（计算机应用技术专业论文）建筑围护能耗模型的计算机仿真及实现技术.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 目前，在节能建筑设计和审核是否满足节能标准的要求时，一般是采用软件工具 进行。但现有的一些软件往往存在输入复杂，专业性强，用户界面操作不便，要求完 备的条件数据等。因此，设计简单实用，灵活简便、功能完善和输出结果易懂的建筑 模拟分析软件，在节能建筑设计和审核中具有重要的实际应用价值。 在建筑负荷能耗计算、模拟和评价分析中，为模拟更接近实际地区气象条件，减 少数据的重复输入，以2 0 0 5 年发行中国建筑环境分析专用气象数据集为软件设 计的气象基础数据，包含了国内主要城市的典型气象数据。在软件设计中，以计算对 象地区的气象数据为基础，分析逐时气象数据，构建不同的温度计算模型，应用于各 种计算模拟方法的负荷计算或能耗分析，并对整个处理过程编制相应计算和分析程 序。 在充分分析建筑负荷计算原理和实现方法后，分析了多种影响建筑负荷的因素， 通过计算建筑各项全年负荷。利用气象数据，实现了不同方法的负荷计算，模拟建筑 房间全年负荷的动态变化规律，同时对计算结果的准确性进行对比验证。最后通过实 例模拟计算了不同结构的建筑设计方案，并对计算得到的建筑围护动态能耗进行对比 分析，验证了计算得到的数据完全满足建筑设计的精度要求。 模拟软件使用v i s u a lc + + 6 0 编程工具，开发了适合于建筑设计参考和节能建 筑审查人员使用的民用建筑设计模拟软件b h s i m u l a t i o n 。通过对建筑结构实例模型 进行实例模拟分析，b h s i m u l a t i o n 程序计算结果可以作为建筑节能设计提供参考， 但软件功能在建筑形态对能耗影响和随机气象模型的实现等方面还需要进一步完善。 关键词：建筑能耗，负荷计算，能耗分析，模拟软件 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h em o m e n t ，g e n e r a l i t yw ea d o p ts o f t w a r et o o lp r o c e e do fe n e r g ys a v i n g b u i l d i n gd e s i g na n da u d i t i n gw h e t h e rt h eb u i l d i n gd e s i g nc a ns a t i s f yt h ee n e r g ys a v i n g s t a n d a r d y e t ，s o m ee x i s t i n gs o f t w a r et e n dt ob e i n t r i c a t ei m p o r t a t i o n ，p r o f e s s i o n a l ， i n c o n v e n i e n tu s e ri n t e f f a c eo p e r a t i o na n dq u e s ts e l f - c o n t a i n e dc o n d i t i o na n dd a t a w h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt h a tt h es o f t w a r eo fb u i l d i n gs i m u l a t i o na n a l y s i si sd e s i g n e di n e n e r g ys a v i n gb u i l d i n gd e s i g na n da u d i t i n g ，w h i c hi ss i m p l e ，f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n t o p e r a t i o n s ，s u f f i c i e n tf u n c t i o n s a n dl u c i do n t p u t t i n gr e s u l t s f o ra p p r o a c h i n gt ot h ec o n d i t i o no fm e t e o r o l o g i c a li nt h ed e s i g n i n gr e g i o na n d d e c r e a s i n gt h er e p e a t i n gi m p o r t a t i o nw h e nc o m p u t i n g t h eb u i l d i n gl o a da n ds i m u l a t i n ga n d a p p r a i s i n ga n a l y s i s ，t h es o f t w a r ed e s i g n i su s e dw e a t h e rb a s e dd a t ao ft h e ”s p e c i a l m e t e o r o l o g i c a ld a t ao ft h eb u i l d i n ga n de n v i r o n m e n t a la n a l y s i si nc h i n a ”p u b l i s h e di n 2 0 0 5 ，w h i c hc o n t a i nr e p r e s e n t a t i v em e t e o r o l o g i c a ld a t ao fc u r r e n tp r i m a r yi n l a n dc i t i e s i n t h ec o u r s eo fd e s i g n i n gs o f t w a r e ，t h ep a p e ra n a l y s e sh o u r l ym e t e o r o l o g i c a ld a t a ，c o n s t r u c t u n l i k et h e r m o m e t e rc o u n tm o d e l ，h a v et h ea p p l i c a t i o ni nt h ed i f f e r e n tm e t h o d so f c a l c u l a t i n gl o a do ra n a l y s i so fe n e r g ys a v i n g ，w i t ht h ef o u n d a t i o no fm e t e o r o l o g i c a ld a t a i nt h ed e s i g n i n gr e g i o n l a s t l yw ec o m p i l et h ep r o g r a mo fc a l c u l a t i n ga n da n a l y s i sf o r t h e f u l lt r e a t i n gp r o c e s s e s a f t e rw es u f f i c i e n t l ya n a l y z et h ep r i n c i p l eo fc a l c u l a t i n gb u i l d i n gl o a da n dt h em e t h o d o fd e s i g n i n ga n dc o n s i d e rt h ev a r i o u sf a c t o ro fa f f e c t i n gb u i l d i n gl o a d ，w ec a nc o m p u t e a l l y e a rl o a do fv a r i o u sp a r to fb u i l d i n gw i t ho u rs o f t w a r e u s i n gm e t e o r o l o g i c a ld a t a ，w e r e a l i z ed i f f e r e n tm e t h o d so fc a l c u l a t i n gl o a da n ds i m u l a t et h ed y n a m i cc h a n g i n gr u l eo f a l l y e a rl o a do ft h er o o m s a tt h es a m et i m e ，w ev e r i f ya n dc o m p a r eo u rr e s u l t sw i t h v e r a c i t yd a t a f i n a l ，w es i m u l a t et h ee x a m p l e st h a ta r ed i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n a lb u i l d i n g d e s i g n sa n da n a l y z ed y n a m i cl o a d so fb u i l d i n ge n c l o s u r e t h er e s u l t sa r ep r o v e dt h a tt h e s o f t w a r ec a nb ef u l l ys a t i s f i e dt h eb u i l d i n gd e s i g nr e q u i r eo fp r a c t i c a lp r e c i s i o n s i m u l a t i o ns o f t w a r eu s ev i s u a lc + + 6 0p r o g r a m m i n gt 0 0 1 w ed e s i g nc i v i l 华中科技大学硕士学位论文 a r c h i t e c t u r es i m u l a t i o ns o f t w a r e b h s i m i l l a t i o n f o rb u i l d i n gd e s i g nr e f e r e n c ea n d e n e r g ys a v i n gb u i l d i n g u t i l i z e d a n dw es i m u l a t ea n da n a l y z eb u i l d i n gs t r u c t u r e e x a m p l e 、ec a nr e g a r db h s i m u l a t i o n sr e s u l t sa st h er e f e r e n c eo fb u i l d i n gd e s i g n y e t , t h es o f t w a r ei sn e e d e dt ob em o t p e r f e c t e di ni t sf u n c t i o n s u c h 弱t h ea f f e c to ft h e b u i l d i n gf o r mt oe n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h er e a l i z a t i o no fr a n d o mm e t e o r o l o g i c a lm o d e l ， e t c k e y w o r d s ：b u i l d i n ge n e r g y - c o n s u m p t i o n ，l o a dc a l c u l a t i o n ， e n e r g y - c o n s u m p t i o na n a l y s i s ，s i m u l a t i o ns o f t w a r e h i 独创性声明 y 】0 1 7 5 2 9 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体。 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 卢傲 日期：炒年1 0 月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密吖 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名 日期：加形年1 0 , 91 0 日 指导教师签名：劫y 一 日期：歹卯厂年1 月1 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究课题的提出 1绪论 建筑能耗与工业能耗、农业能耗、交通运输能耗统称为社会总能耗，其主要包括 建造能耗、使用能耗和拆除能耗，一般是指建筑使用能耗，通常包括冬季采暖、夏委 空调、室内设备、人员、热水、建筑环境能耗等能耗负荷。随着经济的发展，生活水 平的改善，建筑能耗在总能耗中，已远远超过其它能耗。 建筑能耗在实际计算中较为复杂，主要可分为室内能耗和室外能耗。室内能耗即 室内冷负荷是空调设计和温度调控的重要依据，主要包括室内人体、照明设备、各种 工艺设备、电器设备散热，在房间用途确定的情况下，其室内能耗计算比较简单，基 本上可以认为是固定的；室外能耗即室外冷负荷包括太阳辐射、建筑围护结构传热、 新风换热和建筑周边环境反射辐射传热等，室外能耗的计算比较复杂且是一个动态非 稳定的传热过程。在空调环境下一般认为室内温度为一恒定值，且室内的负荷相对稳 定，可以简化室内的负荷扰动，只考虑室外非稳定气象温度和室外环境带来的扰动， 本课题重点对室外能耗进行分析。 1 2 国内外建筑能耗模拟研究比较 建筑能耗计算模拟研究方法主要是借助计算机技术进行模拟和仿真或按比例建 立实物模型直接得到实验数据。建筑物能耗负荷分析模拟软件“1 研究方面，在国外主 要有美国的d o e 一2 、e n e r g y p l u s ，b l a s t 、t r n s y s ，丹麦的b s i m ，日本的h a s p ，英国 的e s p - r 、e n e r g y 2 ，t r a c e ，芬兰的t a s e 等，部分功能如表卜1 所列。其中最有名 的e n e r g y p l u s 是真正的动态模拟软件，运行时每一个时间步长都同时计算系统中参 数并且将计算的前一系统参数反馈迭代到房间的下一个时间步长的计算，但 e n e r g y p l u s 的模拟不稳定，容易不收敛，迭代误差常没办法收敛到5 内，且搭建系 统需要太多的时间。d o e 一2 是解决大量的建筑体型、构造、设备性能甚至房间使用时 间安排等输入的问题，并更新了h v a c 系统分析模型，能耗计算、系统性能分析以及 经济分析等的内核程序都比较成熟的软件，也是公认的建筑能耗分析结果最为准确的 软件之一。 1 华中科技大学硕士学位论文 在软件方面国外研究较早且作了大量的基础性研究工作，国内的研究由于受多方 面因素的制约，相对不是非常成熟，这方面的研究近年来逐渐重视，在国内主要是清 华大学的d e s t ”( 1 9 9 5 年前称b t p ) 模拟软件，主要是针对不同的模型实现不同的计 算方法，包括c a b d ( 基于a u t o c a d 的d e s t 用户接口) 、b a s ( 建筑分析模拟) 、h v a c ( 系统模型分析) 、d n a ( 管网分析) 、c p s ( 复杂平板模拟) 和e a m ( 经济分析模拟) 等，在国内使用较为广泛。但不管使用国内国外软件进行模拟分析时，往往都需要输 入大量模拟数据，且没有统一的数据结构，要花去很多时间输入，多数软件在理论研 究和教学中应用。 国内建筑节能实验室主要有：华南理工大学建筑环境与能量实验室、清华大学 d e s t 实验室、同济大学建筑节能评估研究室等，为国内的节能技术研究、建筑能耗 计算和计算机模拟、建筑经济性评估研究、节能建筑评估评测体系等在理论发展、应 用实现和规范制定等取得了大量研究数据和经验。 表1 - 1 常用建筑模拟软件比较1 1 】 田 ：沁： 吕 一 一 謇。 奢害 山 室星 象函 芒 羞耳 h 蚕 凸 o 幽 【口 一 常用特性名 o 无反馈的逐时系统负荷计算 、， 模拟负荷，系统和平擘 、， 迭代非线性系统 、， 时问步妖随系统变化 、， 时间步长与环境变化相关 、， 、， 固定或指定时间步长 模拟对象墙、屋顶、窗、天窗、fj 等 、，、， 、， 导入c a d 文f j 格式v、，v、， 导出c a d 文件格式 不限制擎面、系统和设备的数量 、， v 按指定时间步长进行日照分析 1 ， 、， 设置专门围护阴影控制 、，、， v 室内温度动态变化 、， 、，、， 、， 、， 按小时步长进行日照分析 、， 、， 按指定时间步跃进行日照分析 1 3 建筑能耗计算机仿真研究意义 在计算模型建立合理的前提下，利用计算机进行理论研究和模拟分析建筑能耗， 2 华中科技大学硕士学位论文 有诸多优点：不用建立模拟环境，不用选择地点，可以节省很多资源和建设时间：可 以灵活快速得到任意条件的模拟环境，大大缩短实验周期；可以迅速得到动态的、直 观的实验结果；同时可以通过模拟来预测可能存在的问题，并得到合理的解决方案等。 本设计以夏热冬暖地区的居住建筑热工特性及其能耗为对象，通过软件模拟进行计 算、分析、数据比较等方法，充分体现设计过程可控性和条件可变性，为建筑节能提 供模拟数据，制定相应的减少空调设计负荷的热工设计方法，有效达到居住建筑节能 指标。1 。建筑能耗的研究主要有以下几个方面的意义： 1 、合理利用建筑资源，节约能源，缩短实验周期，保护环境。目前国家对基础 建设投入的同时，建筑能耗的迅速超过了能源的生产速度，成为制约经济发展的速度， 建筑能耗将直接影响国家经济的发展。由于建筑墙体体积较大，且大部分直接受到太 阳光的照射，居住建筑在使用中围护能耗大约占使用能耗的一半，主要由建筑围护结 构的热性能和建筑表面与空气接触面积决定。合理设计和优化围护结构，可以有效利 用建筑资源，减少建筑能耗，减少空调暖通设备能源消耗。 2 、建筑围护结构传热负荷预测、分析评测和经济性分析。对单个房间来说，室 内可以看成是一个稳态的环境，室外主要受室外温湿度、太阳辐射强度、墙体朝向和 风速等影响，是一个非稳态的环境。而室外温度是不可控的、动态变化的，不同的建 筑围护结构特性也是相差很大的，从而围护结构传热是一个非稳态的过程，得到的冷 负荷量也是非稳定的。在这样的过程中，可以利用典型气象数据或模拟气象数据“ 对建筑围护的全年传热过程和困护结构能耗进行预测，得到逐时动态模拟数据。在分 析评价一个建筑设计方案的能耗时，通常都采用理论模拟分析的方式。根据建筑设计 构造和环境等数据，通过建筑传热模型动态模拟墙体热过程，分析影响冷负荷的因素 并更准确计算冷热负荷；为墙体保温隔热结构和室内舒适度的改善提供依据；为节能 型建筑结构”1 提供模拟分析提供分析数据；以及进行空调系统动态模拟分析，建筑 物能耗动态分析和节能评价分析”1 ，研究和优化节能型墙体结构“1 ，制定设备运行方 案等。 3 、暖通空调系统运行性能模拟和预测。实际的暖通空调设备都是在一个特定的 环境( 室内和室外) 和工况( 运行模式) 下运行的，由于室内和室外都是一个动态变 化的环境，系统运行也是一个动态变化的过程，通常不会在暖通空调设备系统设计的 极端或标准工况运行。在实际的运行工况的制冷量或制热量通常要大于实际房间的冷 负荷量或热负荷量，这样不合理的抵消负荷，使设备运行能耗增加。而通过建筑传热 负荷模拟，可以分析运行时出现的各种问题和工况的运行情况，可以为设备动态制定 3 华中科技大学硕士学位论文 运行工况，估算全年的运行能耗等。 1 4 论文的内容和结构 本课题内容主要分五个章节进行分析和设计说明，下面对各章节的主要内容进行 简单介绍： 第一章是绪论，主要对课题的提出进行了阐述，对比了国内外常用的几种建筑模 拟软件实现的功能，以及研究和设计建筑能耗计算机软件的意义； 第二章是建筑墙壁传热模拟分析，主要对气象温度模型、建筑围护结构传热模型 川、室外综合温度计算方法以及具体建筑各种负荷的计算方法进行了模拟分析； 第三章是建筑能耗计算模拟软件仿真软件设计，这章对仿真软件的界面进行了具 体的设计，以简单明了、灵活简便为标准，分析了软件各个设计模块之间的数据和代 码关系，并对各个功能模块进行了详细的设计，最后对设计实现的功能进行了可靠性 验证； 第四章是建筑能耗模拟软件实例测试分析，这章主要是利用设计好的模拟软件， 对建筑实例进行了模拟计算和分析，计算主要包括墙体和窗体的负荷计算和分析，以 及不同围护结构方案之间的对较分析； 第五章是论文的结论，这章总结了论文完成的主要内容，实现的功能，并对今后 需要改进和完善的方面做了简单的说明。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 建筑墙壁传热模拟分析 建筑能耗的分析、建筑节能的研究、新型节能墙体结构的研究、建筑围护结构传 热负荷计算和传热动态模拟方法的研究等，对建筑负荷和能耗有着非常重要和直接的 影响。在能源日趋溃乏、供应紧张的今天，能源和环境问题已成为制约社会发展的关 键问题，节能是在各个领域非常重要的研究课题。本课题介绍主要研究建筑物传热过 程模拟和能耗模拟及软件仿真方法实现。 建筑构造设计和采暖空调系统设备的选配，对建筑物的负荷和能源消耗有很大影 响，由于能源日趋缺乏和能耗与日俱增，使得建筑节能已成为国内外暖通空调( h 、，a c ) 专业技术人员所研究的热点课题之一。建筑节能研究内容主要涉及采暖空调负荷的计 算、空调机组的能耗计算及效率分析、经济性分析、寿命周期经济性分析等。它将建 筑构造热过程、冷热源设备采暖、空调设备及机组的工作特性及系统控制方法等因素 综合考虑，最终得到全年的建筑物所消耗的能量( 如主要是电能和煤等) ，并为建筑的 节能提供备选方案和最佳的控制方式，以达到经济、合理的利用能源。 本课题主要研究在空调制冷领域，对不同建筑围护结构的构造和使用不同传热计 算方法，在非稳态传热条件下，利用典型代表年”1 气象数据或当年气象数据，得到8 7 6 0 个小时的逐时室外综合温度，各个方向太阳辐射强度，采用不同的模拟计算方法，进 行模拟计算建筑围护传热过程和传热量及围护冷负荷( 不包含室内负荷) ，准确的得 到围护结构产生的冷负荷，进行更准确的能耗分析和节能效果分析，为空调系统设计、 设备选型和运行工况选择、节能设计提供理论依据和方法。 2 1 逐日气象温度模拟模型 空调和暖通领域的稳态或非稳态系统的模拟分析，都是基于温度和能耗进行的， 往往需要一个月、一年或几年的大量逐日、逐时气象数据，几乎所有的系统动态分析 和动态模拟都是以气象数据为基础的。所以获得或模拟得到这些数据是非常重要的部 分。 典型气象年是以近3 0 年的月平均值为依据，从近1 0 年的资料中选取接近3 0 年 平均值的各月组成一年，对选取的各月进行月间平滑处理，作为典型气象年。可以直 接将典型年气象数据作为逐时气象数据进行模拟计算“；逐日气象数据可以建立逐日 华中科技大学硕士学位论文 气象数据模拟模型，利用典型年气象数据计算得到；得到典型年气象日平均、日极大、 日极小气象温度数据等，作为系统模拟数据用于不同条件下的计算和比较分析。 这种做法存在以下问题： 1 使用气象资料来计算热负荷是为了分析建筑物的热状态，而气象现象是无重复 性的随机过程，因而使用以前的气象数据来计算以后的建筑物热状态的做法，是没有 充分根据的。不同的地区不同时间都有特定的气象条件，建筑产生的负荷“1 ”】也是随 之变化的。 2 选择哪些年份和月份构成标准年，很难有一个恰当的标准。假如要研究系统在 最不利气象条件下的状况，由于不同的系统所对应的最不利气象条件是不同的，例如： 太阳辐射强烈的年份，对一般的空调系统来说是不利年份，但对太阳能空调系统来讲 却是有利年份，因此需要按建筑结构和空调系统的不同划分出许多类型，对每一类型 给出一个标准年，这将是极为繁浩的工作。 需要深入研究气象环境的客观规律，找出一种描绘千变万化的实际气象过程的方 法，给出具有代表性的全年逐时气象数据。实际上，如果从过去大量实测数据中找出 各种气象特征和内部规律，并以它们为基础，按照模拟随机过程的方法模拟出一个伪 气象过程，就可以起到与标准年同样的效果和作用。 这样，每次计算就不必直接处理大批数据，而且由于抓住了气象过程中的各种内 部规律，得到的气象模型可以比标准年更好地反映客观规律。 2 1 1 典型年气象温度处理 气象参数是影响建筑室内热环境和供暖空调能耗的一个主要因素，由于每年的气 象差别很大，故许多国家都用典型气象年来代表多年典型的气象状况“。典型气象 年“”“”数据往往有一个或多个典型年份的数据，数据量很大，实际应用这些数据根 据不用要求进行适当的加工处理。如在空调系统设计和建筑模拟中，为实现模拟的动 态变化过程，必需要使用典型气象数据进行计算和模拟。同时为对比模拟效果和反应 直观，往往需要提取典型气象年数据中的日平均最高最低气象温度、月最高最低 气象温度或n 天间隔的最高最低气象温度等，对不同的模拟要求应用不能的温度数 据。 以上三种气象数据提取方法可以归结为r l 天问隔的最高最低气象温度来处理， 将一年3 6 5 天的气象数据按每1 1 天为一个单位进行分组。当n = l 时即为第一种情况； 当n 为每个月份的天数时即为第二种情况。对气象温度的第三种处理方法做简单的描 述。 6 华中科技大学硕士学位论文 假设典型年第d 天气象温度数据如下方法描述： d a y ( t o ，t t ，t 2 ，t 2 。) d e 1 ，3 6 5 3 第m 组气象温度数据如下方法描述： m o n t h - ( d a y t ，d a y 2 ，d a y 3 ， d a y 。)m e 1 ，1 2 其中n 为第m 组的间隔天数。 第d 天气象温度数据中第s t a r t 时刻到第e n d 时刻的平均最高最低温度如下描 述： t a v e r a g e d a y d = a v e r a g e ( s t a r t ， e n d ，d a y d ) t m a x d a y d = m a x ( s t a r t ，e n d ，d a y d ) t m i n d a y = m i n ( s t a r t ，e n d ，d a y d ) s t a r t 0 ，2 3 ，e n d e 0 ，2 3 如果s t a r t = e n d ，则取第s t a r t 时刻的温度作为平均最高最低温度。 第m 组气象数据的最高最低温度如下描述： t m a x m o n t h = m a x ( m o n t h ) t m i n m o n t h = m i n ( m o n t h ) 2 2 建筑围护结构传热模型 建筑围护结构传热主要由对流和辐射两种热传递形式实现，在冷负荷计算中也最 毽 鍪 空气蕊撩怒椭 霹秘嗣懒l k 魂= 、 像 塞荐热曩q 菱 l 瓢 鼙馕爨熊 域礞冁射镛i ， 竞像 图2 - 1 围护结构传热模型 为复杂，因其既受建筑围护结构特性、建筑材料本身的热容、传热和隔热特性、延迟、 衰减等特性的影响，特别是建筑表面材料辐射反射隔热特性【5 。7 1 1 1 鄹，同时也受室外 环境的温湿度、风速【1 9 1 、太阳辐射强度、各种热量反射、建筑群环境、热岛效应等 因素的影响，明确各因素和条件之间的互相关系，建立相应的模型。建筑外围护结构 7 华中科技大学硕士学位论文 传热引起的负荷占建筑空调负荷很大的比重，也是非常重要的组成部分。建立围护结 构传热模型如图2 - 1 所示，根据传热平衡，传入室内的热量q l 可用如下方程表示： q i = q s + q b + q g + q r + q 。+ q p + q 。+ q 0 t ( 2 1 ) 建筑能耗在实际计算中较为复杂，主要可分为室内能耗和室外能耗。室内能耗即 室内冷负荷是空调设计和温度调控的重要依据，主要包括室内人体、照明设备、各种 工艺设备、电器设备散热，在房间用途确定的情况下，其室内能耗计算比较简单，可 以认为是固定的；室外能耗即室外冷负荷包括太阳辐射、建筑围护结构传热、新风换 热和建筑周边环境反射辐射传热等，室外能耗的计算比较复杂且是一个动态非稳定的 传热过程。在空调环境下一般认为室内温度为一恒定值，简化室内的负荷扰动，只考 虑室外非稳定气象温度和室外环境带来的扰动。 2 3 建筑围护结构温度计算模型 建筑围护结构按墙体特性不同可分为线性墙体和非线性墙体，非线性墙体计算复 杂，墙体材料状态可以随墙体温度的不同而改变。本文只分析线性墙体在传热过程中， 其内部的温度分布和变化趋势的模拟。 嘞蝴魄 t o 鼹恿 瓢 璃 嘁 t 3 魄 i ， t p c t 1 醢 i i i i - p t - 柚 魄 5 “ i p n n 砌魄 t l 图2 - 2 擘体结构分层截面温度 实现围护结构传热理论模型建立和模拟“，在满足如下几个条件；围护视为无限 大平板；围护各层视为均质；围护各层之间紧密结合，忽略热阻；室外温度在某段时 间内不变，即恒定：室内围护表面处于同一温度场和紊流系数恒定。利用固体内部温 度分布导热微分方程平衡方程： 丛_ 。刿 a fo x ( 2 2 ) 傅立叶定律解析式： q 一掣 ( 2 - 3 ) d 上l y 一： l 8 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 尉护各分层温度计算流程 利用这两个方程式，按照壁体两侧的温度条件和热量变化关况，采用有限差分法 可以得出壁体各时刻各分层温度t ( x ，t ) 的近似数值解。围护分层模型如图2 2 所示。 图中：职。为室内外空气交换热量k w ；辞。为室外反射对壁外表面传热量k w ；配，。为 室外对壁外表面的其它传热量k w ；职为传入室内的热量k w ；五为太阳辐射总强度 k w ( m 2 ) ；嚣为室外干球温度；z 为室内温度；6 。为第i 层壁体材料厚度f i l m ； a 。为第i 层壁体材料换热系数k w ( m 2 ) ；p 。为第i 层壁体材料密度k g m 3 ；a 为 第i 层壁体材料比热容k j ( k g ) ； ，为第i 层壁体材料导热系数k , ( m ) 。 围护各层温度使用有限差分法分析，模拟计算从室外到室内墙体各层的逐时温度值， 程序计算流程如图2 - 3 所示。 2 4 建筑室外综合温度计算分析 2 4 1 室外太阳辐射总强度i 的计算 对于建筑物的热环境，太阳辐射总强度是一项很重要的外部热扰量，特别的通过 玻璃窗直接射辐进入房间的热量，对房间温度的扰动具有直接影响。在计算室外综合 温度中，太阳辐射总强度也是一项重要的参数，直接影响综合温度的大小。太阳辐射 总强度是由太阳直射、天空散射、地面反射和大气长波辐射等综合作用的结果，受到 季节、日期、气候、云量、建筑环境等因素的影响。利用太阳赤纬等参数来计算每个 9 华中科技大学硕士学位论文 时刻不同的i 值。这样太阳辐射在倾斜壁面的总强度i 。为： 1 z = i d + i d + ir ( 2 - 4 ) 其中：i 。太阳直射辐射强度w m 2 ； i 。太阳散射辐射强度w m 2 ； i ，地面反射倾斜壁面的辐射强度w m 2 。 2 4 2 室外空气综合温度 综合温度是一个当量温度，并非实际存在的空气温度，是室外空气温度t 。与由 太阳辐射、地面辐射、地面反射和长波辐射、大气长波辐射对围护结构外表面的综合 热作用。室外空气综合温度t ：的计算公式为： f ：t 。+ 里堑一堡 ( 2 5 ) d 4a 4 其中：t 室外温度能； a 。壁外表面总换热系数k w ( i l l 2 ) ； q 。围护结构外表面所吸收的太阳辐射热量w m 2 ； q t 围护结构外表面所吸收的地面反射辐射热量w m 2 ； q e 有效辐射或夜问辐射w m 2 ： 2 5 建筑围护结构能耗的计算方法 建筑围护结构传热计算是最难精确计算的一部分，围护结构传热负荷计算方法一 般可分为稳态分析方法与非稳态分析方法【期- 2 3 1 。稳态法的特点就是简单，对于通常的 工程设计来说，一般只需知道整个建筑物或单位建筑面积在一个空调或采暖期内的耗 热量或耗冷量，通过简单计算或估算即可得到建筑冷热负荷，并不需要详细掌握冷热 能耗随时间的变化变化关系，因此在实践工程实践中应用较广。然而由于稳态法对传 热因素考虑的比较简单，使得计算结果的不精确性，往往会给计算结果带来很大的误 差。 非稳态模拟法的优点是考虑各种对建筑传热有影响的因素，能够得到较精确的传 热量，及传热过程的变化情况。特别是在一些室内环境要求较高的建筑，或是传入室 内的热量要求得到较为精确环境，考虑热耗随时问变化的情况，就必须使用非稳态分 析法进行能耗模拟分析。但，由于非稳态模拟法考虑的环境因素很多，所以应用非稳 态模拟法进行热耗量计算时，必须借助计算机工具来计算模拟和分析完成。这种方法 1 0 华中科技大学硕士学位论文 的缺点是，要实现大量编程，系统性强，不易掌握，要求工程技术人员有一点专业知 识。 稳态分析计算方法如有效传热系数和度日法等，常用于快速计算或估算。稳态分 析计算方法比较简单，方便快速，计算量少，它是将室外温度看成是一个不变的、恒 定的温度，是一种对空间、时间、环境等其它因素模糊处理后的简便算法，采用稳态 方法会引起较大误差；理论研究和实验模拟常用非稳态分析计算方法，常用的方法有 四种：数值分析法、谐波分析法、反应系数法和z 传递函数法。数值分析法是用空 间与时间区域内有限个离散点上的温度近似值代替实际环境连续分布的温度场，这种 方法在合理选取时问步长和空间步长时能够得到较高的精度，但其为保证解的精确需 要划分很多节点，并需要求出每一时间步长的空问温度分布，环境也变后又重新计算 全部所需计算数据，其计算量比较大；z 传递函数法是反应系数法和谐波计算法的改 进算法和一种近似形式，其没有反应系数法收敛速度慢、系数项多、计算量大、计算 空间大、计算精确性需要较多系数项( 通常要取5 0 项以上) 来保证等缺点，而z 传 递函数法只要在计算中保证传递函数频率响应逼近真实频率( 一般取前5 - 6 项) ，就 可以得到较高的精度且计算方便，与比稳态方法相比计算量很大，动态能耗模拟必须 依靠计算机技术实现。 2 5 1 建筑围护结构传热负荷计算方法分析 1 、反应系数法 在室外或室外温度随机变化时，谐波反应法常不能得到板壁围护结构的不稳定传 热解，而多采用反应系数法。 单位等腰三角波扰量作用下板壁围护结构的传热反应系数序列 y ( j ) ) 与壁体两 侧吸热反应系数序列( x ( j ) ) 和f z ( j ) ) 。即 即卜k ： m 盖e 谗叫电 卜。 ( 2 - 6 ) 刑) | - 蓦知) 2 一砒“脚 9 式中当系数e l = a , = - 彳等 告时， f ( j ) ) 为 x ( j ) ) 序列；e 一一b t 一孑i 等石时， f ( j ) ) 为 y ( j ) ) 序列；e t - c t 一毒：去时， f ( j ) ) 为 z ( j ) 序列。其中式中的q 为传递系数，a ，、a 。、b ，和c ，系数可参考文献1 。 华中科技大学硕士学位论文 反应系数计算传得热量，室内空气温度t ，( t ) 和室外空气综合温度t ：( t ) 随时间 变化，n 时刻通过板壁护结构传递的热量就是传热得热量h g ( n ) ，应为： 册( 力= 薹y ( j ) t ：( n d 一善z ( j ) t r o j ) ( 2 - 7 ) 如果室内空气为一个恒定的常数t 。n 时刻传热得热量h g ( n ) 可以定为： h g ( n ) 一罗y ( j ) 乞( n d k f r ( 2 8 ) 简 采用反应数据法计算建筑传热得热量嘲1 ，在实际中不可能取到无穷项反应系数， 所以采用这种方法进行计算时主要是要选定多少项反应系数比较恰当，并能保证结果 的精确性。j 值的范围可在( 0 ，5 0 ) 之问嘲，实际计算中也可根据精度动态确定。 2 、z 一传递函数方法分析墙体传热性能 在室内环境不变的情况下，室内的温度变化都是由于室内外热扰量引起的，而室 外环境的变化起到了决定性的作用，通过墙窗等围护的传热改变室内温度。室外环境 1 饿镶 i 蟋 - 燎l 壤冀硎黔 震砂铲il 静妙 蒯 图2 4 围护内外表面吸热和传热 温度t a ( v ) 进行离散化得到逐时温度t a + ( f ) ，通过由围护特性决定的热力系统传递 函数g ( s ) ，将室外热扰量q ( s ) 传入室内，室内产生作为响应热负荷为c l ( s ) ，形成 逐时室内温度t r + ( f ) ( 本文设室内温度为恒定) 。它们之间关系如图2 4 。 石：= 、 、 i 一墙体i 的y j 值 l 一一墙仕t t 的vr 信l 一一 图2 - 5 墙体i 和墙体i i 的y i 值比较 围护外表面吸热q ( s ) 和所在环境的逐时空气温度t a ( f ) 都是动态的，将这个连 续的、不稳定的过程，可以用室外综合温度t z ( f ) 来代替q ( s ) 和t a ( f ) ，代表综合 1 2 h o 兽，o笤o苫o n o o o 华中科技大学硕士学位论文 室外环境的各总对围护的传热因素，利用z 一传递函数进行分析计算c l ( s ) 。利用气象 数据可以计算得到逐时的室外综合温度。”t z + ( f ) 。 z 传递函数法结合了谐波反应计算法和反应系数法的优点汹1 ，这里是依据板壁热 系统的单位等腰三角波脉冲响应的z 变换进行计算，利用公式2 - 6 ，根据前述的围护 结构各层材料数据，计算得到传热系数序列 x ( j ) ) 、 y ( j ) 和 z ( j ) 计算数据。 i 、j _ 苎孽哩j 曼i 。二9 型4 4 。 | | 1k 扩f i ；i ； y 图2 - 6 墒体i 和墙体i i 的z j 值比较 可以看到图2 - 5 中所示，墙体i 的传热反应系数最大值y l 。= 0 0 4 7 5 4 2 6 大于墙体 i i 的传热反应系数最大值y ”。= 0 0 4 3 1 5 8 7 ，说明当室外温度高于室内温度时，保温 层在外侧时，即使用墙体i i ，室内温度受到的扰动影响较小，室内的温度变化较慢， 对房间的舒适度较好。 图2 - 6 中所示墙体i i 室内表面的最大吸热系数z ”。= 6 4 1 9 8 6 9 1 大于类型墙体i 的室内表面最大吸热反应系数z i 。= 6 2 5 1 7 2 0 6 ，即保温层设置在室外表面时，可以起 到更好的保温和蓄热的功能( 但对于室内温度要求低于室外时则不同) ，在受到相同 的热扰量下，墙体可以吸收或释放较多的热量，从而减小对室内温度的影响，可以更 好维持室内的温度。 对有空调环境的居住房间，热稳定性和舒适度来说，墙体保温材料在墙体的外侧， 室内温度和墙体材料的蓄热效应，墙体保温性较好，采用蓄热量大的材料，室外温度 高时可以吸收更多的热量，减少室内的负荷；室外温度低的时候，蓄热材料释放更多 的热量，可以有效的保持室内的温度。且当室外的温度波动较大时，蓄热材料的吸热 或放热可以有效的减小室内温度的波动，从而保证房间具有更好的舒适度和热稳定 性。保温材料在墙体的内侧，比较有利于散热，晚间室外空气进入室内，能更快的降 低墙体内表面的温度，较适用于自然通风调节室温的房间。 由于对 f ( j ) 进行z 变换就是板壁的传热和吸热z 传递函数： g r ，( z ) 一z 【 ，( ，) 】一f ( 0 ) + f ( 1 ) z 1 + v ( 2 ) z 一2 + ( 2 - 9 ) 1 3 华中科技大学硕士学位论文 将板壁z 传递函数改写成用两个z 多项式相除表示： 一等簪等等 传热z 传递函数系数z 按以下关系计算： f d o = 1 i = 0 w 酽，吼。n + l i t ：m - 1 ( 2 1 0 ) 这样，由式( 2 ) 、( 3 ) 和( 4 ) ，可以得到系数v 7 的计算关系式： v 。荟，( ) + t 。( 2 - 1 1 ) 根据前述的围护结构数据，计算得到z 传递系数v 。、v 7 和v 2 及d 。 z 传递函数法计算逐时负荷，室内空气温度为常数据时，围护结构的传热得热量 为q ( f ) ： q 帆) 。善已亿一) 一善吐。q 包一) 一i 薹v 2 ( 2 - 1 2 ) 2 6 建筑围护各种负荷的计算分析 2 6 1 建筑屋面外墙冷负荷的计算 在室外气象条件和室内设计参数确定的情况下，影响屋顶的空调负荷和空调能耗 的影响因素就只与屋顶的热工性能和屋顶类型有关系。屋顶的热工性能一般包括传热 系数k 和热惰性指标d 两项；目i j 我国的屋顶类型一般有两种：平屋顶和坡屋顶，对 于这两种屋顶类型又分无遮阳和有遮阳两种情况。 热量从壁体一侧的流体通过壁传递给另一侧的流体的过程称为传热过程。壁面的 传热系数k 的定义是：单位时间、单位壁体面积上，冷热流体间每单位温度差可传递 的热量，单位是w ( m 2 ) ，是反应壁体传热过程强弱的一个热工参数。 屋顶和外墙等建筑外围护结构一般是由n 层不同厚度、不同导热系数的