（环境工程专业论文）西安市建筑能耗动态分析及供热发展负荷预测.pdf

摘要 随着我国国民经济的快速发展，城市化进程的加快，能源需求持续增高。其中，我 国建筑能耗在总能耗中所占比重较大。据统计目前已超过全国能源消费总量的1 4 ，这 个比值随着人民生活水平的进一步提高还会增加。 伴随着计算机科学和技术的发展，应用计算机软件对建筑能耗进行全年动态模拟分 析已成为现实。利用计算机模拟系统来分析建筑能耗，比传统的热工计算方法有着准确、 方便、快捷的突出优点。d e s t 软件是清华大学研制开发的建筑能耗计算分析软件，目 前正在逐步推广使用。 在d e s t 软件计算中涉及的参数有室外气象参数、围护结构型式、室内计算参数等。 其中室内计算参数又包括室内设计温度、室内热扰、空调运行模式以及房间通风换气次 数。 本文应用d e s t 软件对西安市1 9 8 0 - - 1 9 8 1 年前后典型住宅、实行5 0 节能设计标准 的典型住宅、实行6 5 节能设计标准的典型住宅、1 9 8 0 年前后典型公建、实行5 0 节能 设计标准的典型公建共计五种不同节能要求的典型建筑分别进行了动态模拟，并结合现 行的节能设计标准，将现行民用建筑节能设计标准中规定的围护结构传热系数、窗墙比 的最大值输入到建筑模型中进行动态模拟，验证了标准所规定的围护结构传热系数的最 大值取值的合理性。 本文针对西安市供热调查的数据，将模拟结果与调查数据结合，对2 0 2 0 年西安市 供热发展的负荷进行了预测，为西安市集中供热事业的发展提供基本数据。 关键词：建筑节能、能耗分析、动态模拟、负荷预测 a b s 仃a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dc i t yc o n s t r u c t i o n ，t h ee n e r g y d e m a n di n c r e a s e sv e r y q u i c k l y t h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h et o t a l e n e r g y c o n s u m p t i o ni st h em o s tp a r t a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，t h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nh a s e x c e e d e di no n ef o u r t ho fc h i n a st o t a le n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n dt h i sr a t i ow i l lc o n t i n u e i n c r e a s i n ga st h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , d y n a m i cs i m u l a t i o na n d a n a l y s i so nb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na l lt h ey e a rr o u n db yc o m p u t e rs o f t w a r eh a sb e c o m e r e a l i t y a n a l y s i so nb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nb yc o m p u t e rs i m u l a t i o ns y s t e mi sv e r y a c c u r a t e ，c o n v e n i e n ta n df a s tw h e nc o m p a r i n gi tw i t ht r a d i t i o n a lh e a te n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n d e s ti sab u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i ss o f t w a r ee x p l o i t e db y t s i n g h u au n i v e r s i t y , a n dn o wt h eu s eo fi ti sb e i n gp o p u l a r i z e d w h e n c a l c u l a t i n gb yt h ed e s t , t h ec a l c u l a t i o np a r a m e t e r si n c l u d e st h ep a r a m e t e r sf o r e x t e r n a lw e a t h e r , b u i l d i n ge n v e l o p es t r u c t u r e ，t h ec a l c u l a t i o np a r a m e t e r sf o ri n t e r n a la n ds o o n t h ei n t e r n a lc a l c u l a t i o np a r a m e t e r si n c l u d ei n d o o rd e s i g nt e m p e r a t u r e ，i n t e r n a lt h e r m a l d i s t u r b a n c e ，t h er u n n i n gm o d eo fa i r - c o n d i t i o n e ra n dv e n t i l a t i o nr a t eo far o o m b yd e s ts o f t w a r e ，t h i sp a p e rd o e st h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ff i v ek i n d sd i f f e r e n te n e r g y s a v i n gd e m a n d ，t h a tc o n c l u d e st h et y p i c a lr e s i d e n t i a lb u i l d i n gf r o m19 8 0 t o19 81 ，t h et y p i c a l r e s i d e n t i a lb u i l d i n ga f t e rd e s i g ns t a n d a r do fa d o p t i n g5 0 o fe n e r g yc o n s e r v a t i o ni nb u i l d i n g p u t t i n gi n t op r a c t i c e ，t h et y p i c a lr e s i d e n t i a lb u i l d i n ga d o p t i n g6 5 o fe n e r g yc o n s e r v a t i o ni n b u i l d i n g ，t h et y p i c a lc o m m e r c i a lb u i l d i n gi na b o u t19 8 0 ，t h et y p i c a lc o m m e r c i a lb u i l d i n ga f t e r d e s i g ns t a n d a r do fa d o p t i n g5 0 o fe n e r g yc o n s e r v a t i o ni nc o m m e r c i a lb u i l d i n gp u t t i n gi n t o p r a c t i c e c o m b i n e dw i t he n e r g yc o n s e r v a t i o nd e s i g ns t a n d a r d ，c o n s i d e r i n gd e s i g ns t a n d a r do f e n e r g ys a v i n gi nb u i l d i n g ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nb yu s i n gt h em a xo v e r a l lh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to fb u i l d i n ge n v e l o p e ，a n dt h em a xa r e ar a t i oo fw i n d o w st ow a l li nt h ea r c h i t e c t u r e m o d e ld e m o n s t r a t e st h a tt h er i g h t n e s so ft h em a xo v e r a l lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f b u i l d i n g e n v e l o p e c o m b i n e dt h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t ht h ed a t ao f h e a ts u p p l yi n v e s t i g a t ei nx i a n ，t h i s p a p e rp r e d i c t st h el o a dd e v e l o p m e n to f x i a l lh e a ts u p p l yi n2 0 2 0i nx i a n ，i tp r o v i d e st h e b a s i cd a t af o rt h ed e v e l o p m e n to f x i a nc e n t r a l i z e dh e a ts u p p l y k e yw o r d s ：b u i l d i n ge n e r g ys a v i n g ；e n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i s ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ； 1 0 a dp r e d i c t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 傅螽 力9 年月乡e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 下7 季盈哆年占月6e t 导师签名： 警荔冷 沙 年6 只石e t 长安人学硕十论文 1 1 研究课题的提出 第一章绪论弟一早珀 了匕 能源是社会和经济发展的重要物质基础，也是提高人们生活水平的先决条件。2 0 世纪7 0 年代初，石油危机出现以后，能源问题备受世界各国重视，“节能”己被称为除 煤炭、石油、天然气、核能之外的第五大能源。建筑节能是指在建筑材料生产、房屋建 筑施工及使用过程中合理的使用、有效地利用能源，以便在满足同等需要或达到相同目 的的条件下，尽可能降低能耗，以达到提高建筑舒适性和节约能源的目标。在发达国家， 建筑节能的涵义经历了三个阶段：第一阶段，称为在建筑中节约能源( e n e r g ys a v i n gi n b u i l d i n g s ) ；第二阶段，称为建筑中保持能源( e n e r g yc o n s e r v a t i o ni nb u i l d i n g s ) ，意为在 建筑中减少能源的散失；第三阶段，近年来，普遍称为在建筑中提高能源利用率( e n e r g y e f f i c i e n c yi nb u i l d i n g s ) ，意为不是消极意义上的节省，而是积极意义上的提高能源利用 效率。在我国，现在统称的建筑节能，其涵义应为第三阶段的内涵，即在建筑中合理的 使用和有效地利用能源，不断提高能源利用效率。 建筑能耗在一个国家总能耗中占重要组成部分，与工业能耗、农业能耗、交通运输 能耗等组成总能耗。建筑能耗划分为建造过程中的能耗和使用过程中的能耗。一般情况 下，建造能耗与日常使用能耗之比约为1 ：9 - - 2 ：8 【l 】，所以建筑能耗的重点是使用能耗。 包括建筑使用期间采暖、通风、空调、照明、家用电器和炊事热水供应等所使用的能量。 建筑用能在我国能源消耗中占有重要地位。我国建筑用能已超过全国能源消费总量 的1 4 ，并将随着人民生活水平的提高逐步增加。目前，我国建筑能耗比重远大于同纬 度其他发达国家。表1 1 是气候相同地区我国住宅建筑耗热量指标与发达国家的比较。 由表中可以看出：全国建筑节能比较好的城市北京，未按新节能标准建造的住宅采暖季 平均耗热量指标是瑞典、丹麦、芬兰等国气候相近地区的的3 倍，即便执行6 5 节能标 准后仍比这几个发达国家的采暖季平均耗热量指标高出近5 0 。 表1 1 气候相同地区我国住宅建筑耗热量指标与发达国家的比较0 2 i 国别 采暖季平均耗热量指标( w m 2 ) 未按新节能标准建造的北京市住宅 3 0 1 按照6 5 节能标准建造的北京市住宅 1 5 0 瑞典、丹麦、芬兰等国家住宅 1 1 第一章绪论 建筑划分为民用建筑和工业建筑，民用建筑又分为居住建筑和公共建筑。居住建筑 主要为住宅建筑( 约占9 2 ) ，其次为集体宿舍、旅馆、招待所、托幼建筑等( 约占8 ) 。 它们的共同特点是供人们居住使用，而且一般都是昼夜连续使用。公共建筑则包含办公 建筑，商业建筑，旅游建筑，科教文卫建筑，通信建筑以及交通运输用房等。有调查资 料证明，大型公共建筑供暖耗热量指标较住宅小，但耗电量指标是住宅的1 0 1 5 倍： 普通公共建筑的供暖耗热量指标与住宅基本持平，而耗电量指标是大型公建的i 4 - - - 1 6 【3 1 。目前中国每年竣工建筑面积约为2 0 亿m 2 ，其中公共建筑约有4 亿m 2 ，与居住建筑相 比，虽然数量上少，但是在能耗上确实很惊人。 目前国内现行的建筑节能设计标准有民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部 分) ( j g j2 6 9 5 ) 、夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准( j g j1 3 4 - - 2 0 0 1 ) 、夏热冬 暖地区居住建筑节能设计标准( j g j7 5 - - 2 0 0 3 ) 以及公共建筑节能设计标准( g b 5 0 1 8 9 - - 2 0 0 5 ) 。此外多个省市也相应制定了符合当地气候特点的节能设计标准。表1 2 是与我国北京气候相同的多个国家的国家或地区标准中围护结构传热系数的规定值的 比较。 表1 2 各国标准中围护结构传热系数的规定1 4 1w ( m 2 目 地区 外墙外窗屋顶 北京( j g j2 6 9 5 标准实施细则) 1 1 6 0 8 24 o 0 8 0 0 6 0 瑞典南部 0 1 72 5 0 1 2 德国柏林0 2 - 0 31 50 2 0 美国与北京气候相近地区o 3 2 o 4 52 0 40 1 9 加拿大 o 3 62 8 6 0 2 3 0 4 0 日本北海道0 4 22 3 3o 2 3 俄罗斯气候与北京相近地区 0 7 7 - - 一0 4 42 7 5 0 5 7 0 3 3 目前，北京地区住宅建筑采用的主要材料、设备和技术，和国外相比并无大的区别， 由表1 1 、1 2 可以看出其差距不在主要材料、设备和技术上，主要是在建筑的设计标准 上。因此提高目前的节能设计标准是整个建筑节能的第一步，也是关键一步。目前国内 多个城市已经积极制定节能6 5 的居住建筑设计地方标准。北京市已在2 0 0 4 年发布居 住建筑节能设计标准( d b j 0 1 6 0 2 2 0 0 4 ) ，自2 0 0 4 年7 月1 日起施行。天津市已从2 0 0 5 年1 月1 日起开始执行新的节能6 5 居住建筑节能设计标准。沈阳市从2 0 0 6 年3 月起开始 2 长安大学硕上论文 施行新的节能6 5 居住建筑节能设计标准。西安市也在积极制定新的节能6 5 居住建筑 节能设计标准，新标准已经完成评审工作，近期将发布实施。 据有关资料显示，截至2 0 0 0 年底，全国既有房屋建筑面积，城市已至1 0 0 亿m 2 ，然 而其中能够达到采暖建筑节能设计标准的仅占全部城乡建筑面积的0 6 ，占城市房屋建 筑面积的2 3 。而约2 1 0 亿平方米的既有住宅建筑存在着保温隔热性和气密性差、供热 系统热效率低下等问题【2 1 。因此，对现有高能耗建筑进行节能改造也是建筑节能的重中 之重。 建设部建筑节能“九五”计划和2 0 1 0 年规划中提出：我国的建筑节能工作步骤是 由易到难，从点而面，坚持不懈，稳步前进。具体做法是： 建筑节能从建筑类型上逐步推开。从居住建筑开始，其次抓公共建筑( 从空调旅游 宾馆开始) ，然后是工业建筑，从新建建筑开始，接着是近期必须改造的热环境很差的 结露建筑和危旧建筑，然后是其他保温隔热条件不良的建筑，建筑围护结构节能同供热 ( 或降温) 系统节能同步进行。 地域上逐步扩展，从北方采暖区开始，然后发展到中部夏热冬冷区，并扩展到南方 炎热区，从几个工作基础较好的城市开始，再发展到一般城市和城镇，然后逐步扩展到 广大农村。 节能及改善热环境要求逐步提高，采暖居住建筑第一阶段节能3 0 ，以后下一阶段 在上一阶段基础上节能3 0 ，冬季室温过低的建筑从提高冬季室温3 5 。c 开始，一步二 步向发达国家目前水平接近。 随着我国各地的居住建筑节能设计标准以及公共建筑节能设计标准的执行，需要计 算建筑的全年能耗，以判断其是否达到节能标准，决定该建筑是否可以修建，某项节能 改造技术是否可行，可对建筑节能做出量化比较。 伴随着计算机科学和技术的发展，应用计算机软件对建筑能耗进行全年动态模拟分 析已成为现实：传统的关于建筑能耗的计算方法，基本上都是基于稳态传热原理，而热 过程是一个动态变化的过程，所以这种计算结果存在很大误差。利用计算机模拟系统来 分析建筑能耗，比传统的热工计算方法有着准确、方便、快捷的突出优点。 1 2 国内外关于建筑能耗分析的发展现状 1 2 1 国外发展状况 建筑能耗和空调能耗计算始于美国人w i l l i sh c a r t i e r 于1 9 1 1 年发表的合理温湿度 1 第一章绪论 公式和绝热饱和理谢5 1 。二次大战前后，稳态传热计算为房间负荷计算的主要方法。1 9 4 6 年美国的c o m a c k e y 和l t w i g h t t 6 】提出综合温度概念，发表了当量温差法，他们用室 外气温和太阳辐射的f o i l e r 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 稳定传热量形式来简化，得出当量温差的概念，并以此为计算负荷，当量温差法此后成 为美国和西方国家的主要计算方法。与此同时，在上个世纪5 0 年代初，苏联学者提出 了谐波分解的类似方程，并用衰减度和延迟时间来表示。谐波法在我国反响很大，作为 主要的热工理论分析计算方法一直广泛使用。1 9 6 7 年加拿大的d gs t e p h e n s o n 和g p m i t a l a s 1 7 】发表反应系数法，即为a s h r a e 所接纳。由于计算机技术的飞速发展，此方法 与计算机的结合产生后来的能耗模拟计算程序d o e 一2 ( d e p a r t m e mo fe n e 唧一 v e r s i o n 2 ) 。 国外建筑能耗模拟分析软件的发展状况如下【8 】： 上世纪6 0 年代中期，国外就开始了对建筑环境及控制系统动态模拟的研究。初期 的研究内容主要是传热的基础理论和负荷的计算方法，例如一些简化的动态传热算法， 如度日法，b i n 法等等。在这一阶段，建筑模拟的主要目的是改进围护结构的传热特性【9 1 。 上个世纪7 0 年代全球石油危机之后，建筑模拟受到了越来越多的重视。同时随着 计算机技术的飞速发展和普及，大量复杂的计算变为行。在上个世纪7 0 年代中期，逐渐 在美国形成了两个著名的建筑模拟程序：b l a s t 1 0 1 和d o e 一2 【1 1 】。欧洲也于上个世纪 7 0 年代初开始研究模拟分析的方法，产生的具有代表性的软件e s p r 1 1 2 】。 在上个世纪7 0 年代末期，随着模块化集成思想的出现，空调和其他能量转换系统 及其控制的模拟软件也逐渐出现，在美国，先后开发出t r n s y s t l 3 】和h v a c s i m + 【1 4 】。 日本开发s h a s p ”】。 1 9 9 9 年美国德克萨斯大学建筑学院公开了它的建筑能耗模拟计算软件 d 咂r - w 矾9 7 0 2 版本【1 6 】。该软件通过逐时的模拟计算，测算出建筑物的年能耗量。该 软件数据的输入输出采用交互式图形界面方式。计算模型采用最新的数学方法，能够在 最短的时间内计算逐时能耗。该程序包里还装载了世界2 7 4 个城市三十年来统计的气 象数据。 2 0 0 1 年，在美国能源部的支持下，由劳伦斯f 白克利国家实验室、伊利诺斯大学、美 国军队建筑工程实验室、俄克拉何马州立大学及其他单位共同开发i 拘e n e r g y p l u s ，是一 个全新的软件，它不仅吸收了建筑能耗分析软件d o e 2 和b l a s t 的优点，并且具备很多 新的功能，被认为是用来替代d o e - - 2 的新一代的建筑能耗分析软件【 】。 4 长安大学硕士论文 1 2 2 国内发展状况 目前，国内对建筑能耗模拟分析的软件主要有两种：d e s t 和e h l 。 ( 1 ) d e s t ：1 9 8 0 年 1 9 8 2 年，清华大学江亿教授分别提出气象参数的随机模 型和建筑热环境模拟及空调系统负荷计算的状态空间方法，构成d e s t 研究工作的主要 基础。1 9 9 1 年，洪天真博士、江亿教授等完成建筑热环境模拟分析软件b t p ( d e s t 的 前身)的编制。b t p 是世界上能够在图形化界面上描述建筑，利用房间热平衡法作逐 时动态热分析的早期软件之一。该软件在当时通过了i e aa n n e x2 1 组织的各种验证【1 8 】， 被评价为“最好的几个结果之一”。 清华大学建筑技术科学系建筑环境与设备研究所综合十余年科研成果的结晶，开发 出了用于建筑热环境设计模拟分析的软件平台建筑热环境设计模拟工具包 ( d e s i g n e r ss i m u l a t i o nt o o l k i t ，简称d e s t ) 并于2 0 0 0 年发布。d e s t 充分考虑了人的 创造性和计算机强大的计算能力，并将两者有机地结合起来。该模拟软件已于2 0 0 0 年6 月份通过国家教育部鉴定，被评定为“具有世界先进水平”，也是国内唯一能够动态模 拟建筑采暖、空调负荷的分析软件。该软件能够在建筑描述、室外气象数据和室内热扰 以及室内要求温湿度给定的情况下，动态模拟出该建筑的全年逐时自然室温和采暖、空 调系统负荷等的变化情况。在d e s t 的基础上，相继开发了住宅建筑热环境模拟工具 包：d e s t h ；商业建筑热环境模拟工具包td e s t - e ；太阳能建筑能耗分析软件：d e s t - - s ； 公共建筑节能评估版：d e s t r 以及住宅采暖空调能耗评估版：d e s t 一玉、， ( 2 ) e h l ：e h l 是由中国建筑科学研究院建筑物理所开发的，用来估算民用建筑 采暖耗热量及进行建筑节能设计计算的程序。利用此程序在建筑扩初设计阶段对建筑物 进行能耗分析，为建筑师进行建筑节能设计提供计算上的方便，此程序的计算方法是稳 态法，采用有效传热系数法【1 9 1 。 1 3 本文研究内容及意义 本文主要研究内容：采用动态模拟分析软件d e s t 对西安市不同时期的典型住宅以 及公共建筑进行能耗动态模拟计算。针对西安市供热调查的数据，将模拟结果与调查数 据结合，对2 0 2 0 年西安市的供热发展负荷进行预测。 本文的研究具有较强的理论意义和实用价值，主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 首次应用动态模拟分析软件d e s t 对西安市不同时期、不同类型的民用建筑 进行全面能耗分析。 第一章绪论 ( 2 ) 将动态模拟结果和西安市供热调查的数据相结合，对西安市2 0 2 0 年冬、夏 季冷、热负荷进行全年动态预测，为西安市集中供热的发展提供参考依据。 1 4 采用的研究方法 本文采用动态模拟分析方法，研究工具是：d e s t - - h 住宅版以及d e s t - - c 商建版。 使用两个版本的原因在于住宅建筑和商业建筑相比有以下两点不同【2 0 】： ( 1 ) 与商业建筑相比，住宅类建筑的特点是室内发热量小，并且室内人员及设备的 作息变化较大，通过改变住宅建筑围护结构的保温隔热性能可以从一定程度上降低住宅 建筑的能耗，如果设计能够紧密结合当地的气象特点，适当采用一些被动式的设计方法， 例如合理利用太阳能、合理利用自然通风等方式，不仅降低了住宅的能耗，同时会使住 户的热舒适性得到提高。 ( 2 ) 与商业建筑相比，住宅类建筑的房间功能形式较为简单，一般有起居室、卧室、 厨房、洗手间等几种，所以在d e s t h 中，用房间功能类型来定义房间内扰和系统参数， 将房间的人员、灯光和设备热扰都固定于房间类型上，这样大大降低了房间内扰设定的 工作量。强大的构件库为建筑构件提供了更多的选择，开放式的结构允许用户自由定义 新的构件。在d e s t - h 中，综合考虑了遮阳、通风、天空背景辐射等因素，使得住宅类 建筑的模拟计算更符合实际情况，反映被模拟建筑的真实能耗状况。 使用d e s t 动态模拟软件具有很多优势： ( 1 ) 成本低：在实际应用中无需建立样板示范房，节省了土建投资，缩短了建设周 期。 ( 2 ) 速度快：可以在较短的时间内模拟数百种不同的方案。而相应的实验研究却需 要几个月甚至更长时间。 ( 3 ) 不受地点、气候限制。可随时模拟任何地点，模拟任意气候区、任意季节的情 况。 ( 4 ) 可以提供各种各样的假设方案，开阔了我们的思路。通过模拟，对不同的设计 方案进行优选。 目前，d e s t 软件应用领域主要表现在以下六个方面【8 】： ( 1 ) 围护结构优化设计：d e s t 可以根据设计者提出的不同方案，对建筑进行全年 逐时的温度模拟和供暖空调能耗计算，并进行初步的经济性分析，对不同的围护结构设 计方案进行比较，从而帮助设计人员作出最优的选择。 6 长安大学硕上论文 ( 2 ) 空调系统形式及分区方案设计：d e s t 可以模拟出各房间全年的温度状况、不 满意率及要求的空调设备出力，并作迸一步的经济性分析，使设计人员可从可行性和经 济性两个方面对不同的设计方案进行比较。 ( 3 ) 空气处理设备校核：d e s t 在方案设计模拟结果的基础上，对选取的设备类型 及容量进行全年逐时的校核计算，给出不能够满足系统要求的时刻，同时根据选取的空 气处理设备，d e s t 还可以作出更为准确的经济性预测，对不同的空气处理方案能耗的 比较，可以为用户选择节能的空气处理方案提供依据。 ( 4 ) 制冷站及泵站设计：d e s t 根据空调处理设备提出的全年逐时冷量要求，计算 出指定的冷机组合下全年逐时最优的运行组合，给设计者设计制冷站提供依据。 ( 5 ) 输配系统设计：根据空调系统方案模拟及空气处理设备模拟结果得的各个房间 及末端的风量水量需求，进行空调风系统、水系统设计计算，确定风机水泵等设备型号， 校核设计方案在全工况下是否能满足逐时的要求，并模拟计算全年的风机、水泵系统运 行能耗； ，( 6 ) 建筑节能评估：d e s t 是可以进行各类建筑冷热量消耗评估计算的软件，其计 算模型准确，界面简单，操作方便，后处理功能强大，能自动生成评估所需要的实用数 据。 1 5 小结 本章首先指出了建筑能耗在国家总能耗中所占的重要比重，分析节约建筑能耗的重 要性，然后重点介绍了国内外建筑能耗分析的发展状况，并由此提出了本文研究的内容 及现实意义，最后介绍了本文所采用的研究方法。 7 第二章建筑能耗分析方法 第二章建筑能耗分析方法 目前世界各国采用的建筑物能耗分析方法很多，根据所依据的数学模型，可分为两 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【2 1 】 静态能耗分析法主要有：有效传热系数法、度日法、温频法。 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) ( j g j2 6 9 5 ) 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 日= q 日r + q l 胛一9 1 ( 2 1 ) 鲐建筑物耗热量指标( w m 2 ) ； q n r 单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量( w m 2 ) ： g 。肝单位建筑面积的空气渗透耗热量( w m 2 ) ； 吼h 单位建筑面积的建筑内部得热( w 胁2 ) 。住宅建筑，取3 8 w m 2 。 其中q n r 计算公式为： q 胛= ( 岛一f 。) ( s f k ，c ) 如 ( 2 2 ) 全部房间平均室内计算温度( ) ；一般住宅建筑，取1 6 。c ： 乞采暖期室外平均温度( ) ； 长安大学硕士论文 最围护结构传热系数的修正系数； k 围护结构的传热系数( w m 2 k ) ； 4 建筑面积( m 2 ) 。 其中g 。f 单位建筑面积的空气渗透耗热量计算公式为： q l ，= ( t f t e ) ( q 。p n z ) a o( 2 3 ) c 。空气比热容，取0 2 8 w h ( k g k ) ； p 空气密度( k g m 2 ) ，取乞条件下的值； 换气次数： y 换气体积( m 3 ) 。 2 1 2 度日法( d e g r e e d a y ) 度日法是一种最简单的全年能耗预测方法，一般用于室内温度设定值恒定，且室内 发热量为定值，全年均需要供热或制冷的系统。该方法假设从热交换的长期的平均效果 考虑出发，当室外平均温度为某个特殊值时，太阳辐射能量和室内得热量总和与房间的 热损失相抵消，房间处于平衡点。而将该点的温度近似取作1 8 3 c ( 6 5 f ) ，那么实际所需 的能耗将正比于室外日平均温度与1 8 3 之差。 全年供热功率计算公式为： + o h = 丢荔( k - ) + ( 2 4 ) 全年制冷功率计算公式为： q c = 尘1 7 ( i 一死，) + ( 2 5 ) i i cd a y s 幺全年供热功率k w ： q 全年制冷功率k w ： 瓦室外日平均温度，； 仇供热设备热效率； 9 第二章建筑能耗分析方法 仇制冷设备效率； k 建筑热损失系数， k = u 。彳( k w c ) ； 死，房间得热与热耗平衡时对应的室外温度，； 砜围护结构传热系数，k w m 2 ； 彳围护结构表面面积m 2 。 式中( ) + 是指当温度差值为正值时进行求和计算，否则不计入。 当建筑物负荷多来自于围护结构传热和渗透传热，且机组的性能比较稳定时，度日 法是一种简单、准确、经济的计算方法。 2 1 3 温频法 温频法又称变基准温度的度日法。其基本原理是将全年温度划分为若干组，分别计 算系统在每个温度组内的能耗量【1 0 1 。温频法考虑到了室外空气的影响和部分负荷工况的 影响，而且该方法可以通过精确划分以满足特殊系统的要求。温频法计算能耗对于手算 和计算机计算都很方便。 静态分析方法的特点就是简单，容易操作，因此在实践工程界中被广泛采用。然而 静态分析法的最大缺陷也是由于其考虑的因素比较简单，往往会给计算结果带来很大的 误差。 2 2 动态能耗模拟法【2 l 】 利用动态算法，可以模拟当室外气象参数变化时建筑空间中负荷的动态变化。目前 经常采用的动态能耗分析算法主要为反应系数法( 传递函数法) 、谐波反应法、有限差 分法和状态空间法。 2 2 1 谐波反应法 谐波反应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 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，可以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： t ，= a + e a 。c o s & 7 f 一纸) ( 2 6 ) 1 0 长安人学硕十论文 以零阶扰量，即计算同室外综合温度的平均值，r z ( ) ； 4 第n 阶室外综合温度变化的波幅，f z 。； 缈。第n 阶室外综合温度变化的频率，d e g h ； 纸第n 阶室外综合温度变化的初相角，d e g 。 谐波反应法在预先知道房间热扰数值和变化规律的情况下，计算简单，物理概念清 晰。无法计算房间热扰的数值和变化规律无法预知时的工况。 2 2 2 反应系数法( 传递函数法) 反应系数法( 传递函数法) ，是在1 9 6 7 年由加拿大学者d g s t e p h e n s o n 和 g e 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。反应系数法是将随时间连续变化的扰量曲线离散为按时间序列分布的单 元扰量；再求解系统( 板壁或房间) 对单位单元扰量的响应，即所谓的反应系数；最后 利用求得的反应系数通过叠加积分计算出最终的结果。1 9 7 1 年s t e p h e n s o n 和l v l i t a l a s 又 用z 传递函数改进了反应系数法，并产生了适合手算的冷负荷系数法。1 9 8 2 年我国全 国空调冷负荷课题组通过近4 年的理论研究和实验验证提出了适合我国的设计用的冷负 荷系数法。 反应系数法和传递函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。采用反应系数法的模拟软件有d o e - - 2 等。反应系数法在求 解传热方程时，在时间和空间上均保持连续，由于只能取无穷项反应系数中的有限项， 所以计算结果与理论解之间仍然存在一定的误差。在反变换求根时也存在不少困难。 2 2 3 有限差分法 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( 如式3 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。采用有限差分法的模拟软件有e s p r 等。 塞兰警 ( 2 7 ) c 工 第二章建筑能耗分析方法 有限差分法在研究房间温度场的物理细节及处理非线性传热时有很大优势，缺点是 计算量非常大，而且计算结果的稳定性和误差与时间步长的取值有关。 2 2 4 状态空间法【2 2 】 状态空间法是采用现代控制理论中的“状态空间”的概念。与在时间上和空间上均 进行离散的有限差分法不同的是，状态空间发的求解是在空间上进行离散，但时间上保 持连续。可处理多个房间问题。由于其解的稳定性及误差与时间步长无关，因此求解过 程所取时间步长可大至1 h ，小至数秒钟。状态空间法与反应系数法均要求系统线性化， 不能处理相变、变表面换热系数、变物性等非线性问题。状态空间法把建筑的热过程模 型表示成如下形式： c t = a t + b u ( 2 8 ) 式中：c 一反映每个节点在单位温度变化率下的蓄热能力的矩阵； 么一表示各相邻温度节点之间由于温度差而产生的热流流动关系； b 一反映了各热扰与每个温度节点的作用情况： “一是作用在各温度节点上的热扰组成的向量。 采用状态空间法的模拟软件有e n e r g y p l u s 、d e s t 等。 2 3d e s t 软件介绍刚 2 3 1d e s t 的特点【8 】 d e s t 具有以下五个特点： ( 1 ) 以自然室温为桥梁，联系建筑物和环境控制系统； 自然室温指当建筑物没有供暖空调系统时，在室外气象条件和室内各种发热量的联 合作用下所导致的室内空气温度。它全面反映了建筑本身的性能和各种被动性热扰动 ( 室外气象参数，室内发热量) 对建筑物的影响。当分析模拟建筑热性能时，可以立足于建 筑，通过精确的建筑模型，模拟计算各室的自然室温，继承和扩充d o e 2 与e s p r 在建 筑描述与模拟分析上的各种优越性；在研究空调系统时，又以各室的自然室温为对象， 把自然室温与建筑特性参数合在一起构成建筑物模块，这样从系统的角度来看，建筑就 可以成为若干个模块，与其他部件模块一起，灵活组成各种形式的系统，继承t r n s y s 类软件的各种优越性。这是d e s t 对建筑与系统解耦的基本方法。 ( 2 ) 分阶段设计，分阶段模拟；d e s t 在开发过程中融合了实际设计过程的阶段性 1 2 长安大学硕士论文 特点，将模拟划分为建筑热特性分析、系统方案分析、a h u 方案分析、风网模拟和冷热 源模拟共5 个阶段，为设计的不同阶段提供准确实用的分析结果。 ( 3 ) 理想控制的概念；d e s t 没有采用d o e - - 2 和t r n s y s 的“缺省模式 ，而采 用“理想化 方法来处理后续阶段的部件特性和控制效果，即假定后续阶段的部件特性 和控制效果完全理想，相关部件和控制能满足任何要求( 冷热量、水量等) 。 ( 4 ) 图形化界面；d e s t 开发了图形化的工作界面，所有模拟计算工作都在基于 a u t o c a d 开发的用户界面上进行，其程序可在w i n d o w s 操作系统下运行。建筑物相关 的各种数据( 材料、几何尺寸、内扰等) 都可在操作界面上显示、修改。操作很方便，也很 容易掌握。还将模拟计算的结果以e x c e l 报表的形式输出方便用户查询和整理。 ( 5 ) 通用性平台；融合了模块化的思想，继承了t r n s y s 类软件模块灵活的优点 其计算模块具有较好的开放性和可扩展性，d e s t 可以作为建筑环境及其控制系统模拟 的通用性平台，实现相关模块的不断完善和软件的功能扩展。 2 3 2d e s t 的软件结构体系及数据组织 d e s t 的软件结构是由1 0 个单独的模块相互连接构成的【2 4 1 。这些模块包括： ( 1 ) c a b d 一绘图模块； 绘图模块是软件中的基础模块，执行建筑建模、热环境描述，系统描述等一系列与 建筑模型相关的描述任务。采用辅助绘图系统直观表达了建筑的构造样式，为建筑热环 境的描述提供了便利。 ( 2 ) b s h a d o w - 一阳光遮挡计算模块； 在已经建立的建筑模型的基础上，计算不同的太阳高度角和方位角的情况下，建筑 互遮挡和自遮挡的阴影分布。 ( 3 ) l i g h t i n 卜自然采光计算模块； 通过房间的外窗描述确定房间的自然光源，结合建筑遮挡的计算结果和气象数据中 的太阳辐射数据计算房间实际获得的自然采光照度。 ( 4 ) b a s ( b u i l d i n g a n a l y s i s & s i m u l a t i o n 卜房间计算模块： 综合建筑围护设定，建筑热环境设定及房间空调设定计算房间室内状态，相应的显 热负荷和潜热负荷。 ( 5 ) s c h e m 卜空调系统方案模拟模块； 根据房间的负荷计算结果和空调系统的设定，计算确定的系统方案下，空调系统的 第二章建筑能耗分析方法 运行状况。 ( 6 ) a h u ( a i rh a n d l i n gu n i t 卜空气处理设备模拟模块； 根据系统方案模拟的结果和a h u 的设定，计算a h u 各空气处理设备负担的处理 负荷及出口空气状态。 ( 7 ) d n a ( d u c tn e t w o r ka n a l y s i s _ 卜通风计算模块； 首先在满足房间全年送风要求的情况下确定风管尺寸和阻力特性，然后根据