分的热损失。接下来我们介绍建筑的得热。





【P14】



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建筑的得热部分首先是太阳能的得热,太阳能得热是通过外窗玻璃进入到室内的,那么它的计算就和玻璃的性能相关。


他的计算可以按这个公式,r是玻璃的遮挡折减系数,因为经常会有一些灰尘、窗上沿的遮挡,外窗的遮阳,南向树木的遮挡等等因素会对外窗有影响,g是玻璃的太阳能得热系数,也就是说我们使用了三层玻璃,在太阳辐射穿透窗玻璃的过程中是有削弱的,Aw是玻璃的面积,Sg是垂直面的太阳能辐射得热量,它是根据建筑所处地理位置的一个平均值,可以认为是一个常量。


外窗的太阳能得热计算是非常繁琐的,因为会有各种因素影响太阳辐射得热,但是我们必须要精确的计算,主要复杂的部分就是这个折减系数,如果忽视了折减系数,计算出的得热量会很大,这样的能量平衡是不准确的,因为计算大了太阳能得热,而实际使用过程中却没有这么多得热,就会造成采暖热补充的能耗量增加,或者室内温度达不到设计要求。





【P15】




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同样这个太阳能得热计算也可以在PHPP软件中完成,这里第一列是东南西北和水平的方向,第二列就是折减系数,第三列是玻璃的太阳能得热系数,第四列是玻璃面积,第五列是各个方向垂直面的太阳能辐射得热量,最后一列就是各个方向的太阳能得热值,下面是各个方向的太阳能得热总和,最下面是单位面积的得热指标。


在这个表格中东向和西向是没有外窗的,因此相应的参数都是零。这张表格中我们可以看到没有黄色的输入部分,是因为在外窗的表格中已经录入了相关信息,这个表格调用外窗的尺寸、性能参数、遮阳等数据之后,可以自动计算得出。





【P16】



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接下来我们要进行计算的就是室内得热,包括室内的人员、家用电器、生活热水等所散发出来的热量。在这个公式里,我们看到qi这个值就是室内单位面积得热值,也就是2.1W/㎡这个值,它是我们对所有被动房项目进行实测计算后制定的一个数值,这个值定在2.1是比较保守的,这是因为很多情况下,室内的很多潜在的热源并不能提供有效的室内得热,例如自动加热热水的洗衣机会把热废水直接排掉而并未对室内得热产生有效的影响。


此外,室内得热的计算还要乘以室内面积Aeb和采暖时间Δt。




【P17】




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室内的这部分得热确实是有作用的,但是他的值一般并不会太大。那么当然,还有一些室内得热是没有考虑的,比如一些不太规律的热量来源和热量损失。





【P18】



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比如在这张室内卫生间的红外热成像的照片中我们可以看到,整个房间里的温度都是比较高的,但是我们可以看到那个蓝色的部分,它是什么呢?它是一条湿毛巾,他的右侧还有一条干毛巾,干毛巾的温度和室内温度差不多,这条湿毛巾由于吸入了凉水它的温度比较低,他就会抵消掉室内的一部分热量。





【P19】



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这张图片又是什么呢,它是马桶的水箱的热成像照片,我们可以看到马桶冲完水后,重新注入了冷水,那么它的温度就比较低,同样他也会抵消掉室内的热量。





【P20】



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那么我们对马桶水箱进行了监测,这张图表就是反映出来的数据情况,图中蓝色的线是室内的温度,在22摄氏度左右,这个绿色的线是水箱中的水温,我们可以看到冲完水后重新注入的冷水只有9.5摄氏度,那么他开始逐渐升温,大概两小时40分钟左右升高到了17.5摄氏度,然后又是一次使用冲水,之后大概又经过了5个多小时,水温达到了19.3摄氏度,之后再使用冲水,几个小时之后达到了19.7摄氏度。


为什么每次冲完水温度不太一样呢,是因为我们现在的马桶有节水功能,一般都有两个按钮,一个是水量少的,两个一起按冲水量大,所以冲水量少的时候,补充的冷水与水箱里的存水相混合后,温度会高一些。但是,可以得出的是每一次冲水都带走了室内的热量。这也就是室内的得热与失热的不确定性。





【P21】




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那么接下来的部分是比较复杂的部分,前面的各部分计算我们都是有计算依据的,也就是有明确的物理依据,可以由公式计算。




那么接下来要讲的部分是需要依赖于计算机模拟的计算部分,这是在上世纪七八十年代科研人员进行的一些研究,有一些研究的结果已经写入了相关的标准中,还有一些还没有得到明确的物理依据,也没有明确的和标准的计算公式。




他的核心问题就是太阳能得热量和室内得热量并不是100%有效利用的,需要乘以一个利用系数η。在介绍η之前我们先看一下这个γ,它是建筑免费的得热量除以建筑总的热损失,也就是太阳能得热和室内得热之和除以围护结构传热损失和通风的热损失之和。




那么利用系数η可以参考下面这个公式,它是和a值相关的,这个a值是关于时间的量,这个a值越高,太阳能的利用率就越高,大家不用太过于纠结这个公式是怎么来的,因为他还没有特别精确的和标准的计算。






【P22】



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那么下面我们通过一个图表解释一下,这张图表的横轴就是γ,纵轴就是利用系数η,我们可以看到横轴γ值在100%的时候,正好是免费的得热和建筑热损失相等的时候,这个红颜色的曲线是理论上限,而实际上室内得热并不是完全有效利用的,那么实际情况就是下面这条绿线,它是达不到理论状态的,不同性能的建筑,对应的曲线也是不同的,被动房建筑由于他保存热量的能力非常强,这个曲线的斜率相对比较平缓,那么如果建筑保存热量的能力不足,这条曲线就会越陡,也就是快速的直线下降了,对于大部分的被动房建筑,曲线都是沿着绿线和红线之间分布的。


那么以我们举例的这栋建筑来讲,他的免费得热和总热损失的比例是59%,这样对应的利用系数η是97%,他表示的是太阳能得热和室内得热真实所用的比例,还有3%是用不上的。





【P23】



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介绍到这里呢,我们就可以写出完整的能量平衡的公式,他也是国际通用的公式,也就是每年采暖的热需求量,他等于总的热损失减去总的得热量乘以利用系数η的值,就是需要补充的能量。那么我们计算了一下我们这个案例,最后得出15.4kWh每年每平米这样一个数值。





【P24】




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那么我们再来重新看一下这张能量平衡的图片,在热损失部分里面最上面有一小部分,它是没有被有效利用的得热,实际上也就是失热。这样我们就从总体上认识了建筑的能量平衡,这一节的能量平衡部分我们就介绍到这里。



好,这节课我们就介绍到这里,谢谢!



以上也就是本系列公开课的全部内容,能够坚持看到视频最后一节的人不会很多,感谢大家的聆听,希望对您的职业生涯有所帮助。



点击回看:第一节   被动房概述


点击回看:第二节   围护结构的保温隔热


点击回看:第三节 围护结构的气密性


点击回看:第四节 建筑外门窗


点击回看:第五节 避免热桥


点击回看:第六节 建筑通风


点击回看:第七节 机械通风