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1、混凝土、轻钢和木结构别墅型混凝土、轻钢和木结构别墅型混凝土、轻钢和木结构别墅型混凝土、轻钢和木结构别墅型 建筑运行能耗分析建筑运行能耗分析建筑运行能耗分析建筑运行能耗分析 Analysis on the operative energy consumption for concrete structure, light-steel structure and wooden houses 肖伟 林坤平 张群力 张寅平* 肖伟 林坤平 张群力 张寅平* 清华大学 建筑环境与设备工程研究所清华大学 建筑环境与设备工程研究所 Institute of Built Environment, Tsingh
2、ua UniversityInstitute of Built Environment, Tsinghua University 目录目录目录目录 ContentsContents 1、背景1、背景 Background 2、研究内容2、研究内容 Research contents 3、算例介绍3、算例介绍 Simulated Cases 4、能耗比较4、能耗比较 Energy Consumption Comparison 5、结论5、结论 Conclusions 1. 1. 背景背景背景背景 BackgroundBackground 中国建筑以混凝土结构为 主，轻钢结构逐年增多， 木结构建筑
3、很少 中国建筑以混凝土结构为 主，轻钢结构逐年增多， 木结构建筑很少 加拿大木材资源丰富，木 结构建筑在北美地区应用 广泛 加拿大木材资源丰富，木 结构建筑在北美地区应用 广泛 探讨木结构建筑 在中国推广的可 行性 探讨木结构建筑 在中国推广的可 行性 从运行能耗角度研 究木结构的特点和 优势 从运行能耗角度研 究木结构的特点和 优势 受加拿大木业协会委托，在清华大学土木工程系方东平教授 领导下，我们对此进行了研究。 受加拿大木业协会委托，在清华大学土木工程系方东平教授 领导下，我们对此进行了研究。 2. 2. 研究内容研究内容研究内容研究内容 Research contentsResearc
4、h contents ? 分析比较分析比较木结构、轻钢结构和混凝土结构木结构、轻钢结构和混凝土结构建筑的运行能耗；建筑的运行能耗； ? 分析比较分析比较Super E结构结构和普通木结构的运行能耗；和普通木结构的运行能耗； ? 考虑到我国建筑以混凝土结构为主，将考虑到我国建筑以混凝土结构为主，将混凝土结构建筑结合木结 构屋顶和轻钢结构屋顶构造新结构建筑 混凝土结构建筑结合木结 构屋顶和轻钢结构屋顶构造新结构建筑： 模拟计算混合结构建筑的运行能耗，和原有混凝土建筑进行比较;模拟计算混合结构建筑的运行能耗，和原有混凝土建筑进行比较; 分析比较了冬季通过三种屋顶的热损失情况分析比较了冬季通过三种屋顶
5、的热损失情况 ? 计算案例由加拿大木业协会提供计算案例由加拿大木业协会提供 ? 建筑所在区域：北京、上海两地建筑所在区域：北京、上海两地 3 3 3 3、算例介绍、算例介绍、算例介绍、算例介绍 Simulated CasesSimulated Cases 3.1 3.1 建筑描述建筑描述建筑描述建筑描述 Description of the demo houseDescription of the demo house 算例建筑由加拿大木业协会在北京地区建成算例建筑由加拿大木业协会在北京地区建成 独栋独户式建筑；包括地上两层和地下一层独栋独户式建筑；包括地上两层和地下一层 占地面积约223平米
6、占地面积约223平米 空调面积约为530平米空调面积约为530平米 房间由其功能定义，包括：卧室、起居室、 客厅、儿童游戏室、厨房、卫生间等 房间由其功能定义，包括：卧室、起居室、 客厅、儿童游戏室、厨房、卫生间等 建筑的正面图建筑的正面图 建筑的一层平面图建筑的二层平面图建筑的一层平面图建筑的二层平面图 3.2 3.2 建筑运行方式设定建筑运行方式设定建筑运行方式设定建筑运行方式设定 Operation strategy for the houseOperation strategy for the house 设定采暖空调房间的室温下限为设定采暖空调房间的室温下限为设定采暖空调房间的室温下
7、限为设定采暖空调房间的室温下限为18181818，上限为上限为上限为上限为24242424； 房间换气次数在房间换气次数在房间换气次数在房间换气次数在1.01.01.01.05.05.05.05.0次次次次/ / / /小时之间变化；小时之间变化；小时之间变化；小时之间变化； 当夏季室外温度比室内温度低时，可以开窗增大换气次 数以减少空调使用时间，降低空调能耗，此时换气次数 为5次/小时。 当夏季室外温度比室内温度低时，可以开窗增大换气次 数以减少空调使用时间，降低空调能耗，此时换气次数 为5次/小时。 当增大换气不能达到控制室温时，则关窗并打开空调， 此时换气次数为1.0次/小时。 当增大换
8、气不能达到控制室温时，则关窗并打开空调， 此时换气次数为1.0次/小时。 3.3 3.3 地下层房间功能和作息定义地下层房间功能和作息定义地下层房间功能和作息定义地下层房间功能和作息定义 Function of the roomsFunction of the rooms- -basementbasement 房间号房间类型 是否空 调 面积 房间号房间类型 是否空 调 面积 (m2) 使用时间使用时间 (h) 人数 灯光设备 发热量人数 灯光设备 发热量 (W/m2) 0-N-1起居室起居室是是 否 否 否 否 否 否 否 否 是 是 是 是 是 是 否否 116.58：00-21：0045
9、 0-N-2贮酒室贮酒室9.5-00 0-N-3设备间设备间9.0-040 0-N-4储藏室储藏室35.6-00 0-N-5洗衣房洗衣房7.3-010 0-N-6佣人室佣人室5.821：00-8：0015 0-N-7卫生间卫生间5.80：00-24：0001 0-N-8儿童游戏室儿童游戏室29.218：0024：0035 0-N-9厕 所厕 所3.60：00-24：0005 一层房间功能和作息定义一层房间功能和作息定义一层房间功能和作息定义一层房间功能和作息定义 Function of the roomsFunction of the rooms- -first floorfirst floo
10、r 房间号房间类型 是否空 调 面积 房间号房间类型 是否空 调 面积 (m2) 使用时间使用时间 (h) 人数 灯光设备 发热量人数 灯光设备 发热量 (W/m2) 是 是 是 是 否否 是是 否否 是 是 是 是 否否 1-N-1客 房客 房14.621：00-8：0015 1-N-2起居室起居室102.68：00-21：0045 1-N-3更衣室更衣室2.5-00 1-N-4厕 所厕 所4.60：00-24：0001 1-N-5储藏室储藏室3.9-00 1-N-6客 厅客 厅28.417：00-24：0005 1-N-7厨 房厨 房19.8 10：00-12：00 16：00-18：00
11、 030 1-N-8车 库车 库38.1-00 二层房间功能和作息定义二层房间功能和作息定义二层房间功能和作息定义二层房间功能和作息定义 Function of the roomsFunction of the rooms- -second floorsecond floor 房间号房间类型 是否空 调 面积 房间号房间类型 是否空 调 面积 (m2) 使用时间使用时间 (h) 人数 灯光设备 发热量人数 灯光设备 发热量 (W/m2) 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 否否 是是 否否 是 是 是 是 2-N-1卧 室卧 室22.921：00-8：0015 2-N-2卧 室卧
12、室48.821：00-8：0025 2-N-3书 房书 房11.58：00-21：0015 2-N-4起居室起居室29.521：00-8：0025 2-N-5厕 所厕 所4.80：00-24：0001 2-N-6卧 室卧 室27.821：00-8：0015 2-N-7楼梯间楼梯间9.1-01 2-N-8厕 所厕 所13.00：00-24：0001 2-N-9盥洗室盥洗室1.8-01 2-N-10厕 所厕 所5.60：00-24：0001 2-N-11起居室起居室34.38：00-21：0035 3.4 3.4 建筑材料和构件建筑材料和构件建筑材料和构件建筑材料和构件 Description o
13、f the material and structureDescription of the material and structure 材料名称 导热系数 材料名称 导热系数 (W/mK) 密度密度 kg/m3 比热比热 J/kgK 云杉云杉(热流垂直木纹热流垂直木纹)0.1154301800 云杉云杉(热流顺着木纹热流顺着木纹)0.2074301800 玻璃棉保温玻璃棉保温0.058100754 石膏板石膏板0.24670950 建筑钢建筑钢58.157800461 混凝土混凝土1.402400880 平板玻璃平板玻璃0.762500840 聚苯乙烯保温聚苯乙烯保温0.027302010
14、 上表中的云杉即为木结构住宅中墙体和屋顶的主体材料；建筑钢为轻钢 结构住宅中墙体和屋顶的主体材料。 上表中的云杉即为木结构住宅中墙体和屋顶的主体材料；建筑钢为轻钢 结构住宅中墙体和屋顶的主体材料。 3.5 3.5 外墙构造外墙构造外墙构造外墙构造 The structures of the exterior wallThe structures of the exterior wall 编号编号材料名称材料名称 116 mm 水泥饰面板水泥饰面板 212 mm OSB层层 338*150mm2 木龙骨木龙骨 4160mm 玻璃棉保温玻璃棉保温 512 mm 石膏板石膏板 400mm 1 2 3
15、 4 5 木结构外墙截面图木结构外墙截面图轻钢结构外墙截面图轻钢结构外墙截面图 40mm 编号编号材料名称材料名称 116 mm 水泥饰面板水泥饰面板 212 mm OSB层层 31.4150mm2 钢架龙骨钢架龙骨 4160mm 玻璃棉保温玻璃棉保温 512 mm 石膏板石膏板 2 400mm 5 1 4 3 框架型围护结构等效热阻计算方法框架型围护结构等效热阻计算方法框架型围护结构等效热阻计算方法框架型围护结构等效热阻计算方法 R R- -value calculation of the frame structuresvalue calculation of the frame stru
16、ctures 如上页外墙截面图所示，框架型围护结构主体部分为复合结构如上页外墙截面图所示，框架型围护结构主体部分为复合结构 实际传热过程为二、三维问题，计算中做一维简化实际传热过程为二、三维问题，计算中做一维简化 无法用叠加的方法求得墙体的热阻值R无法用叠加的方法求得墙体的热阻值R ? 本项目利用本项目利用CFD模拟软件模拟软件Fluent6.0Fluent6.0模拟得出复合墙体的热流密 度与两侧温差，从而得出复合墙体的有效导热系数： 模拟得出复合墙体的热流密 度与两侧温差，从而得出复合墙体的有效导热系数： )( 21 TT q = q为复合墙体的热流密度为复合墙体的热流密度,为 复合墙体的厚度 为 复合墙体的厚度, T1、T2为符合 墙体两侧的温度。 为符合 墙体两侧的温度。 木结构建筑木结构建筑 ?16 mm 水泥饰面板水泥饰面板 ?建筑纸建筑纸 ?OSB层层 ?
