1、1模拟两个北方城市的屋顶反射对建筑能量平衡的影响摘 要在建筑物屋顶表面的太阳辐射影响制冷和供热的能源需求。在这项研究中是使用计算机模拟的有四个屋顶的大型零散建筑随明尼苏达州明尼阿波利斯每小时的天气数据变动的隔离水平（R-4 到 R-24）来研究增强屋顶反射的效果。在夏季黑色的屋顶表面温度可达到 160 多华氏度（71）；白色屋顶可达到大约 100 华氏度（38），导致比黑色低了6-17的冷却能源消耗。虽然在冬季增加的供热成本否定了一部分冷却节约，白色屋顶节约的总能量价值仍为正。此外，最大每小时压缩机功率的降低每月计费负责所需求的电力高峰达 0.06-0.3 W 每平方英尺（0.6 至 3 W/
2、 ）可以坚持归因于高反射率的屋顶。节约的成本需求可能超出节约能源的成本。白色屋顶对于 R-4 到 R-24 的保温全年节约的总能可达到每一千平方英尺 27 美元（$0.3/）每一千平方英尺 10 美元（$0.1/）。对于丹佛有限公司，位置远南于明尼阿波利斯，有一个温暖的气候，有限的模拟结果表明最高节约了两倍。对于具有较高的绝缘水平，白色屋顶节约的能源相比与黑色屋顶较低，而增加屋顶反照率节约的总成本可比增加保温节约的成本更高。另外，积雪和外界空气省煤器的运行在屋顶反射节约的能量上的影响进行调查。绪 论商业和住宅楼宇的反射屋顶的涂料有降低冷却能源消耗和降低屋顶的温度需求的潜力。节约能源和冷却设备的
3、潜在裁员是由于较低平均温度下获得的屋顶与屋面材料具有较高的太阳能反射率。在采暖季节反射屋顶也将降低屋顶温度（相对于非反射屋顶），从而增加了热负荷和创造了一个权衡冷却节能和供热能源的优劣标准（罚款）。对于一般为商业，机构和工业设施的有大型平板或南倾的屋顶的低层建筑效果是显著2的，否则将有深色沥青或金属板材屋面。无条件的阁楼空间或高屋顶隔热值将减轻效果。权衡冷却节能与加热利用优劣（罚款）在以前出版的如明尼阿波利斯的北方气候的文献中没有广泛的研究。进行这项研究是确定使用了反射屋顶时的在北方气候中对于加热和冷却的综合能耗。本文总结是用计算机模拟模型修建的 TRNSYS 分析的结果，这是一个专门设计来模
4、拟瞬态传热过程和太阳能系统的仿真程序。该程序包括所有必要的例程以有效地计算太阳辐射对建筑物以及建筑和空调组件模型。以明尼阿波利斯 TMY2 气象数据仿真驱动。文献回顾在以往对屋顶反射和建筑节能的使用的研究中，作者认为，具有较高反射率的屋顶可以针对南部气候传递空调系统节能空间（阿克巴里等人 1998、阿克巴里 1998 年、帕克、宣威等 1998）。在此之前对模拟结果进行补充，用实验证明屋顶表面温度随佛罗里达州制冷能耗相应降低而显着降低（阿里奇 1998 年、帕克、黄等 1998）。在温暖气候，空调的节能成本超过了增加的供暖费。对于更冷气候，它已被认为可能是相反的案例。（阿克巴里等 1998 年
5、）得出结论，高反射屋顶在明尼阿波利斯有一个关于全年建筑能源成本的负面影响。正的净储蓄，但是，可能发生在这些气候，由于夏季高峰负荷较小空调系统的大小减少时，造成为了一年中的更大比例在较小的风机和较高部分负荷比下运行。从柏，黄等人（1998 年）可以得出结论，在明尼阿波利斯市住宅反射屋对每年的能源成本有负面影响（如有）。然而，不同的方法用于分析能源消耗不会产生一致的结果（希尔德布朗等 1998 年）和和 DOE-2 为基础的模拟可能会大大低估了屋顶反射对能源使用的影响，包括一个节能的主观预测高达两倍（阿克巴里 1998 年）。此外，结果可能只适用于某些确定类型分析的建筑。对于北方的气候，问题是反光
6、屋顶是否提供积极的净能储蓄，若有，哪些类型的建筑物没有决定性地确定。3影响参数节能与夏季加强屋顶反射与冬季损失的关系是依赖以下因素：屋顶方向：根据一年中不同的坡度和时间，南坡屋顶（在北半球）能够获得比平屋顶更高的辐射强度；另外，倾斜的屋顶有少雪覆盖。日照：年日照时数在冬季和夏季分别影响最大热负荷利益和冷却节能潜力。当屋顶被白雪覆盖，屋顶的反射效果是不利的。因此，冬天一个反射屋顶可能对具有悠久雪季的地点的罚款（加热利用）较小。屋面工程施工及保温：屋顶的热阻值越高，所得的传热越低因此，屋顶温度对建筑能源消耗使用的影响很少。高导热能力的屋顶施工，如厚厚的混凝土，将延迟太阳能加热效果，减少屋顶反射率的
7、影响。内部热源和制冷季节长度：在制冷季节，任何额外热量的增加（或热损失减少），因为屋顶温度升高增加了冷负荷。如果冷却季节很长，要么是由于温暖的气候或内部热收益高（商业及工业楼宇），反射屋顶往往会提供更高的节能。模型总结该模拟建筑是一个大的、单层的（即为“BigBox“）零售商店，拥有 25 英尺的高度，316 英尺长度，总面积为 100000 平方英尺。四面外墙有一个 11h-ft2-F/Btu 的热阻值。全部的 5的墙面积由内部遮阳80为单窗格窗口组成。建筑物的内部热收益来自源如灯光及其他电子设备和人类，并按照建筑物居住规定定值。一个 2.5 W/ft2 照明强度用于模拟。建筑物内除灯以外电
8、器设备是假设工作在功率为 0.3 W/ft2，每天 24 小时。该设施的人数每小时变化着且不同平日和周末。在模拟中一个居住时间表被提供给一个大盒子零售房中使用了。该设施中在开放的小时期间人数最多是 400，一个 4/1000 ft2 人流密度被假设。对于在商店顾客的预期活动水平每人产生的热量被假定为 315 Btu/h 显热和 325 4Btu/h 潜热，基于 ISO 标准 7730（ISO1994 年）。这个模拟中建筑模型有一个大的内部热收益。将这个模拟的结果运用到无重大内部负载的建筑内，如住宅建筑，可能不会产生这里提出的类似的结果。这种分析比较了模型每小时加热和冷却的能源消耗。热阻值在建成
9、的绝缘安装的屋顶的参数变化（R-0 到 R- 24），屋顶反照率（黑= 6对比白色=65），以及在屋顶上存在的积雪覆盖。 雪盖模型基于每小时的天气数据和占由于穿过屋顶的热通量而额外的熔化量。重要的是强调我们将一个“R-24”定义为一个有三元乙丙橡胶膜和一个足够水平的绝缘材料的金属板屋顶，增加了一个 24h-ft2-F/Btu 的热阻值（标称值）。实际屋顶的总传热阻力，包括内部和外部变量、对流和辐射传热系数，因此，使用的整体热阻值是在仿真过程中每一个时间步根据当时的室外和室内条件不断更新的。空调系统该机械仿真系统提供的服务设施是典型的恒容包装天台机组。在加湿不变的情况下，建筑的加热津贴是在 72
10、 华氏度，而最高相对湿度为60时冷却的津贴是 76 华氏度。建筑物中的送风速率为 1.5cfm/ft2，是对于大型零售设施以满足冷却需求高峰的典型值。室外的气流速度为0.2 cfm/ft2，一个依据 ASHRAE 标准 62-2001 中对零售商店，商场，和商场协会（ASHRAE2001 年）的数值。在空置的小时，外面的空气流通设置为最低值为 2.5的送风，或 0.0375 cfm/ft2。风扇功率在一个假设的静压降共 2 英寸水的基础估计，风机的效率为 0.5 时总供给流量 15 cfm（电动机 0.85，风机 0.6）。这些假设导致了 70 千瓦风机总功率，这更增加了内部收益。热是由屋顶机
11、组的燃气单位提供。在较低的加热值时供热单位假设有一个恒定的效率为0.8。在这项研究中假设为屋顶满负荷制冷能效比为 9.0（性能系数=2.64）。能效比包括供应风机电机功率以及由于风扇的热添加制冷量5降低。屋顶机组的能效比是按照既定的 ARI 标准 340/360（ARI2000 年）建立的。在部分负荷条件下，当建筑的冷却需求明显低于屋顶机组的容量，有三个选项，以满足减少的需求：压缩机可以卸载到某水平，压缩机可循环和关闭，或总负载可划分为服务于同一屋顶单位热区，以便只有少数机组在高负荷运行而另一些仍然关闭。前两个选项，装卸及循环，减低压缩机和制冷系统效率。然而，这是由于一般外气温较低的巧合的部分
12、补偿，导致更好的散热能力和降低的冷凝压力。确切的部分负荷效率的计算需要超出本次调查范围之外的详细压缩机及系统建模，但这不会对结果有任何重大影响。但是，高反射屋顶的实际节约能源可能会比预期略有降低，由于在减少制冷负荷时再以较低的部分负荷运行，同时使设备和设计能力相同。这些费用是根据 2004 年在明尼阿波利斯当地的公用事业商业客户一般服务率评价的。电额率 0.031/kWh 为需求收费$6.61/kW（十月至五月）和$9.26/kW（六月至 9 月）;天然气率是$0.481/therm。传 热在外面屋顶的表面上的对流换热系数依据风速而定。有限的研究已进行了围护结构中的对流换热方面，现有的各种关系
13、产生矛盾的结果（1991 年贝克曼和达菲;ASHRAE1997 年）。这里提出的方法是结合相关湍流流动的努塞尔数超过横平平板（和德威特 2002 年）和恒定项在低风速的自然对流（贝克曼和达菲 1991 年）。努塞尔数可表示为常数而自由对流估计为 5 W/m2K（0.88 Btu/h-ft2-F）。对这些用平均空气性质产生一个曲线拟合方程对流系数与对流hk（W/m2K）系数和风速度 v（米/秒）。6在屋顶表面内对流换热系数通常是具有十分重要的意义。墙的热阻力通常是相较于流阻力的系数的增加来说是非常高的。模拟中,通常系数默认值为 0.5 Btu/h-ft2-F (3W / m2K)。然而,由于在这
14、个项目中进行了详细的分析屋顶是需要,内部对流系数不是固定的,而是基于气流条件和计算温度。在一个研究有天花板通风的典型的办公房间的墙的传热系数的实验研究中。研制了一种相关对流仅与通风率系数的关系。 (费舍尔和佩德森 1997)。在方程中，h 是对流系数关于 W/m2K 天花板和 ACH 是基于供应气流速度和房间体积的每小时换气率：然而,这些结果被假定为对于一个更大的设备是有限的相关性由于房间和送风口特殊的配置，并由于疏忽的自由对流，对不同房间和天花板的温度的影响。假设不占有自由对流，热从天花板上转移到屋里，系数取决于天花板的表面温差和大量的空气。此外,系数将是不同的，对于一个凉爽的天花板(冬季)
15、和一个温暖的天花板(夏季)。密度差异导致的浮力发生冷和热空气加强对流。重的冷的空气下沉，温暖的空气上升，朝向的凉爽天花板(冬季)。当天花板的温度比室内空气热(夏季)，浮力抑制对流，导致分层不稳只有通过诱导干扰在天花板下面的供应空气扩散和返回的空气摄入。应用奴塞尔数分别关联式在底部边你会看到一个横板的自由对(因柯培拉和德维特- 2002) 方程四和五冷分别是却板和加热板。用于奴塞尔数的长度尺寸分别是 10 英尺 (3.05 米),一种近似支撑梁之间的距离在天花板下困扰流动。7这个项目中的模拟,状态自由对流方法与扩散通风率的叠加相关性被采用。四、五方程是求解实际温度和平均空气性能曲线拟合,然后为了
16、方便使用的仿真程序。这综合收益混合内部对流系数方程六是针对温暖天花板，方程 7 针对天花板为冷却天花板关于大量房间室温 T 的实际薪金暖气和空调。在对流换热之外,屋顶也和天空交换辐射。屋顶表面治理辐射传热的屋顶表面温度、天空温度和红外微距 。天空温度是天空作为黑体的等效温度，在地球表面的辐射交换。这温度和空气露点温度和干球温度和一天时间的相关。布达哈和马丁的实证相关(1984)是用来在这里。屋顶反射 在该模型中黑暗屋顶的反射是建设 6%，一个对沥青、沥青涂料或黑色的三元乙丙橡胶(EPDM)膜屋顶的典型的价值 (冷屋顶材料数据库，2000)。市场的大多数反射屋顶材料可被安装为太阳能反射率 80%
17、或更高。尽管这样，有一 65%的值作为光屋顶模拟保守的反射率。在安装时能源之星级别有百分之六十五的最低限度，并允许从初始安装价值的80%有 15%降解。雪的效果雪模型考虑了在屋顶上的积雪堆积的熔化速度。而对当地雪的高度地面气象台站实测了由于升华、辐射、对流、雨、每小时的融化，由于在温暖的屋顶表面融化得额外的熔化速度的控制方程 9 也必须考虑。熔8化速度依赖于从屋顶的热流密度,是房间温度的函数, 与外界对流系数的整体热屋顶的阻力:这里 h 是每小时每英尺的熔化速度。E 是表明在积雪的屋顶上能量的变化。只有考虑积雪的基底层，在屋顶上作为温暖的雪的传导从顶部表面到寒冷的雪是可以忽略不计。因此,将等于
18、热流方程通过屋顶(8)集成在一个一个小时时间步长。这层顶表面基底积雪的温度恒定为32F (0C)自从雪开始融化,等于兜售。雪密度 ,假定等于意味着雪密度为 5.05 磅/ ft3(80.9 公斤/方的降雪),自 1650 年起事件在 22 期测量 1973-1994 28 年天气气候。在本研究中考虑气候区站 (罗伯等人2002)。焓的融合,hfw,因为水在 32C(0F)是 144 磅(335 kJ 保护/公斤)。该方式的传热系数从屋顶表面融化的积雪将等于对导水层厚度为20(0.5 毫米),73000 h-ft2-F(1100 W /K)。仿真结果仿真数据的比较分析包括每小时暖气和空调能耗(显
19、热和潜热),屋顶表面温度。不同的参数的绝缘水平(R-4-R-24),到屋顶反射率(黑= 6% vs.白= 65%),和雪覆盖在屋顶上的百分比。不同暖通空调能耗的来源于躺在屋顶的屋顶表面的白色或黑暗的建筑物温度。在夏天的几个月里,从 5 月到 9 月，日常的峰值温度通常是黑色的屋顶超过 140F(60C)，六月的最大峰值 192F(89C)，而白色屋顶夏天的峰值大约 100F(38 个月 C) 6 月最高可达 122F(50C)。每日最高温度的概述如图 1。我们发现是与开始这个项目前的我们的假设相比是显著的，表面温度在很大程度上是独立的绝缘水平。这热量损9失的大小/获得通过屋顶是微不足道与入射的太阳能负荷相比,甚至对R-0 的例子。图 1 屋顶表面温度（热阻 R-8）由于加热或冷却效果的屋顶温度对建筑、建筑负荷和相应的能耗暖气和空调是不同的。对仿真结果总结了表 1 和 2。这些结果反映了一个省煤器的使用和雪盖在屋顶上。10表 1 年度加热仿真结果总结
