【论文精选】严寒区太阳能资源分区与集装箱房供暖期能耗
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GAS-HEAT1978
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作 者： 史彦卓，杨晖，郑颖，郭宝霞，佟雨柔，陈国伟
第一作者单位：北京建筑大学供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室
摘自《煤气与热力》2022年4月刊
参考文献示例
史彦卓，杨晖，郑颖， 等 . 严寒区太阳能资源分区与集装箱房供暖期能耗 ［J］. 煤气与热力， 2022，42（4） ：A21-A26.
1 概述
集装箱房作为临时建筑的一种，具有可回收、结构强度高等优点 ［ 1 ］ ，多用于工地、军队宿舍以及灾后重建用房 ［ 2 ］ 。新冠肺炎流行期间建立的方舱医院及隔离用房也多为集装箱房，这使人们逐渐了解到集装箱房的优势，也开始关心在我国不同气候区能否适用。 Wang 等人 ［ 3-4 ］ 在成都搭建了临时建筑并对其室内热环境进行了研究，结果表明：房间门窗紧闭时，冬季、夏季测试周内日间自然室温远高于室外温度，最大温差均达到 7 ℃以上。冬季夜间自然室温与室外温度基本一致，夏季夜间自然室温高于室外温度 1~2 ℃。室内热环境长期处于不舒适状态。
我国严寒和寒冷地区昼夜温差大，对建筑室内环境影响明显 ［ 5-6 ］ ，因此如何在冬季保持集装箱房良好的室内环境成为关注的问题。与混凝土建筑相比热惰性小、进深小的特点，使集装箱房受太阳辐射影响更大。刘大龙等人 ［ 7-8 ］ 研究了青藏高原（严寒和寒冷气候地区）典型城镇的水平面总辐射、温湿度等气象参数及海拔对居住建筑能耗的影响，并以晴空指数为基础，采用聚类分析法对我国太阳能资源进行了分区，结果表明太阳辐射是影响能耗的关键因素。此外，许多学者研究了集装箱房非透明围护结构热工特性对集装箱房能耗、室内热环境的影响 ［ 9-10 ］ 。
本文选取我国严寒地区（严寒 A 区、严寒 B 区、严寒 C 区） 63 座城镇，采用聚类分析法对供暖期（以典型年 11 月 15 日—次年 3 月 15 日作为计算时间）太阳能资源进行分类，选出典型城镇。模拟研究窗墙比对集装箱房供暖期综合能耗（包括供暖能耗、照明能耗、设备能耗）、室内温度的影响。
2 太阳能资源分类
供暖期南向太阳辐照度（法向直射辐照度占主导）可反映建筑的太阳得热量，南向太阳辐照度的计算式为 ［ 11 ］ ：
由计算结果可知， 11 月 15 日至次年 3 月 15 日 63 座城镇的法向直射辐照度、南向太阳辐照度并无明显规律，因此我们采用聚类分析法对太阳能资源进行分类。聚类分析法可以将数据分成若干簇族，使得同一簇内的数据点相似度尽可能大，而不同簇间的数据点相似度尽可能小，从而找出具有相似特征的数据点 ［ 15 ］ 。 K-means 算法作为基于划分的聚类算法，基本思想：从一组数据中给定若干个点作为聚类中心，通过迭代的方法更新聚类中心的值，最终使每个数据与聚类中心的距离平方和最小 ［ 16 ］ 。该方法通常用于从随机分布的事物集合中将相同事物进行分组，适合对本文这类具有相同特点的数据进行分组。
笔者使用 Python 语言编写 K-means 算法，并将 63 座城镇的 11 月 15 日至次年 3 月 15 日法向太阳曝辐照度、南向太阳辐射曝辐照度载入进行聚类，采用轮廓系数法 ［ 17-18 ］ 确定最优聚类数，最终进行分类。
供暖期太阳能资源分类见表 1 。表 1 中将内蒙古简称为蒙。太阳能资源分区Ⅰ区为供暖期太阳能资源较差地区，Ⅱ区为供暖期太阳能资源丰富地区。
表 1 供暖期太阳能资源分类
根据聚类分析结果，在每个簇族内选取距离簇心最近的城镇作为典型城镇：
严寒 A 区：Ⅰ区典型城镇为漠河，Ⅱ区典型城镇为博克图。
严寒 B 区：Ⅰ区典型城镇为安达，Ⅱ区典型城镇为二连浩特。
严寒 C 区：Ⅰ区典型城镇为沈阳，Ⅱ区典型城镇为大同。
3 集装箱房模型及参数设置
根据 CECS 334 — 2013 《集装箱模块化组合房屋技术规程》中的 ICC 箱型，建立集装箱房的物理模型，见图 1 。集装箱房长 6.058 m ，宽 2.438 m ，高 2.591 m ，南向墙体设有外窗、尺寸为 0.9 m × 2.1 m 的外门。外窗热工参数根据 GB/T 51350 — 2019 《近零能耗建筑技术标准》中的 80 系列内平开隔热铝合金窗选取，窗墙比随模拟工况不同变化，门窗气密性等级按 6 级计算。
集装箱房围护结构传热系数满足 JGJ 26 — 2018 《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》规定的严寒 A~C 气候区域传热系数限值，传热系数见表 2 。
图 1 集装箱房物理模型
表 2 集装箱房围护结构的传热系数
供暖室内设计温度为 18 ℃，房间换气次数取 0.5 h -1 。采用电散热器供暖，电热转化率取 95% ，室内温度低于 18 ℃时开启电散热器。照明装置电功率密度取 6 W/m 2 ，光热转换率取 75% 。设备电功率密度 3.8 W/m 2 ，设备发热率为 100% 。室内人数设置为 1 人。为了使日间房间 0.75 m 高度的光通量满足 300 lx ，将照明使用率在 8 ： 00 — 18 ： 00 调整为 1.0 ，并在软件中开启照明控制。人员在室率、照明装置使用率、设备使用率的逐时分布见表 3 。表 3 中，第 1 h 表示［ 0 ： 00 ， 1 ： 00 ），第 2 h 表示［ 1 ： 00 ， 2 ： 00 ），以此类推。
表 3 人员在室率、照明装置使用率、设备使用率的逐时分布
采用 DesignBuilder 软件在不同窗墙比条件下，对集装箱房进行能耗及室内热环境模拟，热平衡算法采用导热传递函数法（ CTF ）。
4 模拟结果与分析
4.1 窗墙比
JGJ 26 — 2018 指出，严寒地区建筑南向窗墙比应小于 0.45 ，根据 GB/T 5824 — 2021 《建筑门窗洞口尺寸系列》确定 5 种窗墙比对应的外窗尺寸，见表 4 。考虑实际情况，外窗的宽度、高度进行了圆整。
表 4 5 种窗墙比对应的外窗尺寸
4.2 窗墙比的影响
为验证聚类分析法对太阳能资源分区的有效性，选取相同太阳能资源分区内纬度最低城镇与典型城镇进行综合能耗对比。
3 个热工区域的太阳能资源分区中纬度最低城镇与典型城镇综合能耗随窗墙比的变化分别见图 2~4 。由图 2~4 可知，在 3 个热工区域的太阳能资源分区中，纬度最低城镇与典型城镇的综合能耗均随窗墙比的增大而先减小后增大。热工区域、太阳能资源分区一定时，纬度最低城镇与典型城镇的最小综合能耗对应相同窗墙比。这说明聚类分析法对太阳能资源分区具备有效性，典型城镇具有区域代表性。
图 2 严寒 A 区太阳能资源分区纬度最低城镇与典型城镇综合能耗随窗墙比的变化
图 3 严寒 B 区太阳能资源分区纬度最低城镇与典型城镇综合能耗随窗墙比的变化
图 4 严寒 C 区太阳能资源分区纬度最低城镇与典型城镇综合能耗随窗墙比的变化
12 月 14 日 0 时— 28 日 24 时（以下简称 12 月 14 — 28 日）， 3 个热工区域的太阳能资源分区典型城镇室外温度见图 5 。 12 月 14 — 28 日， 3 个热工区域的太阳能资源分区典型城镇窗墙比 9% 、 25% 、 41% 对应的室内温度逐时值分别见图 6~8 。由图 6~8 可知，房间设置的电散热器保证了室内温度最低为 18 ℃。由于集装箱房围护结构热惰性比较差，在太阳辐射作用下，室内温度升高速率比较快，当失去太阳辐射作用时，室内温度下降速率也比较快。窗墙比越大，集装箱房室内温度波动越明显。
图 5 12 月 14 — 28 日 3 个热工区域太阳能资源分区典型城镇室外温度
图 6 12 月 14 — 28 日严寒 A 区太阳能资源分区典型城镇窗墙比 9% 、 25% 、 41% 对应的室内温度逐时值
图 7 12 月 14 — 28 日严寒 B 区太阳能资源分区典型城镇窗墙比 9% 、 25% 、 41% 对应的室内温度逐时值
图 8 12 月 14 — 28 日严寒 C 区太阳能资源分区典型城镇窗墙比 9% 、 25% 、 41% 对应的室内温度逐时值
5 结论
①在 3 个热工区域的太阳能资源分区中，纬度最低城镇与典型城镇的综合能耗均随窗墙比的增大而先减小后增大。热工区域、太阳能资源分区一定时，纬度最低城镇与典型城镇的最小综合能耗对应相同窗墙比。聚类分析法对太阳能资源分区具备有效性，典型城镇具有区域代表性。
②房间设置的电散热器保证了室内温度最低为 18 ℃。由于集装箱房围护结构热惰性比较差，在太阳辐射作用下，室内温度升高速率比较快，当失去太阳辐射作用时，室内温度下降速率也比较快。窗墙比越大，集装箱房室内温度波动越明显。
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（本文责任编辑：贺明健）
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