建筑物能量模式的改进及制冷系统人为热排放研究

针对近年来中国城市化进程不断加快,建筑物制冷系统的排热对城市气候的影响越来越大的现状,以2010年8月6 7日北京地区夏季典型晴天为例,开展了对建筑物能量模式(Building Energy M odel,BEM)和制冷系统人为热排放的研究。分析发现不同用途建筑物的用电量日变化特征不同,其与气象因子(主要是气温)之间存在一定的相关性。在此基础上,改进了BEM模式,并对制冷系统(空调)能耗和排热进行了模拟。首先,基于用电量日变化特点模拟不同用途建筑物的排热情况,表明在建筑物空调制冷系统负荷中,窗墙传热占60%以上,人员、设备产热占30%,通风设施传热占5%~6%;其次,对影响建筑物排热量较大的一些参数进行敏感性试验,建筑参数中建筑物高度对排热的影响最大,从18.3 m降低到12 m和6 m,排热量可分别减少24.3%和49.6%,紧随其后的是墙体传热系数和新风系数的影响,而空调设定参数中设定温度从25℃下降1℃,空调制冷系统排热猛增94.4%;最后,根据我国夏季各种类型空调占比情况,计算出空调排热中感热、潜热分别为12.69 W·m-2和45.87 W·m-2(约占22%和78%),为建筑物排热对城市气候影响研究奠定了基础。

建筑物制冷系统人为热排放与气象环境的相互作用

针对建筑物制冷系统人为热排放对城市气候和能源消耗影响越来越大的现状,利用改进后的建筑物能量模式BEM(Building Energy Model)与单层城市冠层模式SLUCM(Single Layer Urban Canopy Model)的耦合,实现对城市建筑物人为热排放的动态模拟;以2014年5月29日为例(北京地区极端高温个例),开展北京地区建筑物制冷系统人为热排放与城市气象环境相互作用的定量分析。WRF(Weather Research and Forecasting)/Noah/SLUCM/BEM耦合模式模拟分析表明,模式在不加入人为热时,对夜间的热岛模拟偏弱,且基本无法模拟出白天的热岛效应;加入城市交通人为热排放后,对城市热岛强度和范围的模拟有一定改善;进一步加入建筑人为热排放对气温、热通量、边界层高度等的模拟效果均有不同程度的改进。加入BEM模拟的人为热后(case2),15:00(北京时,下同)主城区地表感热通量增加30~50 W·m^(-2),相应地2 m气温升高0.4~0.8℃,二者对应关系较好。case2中的人为潜热排放导致地表潜热通量增加80~140 W·m^(-2),水汽通量增加0.04~0.09 g·m^(-2)·s-1,中心城区2 m比湿增加0.5~0.9 g·kg^(-1),边界层高度升高100~150 m,且傍晚边界层高度开始下降的时间推迟了约1 h。加入建筑人为热后,气温等气象条件的变化会对建筑物制冷系统能耗及人为热排放产生影响。case2对比case1,建筑物制冷系统能耗增加了1.11%~3.33%,建筑物制冷系统排放的感热通量增大0.67%~1.67%、潜热通量增大0.625%~1.56%(达2.0 W·m^(-2)以上)。研究表明,在中尺度模式中动态模拟建筑物制冷系统的人为热排放,能够改进对近地层气象要素的模拟效果。