（工程热物理专业论文）寒冷地区建筑能耗分析与预测.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以寒冷地区某普通住宅建筑为研究对象，分别采用静态手工算法和软 件动态模拟算法对住宅建筑进行了能耗分析，比较得出两种算法各自的优缺点。 采用建筑能耗模拟软件d e s t - h 分别模拟分析了不同外墙、外窗和屋顶构造、南、 北向窗墙比以及通风换气次数等因素对建筑能耗的影响，运用正交试验法选取 影响建筑能耗的主要组合因素，模拟计算了1 6 组不同组合因素的建筑能耗指 标，建立了建筑能耗指标与各主要因素之间的回归方程。该方程可用于预测同 类型建筑的能耗指标，为建筑的节能设计和改造提供参考依据。 关键词：能耗分析，节能改造，d e s t - h ，能耗指标，模拟 a b s t r a c t t h ed i s r t a t i o nt a ：k e s 觚o r d i m i d r s i d e n t i a lb u i l d m gi nc o l d 淝a 觞t 1 1 e 他s e 砌 o b j e c t ，c a r r i e so ne n e r g yc o n s u m 州o na m d y s i st 0 也er e s i d e 而a lb m l m n gb ys t a t i c m 触m a la l g o r i t h ma n ds o f t w a r cd y n a 武cs i i m 】l a 廿o na l g o r i t h m 坨s p e c 6 v e l y ，c 0 皿l p a r e s 龇l d d b 切血塔e a c _ hg o o da n db a dp o i i l t so f 廿l et 、v oa l g o r i n l r n s t h 吼u s e sb u i l d i l l ge n e r g ) r c o m m m 砸o ns 血u l a 矗o ns 0 仃w a r ed e s t - ht 0s i 妇1 u l a ：t e 孤l d 甜1 2 l l y z et ：h ed i f l 研e n ti n n 珊舡 f a m o 娼o fm eb u i l d i n ge n e r g yc o 碰l u r n p t i o n ，m ei i l f l 啪c ef a c t 0 璐i l l c l u d e sd i 丘e r e n t0 l 珀盱 w d u ，o u t e rw i r l d o wa n dr o o fs t n j c t 啊哈，s o u 也w i i l d o w 。w a l l 瑚瞄o ，n o r t hw i l l d 0 、和w a l l 枷。 嬲w e n 勰a i re x c l 姗g e 丘e q u e n c y o nt 1 1 es 如1 u 【l a ：t i o na i l da i l a l y s i sf 0 1 缸i o n ，廿1 e d i s s e r t a d o nl 珞e s 也eo r 出o g o 刀mt e s t i l 培m e t l l o dt 0 l e c tm ep 1 血n a 巧f 如幻rc o 如l b i i l a t i o n s w h i c h 碰1 u e n c e 仕屺b u i l 血ge n e r g ) rc o 璐眦l p t i o 玛s 洫u l a t e s16g r o u po fd i 彘r e n t 触0 r c o m b 证咖璐b u i l d m ge 鹏r g yc o r 塔硼n p t i o nm d e 沁s ，雏dr e 孕e s s e sl i m 盯c q u a t i o n k 舰v e e nt h eb i l i l d i l 玛e n e 唱yc o n s u m 砸o ni i l d e x e s 讹e a c hp r i m a 巧f 融o r s ，也i s e q 嘶o ni sa v a i la _ b l ei i lf o r c c 砒gt 1 1 es a i n e 咖eb u i l d i i 玛s e n e r g yc o m 姗【i l 】p t i o ni 1 1 d e x ， a n d p 州d i l l gg l l i d a n c ef o r t 1 1 eb u i l d h 培e n e r g yc o n s e r v a ：t i o nd e s i g na n dt r a i 坞f o r m a ：t i o n c h a ib a o s h u a n g ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f j i n gy 6 u y i n k e y w o r d s ：e n e r g yc o n s u m p t i o na n a i y s i s ，e n e r g yc o n s e n r a t i o nt r a n s f o m a t i o n ， d e s t l h ，e n e r g yc o n s u m p t i o ni n d e x ，s i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以寒冷地区某普通住宅建筑为研究对象，分别采用静态手工算法和软 件动态模拟算法对住宅建筑进行了能耗分析，比较得出两种算法各自的优缺点。 采用建筑能耗模拟软件d e s t i h 分别模拟分析了不同外墙、外窗和屋顶构造、南、 北向窗墙比以及通风换气次数等因素对建筑能耗的影响，运用正交试验法选取 影响建筑能耗的主要组合因素，模拟计算了1 6 组不同组合因素的建筑能耗指 标，建立了建筑能耗指标与各主要因素之间的回归方程。该方程可用于预测同 类型建筑的能耗指标，为建筑的节能设计和改造提供参考依据。 关键词：能耗分析，节能改造，d e s t - h ，能耗指标，模拟 a b s t r a c t i kd i s s e r t a t i o n 协k e s 觋o r d i l l j 舶嗲他s i d e n t i a lb u i l d m gi nc o l da r e a 觞t 1 1 e 他s e 砌 o b j e c t ，c a r r i e so ne n e r g yc o n s 呦州o na n m y s i st 0 也e s i d e 而a lb u i l 血gb ys 伽c 麟1 1 1 ：l l a ：la l g o r i t h ma n ds o d y n a 武cs 洳i u l a t i a l g o m t l l nr e s p e c 廿v e l y ，c 0 m p a r e sa n d o b t 乏l i i 强e a c hg o o da n db a dp o i i l t so f l et 、v oa l g o r i n l r n s t h 吼u s e sb u i l d h l ge n e r g ) r c o m m m 面o ns 抽叫【l a d o ns o f t w a r ed e s t - ht 0s 删a 土e 觚da r l a l y z e 也ed i f l h e n ti n n 硼咀 f a c t o 幅o fm eb u i l d i n ge n e r g yc o i 坶眦n p t i o n ，圮i l l n 啪c ef a c t 0 璐i l l c l u d e sd i 丘e r e n t0 1 曲c r w a u ，o u t e rw i n d o 啊a r l dr o o fs 眦t u r e ，s o u mw i n d o w 。w a l l 瑚【t i o ，n o r 吐1w i l l d o 、乙w a l l 枷。 笛w e n 勰a i re x c l 姗g e 丘e q u e n c y o nt 1 1 es 抽【l a ：t i o n 趾da i l a l y s i sf 0 1 扭i o n ，廿l e d i s s e r t a d o nl 塔e s 也eo r t l l o g o 刀mt e s t i l 培m e t l l o dt 0 l e c tm ep 1 血n a 巧f 如幻rc o 皿l b i i l a t i o 璐 w h i c hi n _ f h l e n c e 也eb u i l d i l l ge n e r g yc 0 d 翻瑚m i o 玛s 证n d a ：t c s16g r o u po fd j 妇陌r e n t 融0 r c o n l b 妇i o 璐b u i l d i l l ge n e 玛yc o 粥硼叩t i o ni l l d e x b s ，觚dr e f e s s e s 屺盯e q u a t i o n h i t w e e nt h eb m l d i n ge n e r g yc o n s u i 珥，t i o ni i l d e x e sw i 也e a c hp d m a r yf 戤；t o r s ，也i s e q 嘶o ni sa v a i l a _ b l ei i lf o r c c 砒gt 1 1 es a i n e 咖eb u i l d i i 玛s e n e r g yc o m 姗【i l 】p t i o ni 1 1 d e x ， a n dp 怕忻d i n g 嘶c h ef o rt l l eb u i l d h 培e n e 瑁yc o l l s e r v a t i o nd e s i g na n dt r 缸塔f 0 皿怕t i o n c h a ib a o s h u a n g ( e n g i n e e f i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f j i n g1 y b u y i n k e yw o r d s ：e n e r 韶c o n s u m p t i o na n a l y s i s ，踞e r 斟c o n s e r v a t i o nt r a n s f o m a t i o n ， d e s l - h ，e n e r g yc o n s u m p t i o ni n d e x ，s i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文寒冷地区建筑能耗分析与预测， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 j 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日 期： 华北电力大学硕士论文 1 1 课题背景及其意义 。第一章绪论 建筑能耗有广义和狭义两种定义方法。广义建筑能耗，既包括建筑材料的生产 和建筑施工的能耗，又包括建筑使用能耗，范围比较宽，跨越了工业生产和民用生 活等不同的领域。国际上通常所谓的建筑能耗指的是狭义建筑能耗，即建筑使用能 耗，与工业、农业、交通运输业的能耗并列，也称为民生能耗。我国现在一般所谓 的建筑能耗，已与发达国家的认识和统计口径相一致，指建筑使用能耗，即狭义建 筑能耗【1 1 。 我国的建筑能耗现状不容乐观，据有关部门统计，我国的建筑能耗约占全国总 能耗量的1 4 ，居全国各类能耗之首，且呈递增趋势。而建筑能耗中以采暖和空调 能耗为主，占建筑总能耗的5 0 7 0 ，北方城镇采暖能耗占全国建筑总能耗的3 6 ， 为建筑能源消耗的最大组成部分。单位面积采暖平均能耗折合标准煤为2 0 k ( m 2 a ) ， 为北欧等同纬度条件下建筑采暖能耗的2 4 倍【2 】。 我国目前的建筑节能特别是住宅建筑的节能距国家及国外建筑节能要求的差 距很大。据有关资料表明，在衡量建筑节能的重要指标建筑各部分的传热系数 方面，我国大大落后于发达国家，其中，外墙大4 5 倍，屋顶大2 5 5 5 倍，外窗 大1 5 2 2 倍，门窗气密性大3 6 倍【3 】。这就说明，用世界先进水平标准来衡量，我 国建筑能耗浪费严重。2 0 0 5 年7 月1 日，建设部颁布了公共建筑节能设计标准i 明确要求新建成的公共建筑要比老建筑的总能耗减少5 0 。据专家测算，如果按照 节能标准建设，到2 0 2 0 年，建筑能耗年可节省3 3 5 亿t 标准煤，空调高峰负荷可 减少8 0 0 0 万k w h ，相当于国家每年可减少电力建设投资约1 万亿元，可见建筑节 能效益显著。 1 0 年前，北欧和中欧国家对旧建筑的节能改造工作已取得很大成绩。西欧和北 美国家旧房的节能改造也取得了重大进展，并取得了良好的节能效果。丹麦从1 9 7 3 年到1 9 9 3 年的2 0 年间，全国供暖面积增加了3 9 ，但总供暖能耗不但没有增加， 相反还下降了3 1 1 ，其结果使每平方米面积的供暖能耗减少了5 0 ，这完全是依 靠先进的技术和管理来实现的，并未降低热舒适条件【4 】。发达国家认为，已有建筑 比每年新建建筑多得多，要使建筑节能取得大的成效，必须大力推进既有建筑的改 造工作。由此看来，我国的建筑节能工作需从两个方面来做，一是对既有建筑进行 能耗分析并提出改造方案；二是遵照有关标准和规定，严格控制新建建筑的能耗， 达到节能设计标准的才能批准建设。 华北电力大学硕士学位论文 我国是一个资源消耗大国，建筑节能显得尤为重要并且意义重大。建筑节能是 贯彻落实科学发展观、保证国家能源安全的重要举措。全面推进建筑节能工作，有 利于减少建筑能耗，节约能源；有利于减少温室气体排放，减轻大气污染，改善环 境质量；有利于传统建筑业的改造和提升，转变城乡建设增长方式，调整经济结构， 实现建设事业可持续发展。 1 2 我国建筑能耗的情况 目前，全世界建筑能耗约占能源总消费量的3 0 ，其中住宅能耗约为商用建筑 的2 倍。建筑能耗与人民生活水平关系甚大，工业化国家建筑能耗占全球建筑能耗 总量的5 2 ，东欧和前苏联占2 5 ，发展中国家占2 3 。我国的建筑能耗占总一次 能源消耗的比例将由2 0 0 0 年的1 6 2 提高到2 0 2 0 年的2 5 o 2 6 7 【5 1 ，而且比例也 将随着人民生活水平的提高而逐步上升。 我国房屋建筑规模十分巨大，近几年每年建成房屋达1 6 亿2 0 亿m 2 。每年每人 平均新增房屋面积1 3 一1 5m 2 ：人口也在不断增加，每年增加约9 0 0 万人。在全面建 设小康社会目标的指引下，我国城镇化将加速发展，人民生活水平不断提高，2 1 世 纪头2 0 年内，建筑业仍将迅速发展。全国城乡房屋建筑面积2 0 0 2 年底共计为3 8 8 亿 m 2 ，其中城市1 3 1 8 亿m 2 。预计到2 0 1 0 年底，全国房屋建筑面积为5 1 9 亿m 2 ，其中城 市1 7 l 亿m ? ；估算到2 0 2 0 年底，全国房屋建筑面积达6 8 6 亿m 2 ，其中城市为2 6 1 亿m ? 【6 1 。 据预测，到2 0 1 5 年，城镇5 0 以上的建筑将是2 1 世纪内建造的，因此在今后 的新建筑中，全面推广各种建筑节能新技术、新措施是建筑节能工作的重中之重， 也是建筑节能工作面临的最后一个机遇。如果再像前十年那样，在新建筑中能达到 节能建筑标准的仅有3 5 ，就将错过最后一个机会，给子孙后代带来节能改造的 巨大困难。 我国建筑用能的特点是：( 1 ) 建筑规模大：近几年由于住房制度改革，建筑增 长速度快。( 2 ) 建筑热工性能差：数量如此巨大的房屋建筑保温、隔热和气密性却 很差，由于空气渗透的热量占全部热损失的一半以上，这些建筑需要大量的建造能 耗和使用能耗。( 3 ) 采暖效率低：采暖设备落后，供暖效率低成本高，对环境污染 大，同时系统内室温冷暖不匀现象严重。 在建筑能耗中以采暖能耗数量最多。据北方3 5 个城市的调查统计，有2 4 个城 市住宅建筑供暖单位建筑面积的平均耗煤量比1 9 8 0 至1 9 8 1 年住宅通用设计计算耗 煤量高出3 4 8 ，与此同时，供暖期度日数相近的城市，其平均供暖能耗相差达1 。2 倍。据统计，我国以供暖空调为主的建筑能耗占全国能耗的1 0 7 ，占供暖地区社 会总能耗的2 1 4 。 2 华北电力大学硕士学位论文 冬季采暖与夏季空调，是造成电力负荷峰谷差最主要的因素。2 0 0 2 年全国各电 网空调制冷负荷共达4 5 0 0 万k w ，相当于2 5 个三峡电站的满负荷出力。尽管加紧 进行电力建设，2 0 0 3 年夏季高温酷暑，多数电网负荷连创历史新高，全国电网差不 多全面告急，至少有1 0 个省市不得不拉闸限电。由于空调制冷的日益普及，预计 到2 0 1 0 年，全国制冷电力高峰负荷将增加一倍以上，。即达到约相当于5 个三峡电 站的满负荷出力；预计到2 0 2 0 年，全国制冷电力高峰负荷还要再翻一番，达到约 相当于1 0 个三峡电站的满负荷出力。因此，电力系统的峰谷差问题将更为严重。 目前我国每年新建建筑中，只有1 0 1 5 能达到国家制定的强制性节能标准， 8 0 以上为高耗能建筑；既有的4 0 0 亿m j 建筑中，9 5 以上是高能耗建筑，单位面 积采暖所消耗能源相当于气候条件相近的发达国家的3 倍，但热舒适度却不及人家， 这是因为我们的建筑围护结构保温隔热性能差，采暖用能的2 3 白白跑掉了；中国 正处于房屋建筑的高峰期，预测在未来的1 5 年，还将建成约2 0 0 亿m 2 的房屋。如 果再不注重节能降耗问题，这将对社会造成沉重的能源负担和严重的环境污染，制 约我国的可持续发展。 仅以建筑供暖为例，北京市在执行建筑节能设计标准前，一个采暖期的平均能 耗为3 0 1 w m 2 ，执行节能标准后，一个采暖期的平均能耗为2 0 6 w m 2 ，而相同气 候条件的瑞典、丹麦、芬兰等国家一个采暖期的平均能耗仅为1 1 w m 2 。因建筑能 耗高，仅北方采暖地区每年就多耗标准煤1 8 0 0 万t ，直接经济损失达7 0 亿元。我 国现有建筑总面积4 0 0 多亿m 2 ，随着城镇化的发展，预计到2 0 2 0 年将新增建筑面 积约3 0 0 亿m 2 。如果城镇建筑全部达到节能标准，到2 0 2 0 年每年就可节省3 3 5 亿 t 标准煤、减少8 0 0 0 万k w h 空调高峰负荷，相当于每年节省电力建设投资约l 万 亿元。 1 3 我国建筑能耗与发达国家的差距 欧洲国家目前住宅的实际年采暖能耗已普遍达到6 升油m 2 ，大约相当于 8 5 7 k g m 2 标准煤。而就国内建筑节能工作做得比较好的北京地区而言，目前节能 5 0 的采暖耗能也要达到1 2 5 k 咖2 标准煤，约为欧洲国家的1 5 倍。我国建筑不仅 耗能高，而且能源利用效率很低，单位建筑能耗比同等气候条件下国家高出2 3 倍。 目前，我国绝大多数采暖地区围护结构的热功能都比气候相近的发达国家差许多， 外墙的传热系数是他们的3 5 4 5 倍，外窗为2 3 倍，屋面为3 6 倍，门窗的空气 渗透为3 6 倍。 1 9 7 3 年世界石油危机以来，发达国家不断修订建筑标准，英、法、德等国至今 已修订了4 次，每次修订标准都要求进一步改善建筑围护结构热工性能。几十年来， 这些国家建筑围护结构热工性能指标已提高3 8 倍。我国城乡建筑围护结构保温隔 3 华北电力大学硕士学位论文 热和气密性能差、采暖空调系统能源效率低下，与发达国家不断提高的建筑节能要 求相比，差距越拉越大。大体上说，与发达国家对比，我们的外墙、屋顶单位面积 能耗为他们的3 5 倍，窗户能耗为他们的2 3 倍。 我国已经编制和正在编制的居住建筑与公共建筑节能设计标准，通过改善建筑 围护结构保温隔热性能，以及提高设备和系统能源利用效率，做到节能5 0 。实践 证明，新建居住建筑节能投资和既有建筑节能改造成本，约为8 0 1 2 0 元m 2 ，只要 采取经济实用、切合实际的节能措施，一般可以通过产生的节能效益在5 年左右得 到回收【7 1 。 德国采暖度日数与北京一带相近，目前德国新建建筑能耗已降低至3 0 年前消 耗量的l 4 l 6 。而我国到2 0 0 2 年只在城市中累计建成节能建筑2 3 亿m 2 ，仅占全 国城市建筑面积的2 1 ，其中约有一半建在北京和天津。因此，从总体上说，我国 现在的建筑能耗水平与传统建筑相比变化并不大。我国家用电器的能源效率与国际 先进水平相比，仍有明显差距，节能潜力很大。目前，我国正在研究制订新的家用 电器能效标准，新标准以节能技术为基础，规定各类家电产品的最低能效限定值， 由此可测算出实施新标准的节能率和节能量。 建筑能耗不仅仅影响国家能源供应，而且能源使用效率的高低还影响环境，根 据建设部统计资料，建筑能耗的总量逐年上升，因此开展建筑能耗分析与节能改造 技术研究，为建筑节能设计与管理提供理论依据具有非常重要的意义。 1 4 建筑能耗计算的发展状况 1 4 1 人工负荷计算发展阶段 进行空调房间全年负荷模拟和建筑物的能耗分析，必须了解室内的热量变化和 转换过程以及现代负荷计算方法。在这方面的发展大致分为以下几个阶段【引。 第一阶段：1 9 1 1 年被称为“空调之父 的美国人w i l l i s h c 疵e r 发表了合理的 温湿度公式和绝热饱和理论，这些公式和温湿度表成为现代空调理论的基础，但是 直到二战前后，在研究室内热过程和保持室内热舒适环境的空调计算中并没有区分 房间得热量和房间冷负荷两个不同概念，而把稳定传热计算作为房间负荷计算的主 要方法，这一阶段可称为稳定传热计算时期。 第二阶段：1 9 4 6 年美国的c o m a c k e y 和l t 嘶g h t 提出综合温度概念，发表 当量温差法【9 】标志着第二阶段准稳态传热计算时期的开始。他们用室外气温和 太阳负荷的傅立叶级数展开式作为墙体导热方程的边界条件求解传热量，再用稳定 传热形式来简化，得出当量温差的概念，并以此计算负荷。这个方法被美国采暖、 制冷与空调工程师学会a s h r a e ( a m e r i c a i ls o c i e t yo fh e a t i n gr e f r i g e r a t i n ga n d 4 华北电力大学硕士学位论文 a i r c o n d i t i o n i n ge n g i n e e r s ) 采纳，成为此后2 0 年内美国和西方国家的主要计算方 法。上世纪5 0 年代初，苏联的什克洛维尔等人提出了谐波分解的类似方程，并用 衰减度和延迟时间来表示。我国是在解放后才开始有自己的空调事业的，因此这个 方法在国内影响很大，谐波法为暖通界所熟悉，一直被使用到上世纪7 0 年代甚至 更迟。这两种计算方法均只考虑围护结构本身的不稳定传热j 并未涉及到整体房间 的不稳定热作用过程，具体的说就是没有区别房间的得热量、冷负荷和除热量三个 不同的概念，而把进入房间的瞬时得热当作瞬时负荷。这一时期直到1 9 6 7 年加拿 大的d g s t e p h e n s o n 和g p ：m i t a l 嬲发表热反应系数法【l o 】为止。 第三阶段：从那时起直到现在，为动态负荷计算时期。1 9 6 7 年反应系数法发表， 立即被a s h r a e 接受，1 9 7 1 年d g s t e p h e n s o n 和gp m i t a l a s 又用z 传递函数【l l 】改 进了反应系数法，并产生了适合手算的冷负荷系数法。我国在1 9 7 2 年已有入注意 并引用了部分数据，1 9 7 4 年暖通规范组编译了空气调节房间热负荷计算，介绍 了日、美等国的计算方法，1 9 7 8 年成立了全国性的“建筑物冷热负荷计算方法研究 课题组，到1 9 8 2 年6 月评议通过了课题组的推荐方法。 1 4 2 计算机模拟发展阶段 2 0 世纪6 0 年代后期，功能日益强大的电子计算机技术已广泛用于科学研究的 各个领域，计算机模拟技术在建筑能耗中的应用研究从上世纪7 0 年代能源危机时 就开始展开。 最早出现的建筑模拟程序是最大冷热负荷计算方法( p e a kh e a t i n ga n dc o o l i n g c “c u l a t i o n ，p h c c ) ( a p e c ，1 9 6 7 ) ，该方法计算了设计日空间的负荷、送风量及 建筑的总负荷。在1 9 6 7 年，a s h r a e 专门成立了一个特别的能耗研究小组( t a s k g r o u po ne n e r g yr e q u i r e m e n t ) ，研究利用计算机来计算冷热负荷的过程、建筑传热 的算法( 包括能量平衡法e n e r g yb a l a n c e 和权重系数法w b i 曲t i n gf a c t o r ) 以及模拟 空调系统部件性能的过程，1 9 6 9 年第一次提出逐时模拟建筑动态热过程的研究报告 ( a s h r a e1 9 6 9 a ，1 9 6 9 b ) 。1 9 7 4 年由美国国家标准局( n i s t ) 完成第一代建筑负 荷模拟程序n b s l d ，同时完成的还有由美国邮政局( u s p o s to m c e ) 支持的p o s t o 伍c ep r o g r 锄。在2 0 世纪7 0 年代中，通过两次比较重要的合作，形成了至今仍然 处于主导地位的两个建筑模拟程序。1 9 7 7 年，美国陆军建筑工程实验室( u s a n n y c o n s t m c t i o ne n g i n e e rr e s e a r c hl a b o r a t o r ) r ) 将n b s l d 和空调系统以及冷热源设备 的模拟结合在一起，构成一个统一的能耗分析软件b l a s t 【1 2 】( b u i l d i n gl o a d i n g a n a l y s i sa n ds y s t e mt h e m o d y n 锄i c s 建筑能量和系统热动力分析) ；另一个是美国航 天太空总署( n a s a ) 和l b l ( l a 、v r e n c eb e r k e l e yl a b o r a t o r ) r ) 将p o s to m c ep r o g r 锄 升级而开发的d o e 1 【1 3 】，现在已升级为d o e 2 1 e ，它是目前世界上最详尽，应用 5 华北电力大学硕士学位论文 最广的建筑能耗动态模拟软件。它主要提供整幢建筑的逐时能量分析，用以计算系 统运行过程中的能效和总费用。可用来分析二个设计方案或一项新技术的能量利用 效率。目前世界上有4 0 多个国家在用d o e 2 进行节能建筑的设计【l 和1 8 】、分析新的 建筑节能技术和研究建筑节能标准【l 射。 欧洲于2 0 世纪7 0 年代起开始研制模拟分析的方法，具有代表性的是由英国科 学与工程研究委员会( u ks e r c ) 支持的e s p 【2 0 】( e n v i r o 姗e n t a ls y s t e m s p e r f o m 姐c e ) ( 1 9 7 4 1 9 8 6 ) 。与b l a s t 类似，它也是将建筑物和冷热源系统综合在 一起进行模拟分析的软件。 。 在2 0 世纪7 0 年代末期，随着模块化集成思想的出现，建筑及空调系统的模拟 软件也逐渐向此方向靠拢，美国开发的t l 矾s y s 【2 1 】和h v a c s i m + 【2 2 】通用软件包， 可用于详细模拟分析整个建筑的暖通空调系统、自动控制系统及能力管理等。近几 年，美国能源部的d r u d ，b c r a w l e y ，美国国防部建筑工程实验室的l i n d ak l 绷i e b ， 劳伦斯一伯克力国家实验室的f r e d e r i c kc w i n l 【e l m 跹n c 和几位知名大学的教授共同 为介绍新软件e n e r g y p l u s 写的几篇文章【2 3 也5 1 ，文章中将以前的建筑能耗软件与新开 发的e r g y p l u s 做了详细比较。又如美国完成的用于商业建筑能量分析的a s e a m ( _ 种简化了的能量分析方法) ，用于对建筑中的节能潜力及能量利用效率进行评 估，但其结果与d o e 2 的年度能量统计结果相差4 5 【2 6 】。此类模拟软件的出现有 力地推动了模拟技术的发展，其主要特点是具有一定开发性的模块化结构，让研究 人员能够使用各种模块搭建自己的模拟系统。 相对于发达国家，我国的计算机模拟技术在研究建筑节能领域中的应用和发展 要落后十几年，我们在深入理论研究和完善数学模型及计算机程序等方面都还有很 多工作要做【2 7 1 。我国在荷兰的留学生与导师开发的a c c u 黜w 冷负荷计算程序，可 以分析房间送风系统对房间温度与空气流速分布的影响以及进行能耗分析【2 8 l ；重庆 建筑大学根据日本的h a s p a c l d 8 0 0 1 程序改进为微机负荷计算程序；清华大学对 h v a c s i m 系统t r n s y s 进行重大改进并成功应用于i e aa n n e x 2 5 课题中；清华大 学还开发了地铁热环境模拟软件s t e s s 3 0 【2 9 】；但最具代表性的就是由清华大学江亿 院士组织开发的能耗模拟软件d e s t ，该软件可以对整个建筑物多房间的热特性进 行详细的模拟计算，计算出每个房间的逐时基础室温( 在没有暖通空调设备的控制 条件下，由于室内外热扰作用而形成的室内温度称为基础室温) 、采暖与空调负荷 以及对应各房间的温度，其核心算法“状态空间法 【3 0 】( s t a t es p a c e ) 。目前该算法 已被美国的e n e r g y p l u s 软件所采用。在国内已有许多人开始运用d e s t 软件来进行 建筑节能优化设计【3 4 1 ，并取得了良好的效果。d e s t 目前已经发展为完善的建筑 节能模拟分析软件系列，先后完成了1 0 0 0 万m 2 以上的建筑能耗模拟分析，包括国 家大剧院、首都机场改扩建、国家主体育馆等几十个国家重大项目，对我国建筑节 6 华北电力大学硕士学位论文 能设计已开始起作用p 引。 以上能耗模拟软件能进行建筑节能评估的，并在中国市场上可用的软件有 d o e 2 和d e s t 。d o e 2 软件能够计算的房间数有一定限制，对高层建筑只有进行 简化后才能进行相应的节能评估，但不合理的简化可能导致较大的计算偏差，会使 其对建筑的节能效果得到错误的评价。相比之下，d e s t 软件没有房间数的限制， 因此可对高层建筑进行建筑节能评估而不需要简化。但随着建筑层数与房间数的增 加，d e s t 软件评估所需的时间也大幅增加，这限制了d e s t 软件的工程应用【3 6 1 。 由东北大学热能系的丛崎、全鹏和沈阳建筑研究院的程晰于1 9 9 6 年开发的我国第 一个建筑节能审查软件，已用于辽宁省民用建筑节能系统的评估。该软件的设计思 想是参照我国1 9 8 6 年颁布的民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) 以及 辽宁省1 9 8 8 年实施的辽宁省民用建筑节能设计标准实施细则，对建设与设计部 门提供的待建房屋的设计施工方案，就其外墙传热系数、围护结构平均传热系数以 及建筑物单位面积耗热量等项目进行运算评估【3 7 】。近几年，深圳市建筑科学研究院 和重庆大学以我国深圳市( 夏热冬暖地区的典型代表城市) 为例，开发了应用深 圳市居住建筑节能设计标准的设计和审查软件s h e l l e n e r g y 【3 8 】，该软件输入简单， 输出结果明确易懂，用户界面更友好。 1 5 课题的主要研究内容 本课题以寒冷地区某普通住宅建筑为研究对象，主要的研究内容如下： ( 1 ) 介绍建筑围护结构和采暖供热系统相应的节能改造技术； ( 2 ) 采用静态手工算法和软件动态模拟算法对寒冷地区某一普通住宅建筑进 行能耗分析，比较两种算法的优缺点； ( 3 ) 采用建筑能耗模拟软件d e s t - h 分别模拟分析不同外墙、外窗和屋顶构造、 南、北向窗墙比以及通风换气次数等因素对建筑能耗的影响； ( 4 ) 建立建筑能耗指标与各主要因素之间的回归方程，用于预测同类型建筑 的能耗指标，为建筑的节能设计和改造提供参考依据。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章建筑能耗分析的基本理论 由于计算机技术的发展和节能的需要，研究建筑物冷、热负荷的计算方法得到 迅速的发展，从稳态传热算法到动态传热算法，从单一围护结构的传热算法到建筑 物整体的传热算法，从定性分析发展到随机分析。建筑物耗热量指标的计算方法很 多，根据计算方法所依据的数学模型，可将计算方法分为两大类：一类是建立在稳 定传热理论基础上的静态能耗分析法，另一类是建立在不稳定传热理论基础上的动 态能耗模拟法。 2 1 静态能耗分析法 静态能耗分析法的基本原理是将供暖( 冷) 期中的各旬、各月的耗热( 冷) 量 按稳态传热理论进行计算，而不考虑各部分围护结构的蓄热效应。静态能耗分析的 方法主要有：有效传热系数法、度日法、温频法等。 2 1 1 有效传热系数法 有效传热系数方法的主要特点是用有效传热系数代替原传热系数，通常的传热 系数，是指在单位温差下、单位面积在单位时间里的传热量。这里认为传热仅仅是 由两侧温差引起的，其实在围护结构中不仅存在两侧空气温差引起的热耗，而且还 存在由太阳辐射引起的得热，以及向天空辐射引起的失热，这三部分传热的代数和 即为围护结构的净热耗。在单位温差下、单位面积在单位时间里的净热耗，即为有 效传热系数。民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) 采用的方法是有效传 热系数法，计算建筑物耗热量指标的具体公式为 q h2 q 盱+ q 孵一q m 式中 勤建筑物耗热量指标，w m 2 ； 锄围护结构的传热耗热量指标，w m 2 ； 建筑物空气渗透耗热量指标，w m 2 ； 单位建筑面积单位时间建筑内部得热，w m 2 。 2 1 2 度日法 ( 2 1 ) 度日法是一种简化的计算方法。它基于两点假设，即从长期平均来看，当室外 日平均温度等于某一基准温度时，太阳辐射和室内得热可以完全弥补建筑物的热损 8 华北电力大学硕士学位论文 失而采暖系统不需要运行；另外，采暖能耗正比于这一基准温度和室外日平均温度 之差。美国将这一基准温度取为1 8 3 。采暖度日数是指室外日平均温差与采暖基 准温度之差值与一天乘积之和。1 9 8 0 年a s h r a e 手册给出用度日法估算采暖能耗 的一般公式为 e = 等等 址，7 y 。 ( 2 2 ) 式中e 估算期的燃料消耗，k g ； 日：包括渗透在内的设计热损失，w ； 仍估算期内以1 8 3 为基准的度日数，； 址设计的室内外温差，； ，7 采暖系统的运行效率； 矿燃料的热值，w h l ( g ； c ，】和度日数有关的效率修正系数。 2 1 3 温频法 温频法又称变基准温度的度日法，是在度日法的基础上发展起来的。其基本方 法是在不同室外干球温度条件下完成能耗计算，并将计算结果乘以各温度段出现的 小时数，便可得出全年能耗量。美国将温频法的计算结果与d o e 2 程序的计算结果 比较，发现两种方法的计算结果十分接近。 2 2 动态能耗分析法 利用动态算法，模拟室外气象参数变化下的建筑空间中负荷的动态变化。目前 常采用的动态能耗分析算法主要有谐波反应法、反应系数、有限差分法、状态空间 法等。 2 2 1 谐波反应法 室外空气温度和太阳辐射强度具有逐日、逐年周期变化的特性，因此围护结构 墙体表面传热特性表现为周期性外扰作用下的非稳态传热。在室温一定或为周期性 变化的条件下，建筑围护结构墙体的非稳态传热就主要决定于两个因素：一是扰量 的变化情况；二是墙体对扰量变化的反应。 谐波法是建立在墙体导热方程经典求解的基础上，将周期性扰量按照正弦( 或 9 华北电力大学硕士学位论文 余弦) 函数项的傅里叶级数表达，并引入了衰减和延迟的概念，从而得出房间负荷 的计算方法。例如，将计算日室外综合温度的逐时变化展开为傅里叶级数形式，即 辨 k = 4 + 4 c o s ( f 一) 一i l ( 2 3 ) 式中4 零阶扰量，即计算日室外综合温度的平均值f z ，； 4 i 第n 阶室外综合温度变化的波幅，他糟； q 第n 阶室外综合温度变化的频率，d e g ，矗； 霰第n 阶室外综合温度变化的初相角，d e g ； 谐波反应法虽然将扰量分解为简单函数组合，但温度波仍然是时间的连续函 数，所以只要把各阶单元扰量的响应叠加就可以求出围护结构墙体内表面的温度响 应。通过墙体内表面的温度就可以计算出扰量通过墙体形成的负荷与能耗。 谐波反应法考虑了室内外空气温度随时间变化的状况，又考虑了围护结构墙体 的热惰性，即温度波在传递过程中的振幅衰减和时间上的延迟。但是对于室内的扰 量，由于室内热源、设备、人员等内扰是随机变化的、甚至非连续变化的扰量，对 其进行傅立叶级数分解，从理论上来说要求的阶数为无穷，计算更加复杂，难以实 现。 2 2 2 反应系数法 反应系数法的最大特点是并不要求以周期扰量为前提，可以用时间序列表示外 扰的变化，适用于任何扰量，这是它区别于谐波法的重要特点，因此适用于全年的 房间负荷计算和模拟。 反应系数法，是在1 9 6 7 年加拿大学者d g s t e p h e n s o n 和gp m i t a l a s 把控制论中 的系统、扰量、反应及传递函数的概念引入建筑物冷、热负荷计算中后产生的。这 种方法把计算对象看成是一个线性系统，把扰量、反应以及系统的数学模型进行拉 普拉斯变换，在频域范围内进行问题的求解。在初始条件为零时，输出函数的拉氏 变换与输入函数的拉氏变换之比，其一般形式为 d ( s ) = g ( s ) e ( s ) 式中d ( s ) 输出函数d ( f ) 的拉普拉斯变换： g ( s ) 系统的s 传递函数； 1 0 ( 2 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 e ( 研输入函数e ( f ) 的拉普拉斯变换。 如果用综合温度乞( s ) 表示外扰，经过墙体或屋顶后转化为房间的传导得热量 q r ，该得热量进入室内，提高了内壁表面温度，经房间各围护结构及家具等的吸热 和放热效应后，最终转化为冷负荷c q f 。 上述过程，可写成以下两个连续过程 q ( s ) = g l ( s ) 乞( s ) 以q ( s ) = g 2 ( s ) q ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中f z 岱) 输入函数( 综合温度) 的拉普拉斯变换： q ( s ) 房间得热量的拉普拉斯变换； c q ( 回令负荷的拉普拉斯变换； g l ) 、g 2 ( $ 围护结构、房间的传递函数。 反应系数法适用于任意扰量，它把系统的热特性与外扰分开了，认为反应系数 是系统本身的热特性，与外扰无关。因此，只要知道反应系数和外扰的瞬时值和历 史值，就可以求出该时刻内表面的热流值。该方法还适用于房间全年的负荷计算和 模拟。 利用反应系数法计算系统当前时刻的反应，要涉及在此之前相当一段时间内的 各种扰量的作用，即要算出很多的反应系数。当进行长期负荷计算时，这种算法所 花费的计算时间比较长。为此，人们进行了很多的改进工作，以减少计算量。比如 公比法、z 变换方法等。目前z 变换应用的比较多。设计用的冷负荷系数法、冷负 荷温差法等方法，其原理都是一样的，都是反应系数法的不同简化计算形式。 2 。2 3 有限差分法 有限差分法是墙体非稳态传热计算发展较早的一种数值计算方法。其方法就是 在时间和空间两个方向上将问题离散成许多节点，得到空间步长和时间步长，然后 以初始条件和边界条件为出发点，按时间逐层推进计算【3 9 1 。有限差分法的基本原理 就是用有限差商代替微商( 即导数) ，从而将微分方程转化为差分方程【4 0 1 。 有限差分及有限元等数值方法都是流行的计算机算法，同样在动态空调冷热负 荷计算中应用得很多。所谓有限差分法是把物体分隔为有限数目的网格单元，将微 分方程变换为差分方程，通过数值计算直接求取各网格单元节点的温度。其基本原 理就是用有限差商代替微商即导数，从而将微分方程转化为差分方程，即 1 1 华北电力大学硕士学位论文 劣一+ l r f 一= 一 苏缸 ( 2 7 ) 这种替代的实质就是把相邻节点间的温度分布看作是线性的。差分法的数学相 对比较简单，物理意义明确，遇到不同结构、不同温度变化状况易做变通处理。但 是其计算工作量大，耗时较多，方法非一般工程设计人员可掌握；而