（环境工程专业论文）西安市公共建筑能耗分析.pdf

捅要 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，建 筑用能约占我国总能耗的i 4 左右。而早期的方案决策对改善建筑物的节能具有十分重 要的作用，因此建筑节能设计成为十分重要的节能方法，其中建筑能耗模拟也正在发挥 着越来越重要的作用，能耗模拟分析软件应运而生。如何适时并正确地在建筑设计过程 中使用能耗模拟分析软件，对提高节能设计工作效率具有重要意义。 如何在保持一定室内舒适度的前提下，尽量少的消耗能源，是建筑设计者们所面临 的一个重要问题。本文以清华大学开发的能耗模拟软件一d e s t 为工具，以西安市长安大 学地质大厦为例建立其d e s t 建筑模型，动态模拟分析了不同围护结构下该公共建筑全 年冷热负荷状况，得出了各项节能措施对建筑能耗的影响程度大小，进而为外围护结构 的选择提供基础参考数据，探讨了在冬夏两季不同的室内设定温度对建筑能耗的影响以 及采用变新风量和( 冷) 热回收技术在公共建筑空调系统中的节能潜力。详细说明了模 拟工具能够提供给设计者的设计依据，以及利用模拟分析工具辅助设计的一些思路，对 考虑节能的建筑设计工作提供有益的借鉴。 关键词：建筑节能、能耗分析、动态模拟 a bs t r 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 yq 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 nh a s e x c e e d e di no n ef o u r t h o 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 ，t h eb u i l d i n ge n e r g ys a v i n gd e s i g ni st h ee x t r e m e l y i m p o r t a n te n e r g ys a v i n gm e t h o d ，a n db u i l d i n ge n e r g ys i m u l a t i o np l a y sam o r ea n d m o r ev i t a l r o l e ，e n e r g ys i m u l a t i o na n a l y s i st o o l sa r i s e sa tt h eh i s t o r i cm o m e n t t h e r e f o r e ，h o wa tt h er i g h t m o m e n ta n d c o r r e c t l yu s e se n e r g ys i m u l a t i o na n a l y s i st o o l si nt h ea r c h i t e c t u r a ld e s i g np r o c e s s ， h a dt h ev i t a ls i g n i f i c a n c et oe n h a n c e dt h ee n e r g ys a v i n gd e s i g nw o r k i n ge f f i e i e n e y h o wt os a v ee n e r g yw i t ht h ep r e c o n d i t i o no fk e e p i n gs t a t e dc o z i n e s so ft h er o o m ，i st h e m o s ti m p o r t a n tp r o b l e mf o rt h eb u i l d i n g d e s i g n e rt of a c e dw i t h t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e m a i nf e a t u r e sa n dc a p a b i l i t i e so fan e wb u i l d i n ge n e r g ys i m u l a t i o ns o f t w a r e d e s tt h a ti s r e s e a r c h e db yq i n g h u au n i v e r c i t y b a s e do ng e o l o g i c a le d i f i c eo fc h a n g a nu n i v e r c i t yb u i l d t h ed e s tb u i l d i n gm o d e l d y n a m i cs i m u l a t et h ew h o l e y e a rh o ta n dc o l db u r t h e nw i t h d i f f e r e n tf r a m e w o r k ，e l i c i tt h ei n f l u e n c eo fv a r i e de n e r g y - s a v i n gm e t h o d s ，a n dt h e np r o v i d e b a s i cr e f e r e n t i ld a t af o rt h ec h o i c eo ff r a m e w o r k s i m u l a t e sa n da n a l y z et h ed i s t r i b u t i o no f b u i l d i n gt e m p e r a t u r ea n dd i s c u s s e s t h ec h a n g eo fb u i l d i n g e n e r g yu n d e rd i f f e r e n ts e t u p a i r - c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ei ns u m m e ra n dw i n t e n a tt h ee n do ft h i sp a p e rt h em o s te n e r g y e f f i c i e n c ym e a s u r e m e n t sa n dt e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e d i l l u m i n a t ed e t a i l e d l yt h ed e s i g n a b l e g i s ta n ds o m et h o u g h to ft h eu s eo fe n e r g ys i m u l a t i o na n a l y s i st o o l s t h a tw o u l dp r i v e dt ot h e d e s i g n e r ，p r o v i d es o m eb e n e f i c i a ld i r e c t i o nf o rt h ed e s i g n e rw h oc a l c u l a t et h ee n e r g ys a v i n g 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 ； 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：寄全。9 年月z 日 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) 砂口矿年彭月2 日 以彳年多只矿日 长安大学顺十学位论文 第一章绪论 1 1 研究课题的提出： 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 ye 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 ( 2 0 0 1 建筑能耗年达到3 7 6 亿吨标准煤，占全社会总能耗的2 7 5 ) ，并将随着 人民生活水平的提高逐步增加到1 3 以上【2 1 。目前，我国建筑能耗比重远大于同纬度其 他发达国家。因此，如何节省建筑能耗成为为一个摆在的设计师面前的严峻挑战。而在 实践中人们也认识到，越早期的方案决策对改善建筑物的节能表现越有效，而后期的维 护耗资巨大却收效较小，因此前期的建筑能耗分析十分必要。 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。 进入9 0 年代，模拟技术的研究重点逐渐从模拟建模( s i m u l a t i o n m o d e li n g ) 向应用 模拟方法( s i m u l a t i o n m e t h o d ) 转移，即研究如何充分地利用现有的各种模型和模拟软 件，使模拟技术能够更广泛更有效地应用于实际工程。建筑模拟逐渐在建筑物能耗分析 第一章绪论 与优化和空调系统性能分析与优化方面得到广泛的应用： ( 1 ) 建筑冷热负荷计算，用于空调设备的选择： ( 2 ) 在设计或者改造建筑时，对建筑进行能耗分析： ( 3 ) 建筑能耗的管理和控制模式的制定，帮助制定建筑管理控制模式，以挖掘建筑 的最大节能潜力： ( 4 ) 与各种标准规范结合，帮助设计人员设计出符合当地节能标准的建筑： ( 5 ) 对建筑进行经济性分析，使设计者对所设计方案在经济上的费用有清楚的了解， 有助于设计者从费用和能耗两方面对设计方案进行预测与评估。 随着人们对建筑环境质量要求的不断提高和对建筑节能的日益重视，建筑模拟也越 来越成为建筑环境的设计、分析、评价工作中必不可少的重要工具之一。时至今日，建 筑模拟技术通过4 0 余年的不断发展，己经在建筑相关领域得到了较广泛的应用，贯穿于 建筑设计的整个寿命周期里，包括设计、施工、运行、维护和管理等各个阶段。 在设计阶段，不同的建筑设计形式会造成能耗的巨大差别。这就需要用动态能耗模 拟技术对不同的方案进行详细的模拟预测和比较。这也将作为推广建筑节能的最有效技 术措施，最终达到通过建筑设计阶段的模拟对现有方案的优劣以及不同方案之间的对比 进行评价，对建筑主体设计提出有利于建筑节能的意见，供建筑师参考的目的。 1 2 国内外关于建筑能耗分析的发展现状 建筑环境是由室外气候条件、室内各种热源的发热状况以及室内外通风状况所决定 的。建筑环境控制系统的运行状况也必须随着建筑环境状况的变化而不断进行相应的调 节，以实现满足舒适性及其它要求的建筑环境。由于建筑环境变化是由众多因素所决定 的一个复杂过程，因此只有通过计算机模拟计算的方法才能有效地预测建筑环境在没有 环境控制系统时和存在环境控制系统时可能出现的状况，例如室内温湿度随时间的变 化、采暖空调系统的逐时能耗，以及建筑物全年环境控制所需的能耗。 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 r i e r 于1 9 11 年发表的合理温湿 度公式和绝热饱和理论【4 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 0 m a c k e y 和l t w i g h t 5 】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 r i 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 2 长安大学硕士学位论文 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 pm i t a l a s 6 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 n to fe n e r g y 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【7 】 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【8 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可行。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 9l 和d o e 一2 【1 0 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 】。 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 1 2 1 和h v a c s i m “13 1 。日 本开发出h a s p 1 4 】。 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e n e r - w i n 9 7 0 2 版本【15 1 。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，由劳伦斯伯克利国家实验室、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的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i 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 一2 的新一代的建筑能耗分析软件【1 引。 亚洲国家也逐渐认识到建筑模拟技术的重要性，先后投入大量力量进行研究开发。 日本从上世纪7 0 年代开始逐渐完成h a s p 软件的开发，成为日本队建筑节能标准的工具， 但近年来由于该软件本身的问题和其开发维护机制的问题，使其已不能跟上日益发展的 建筑节能分析的需要。 第一章绪论 1 2 2 国内发展状况 随着我国能源需求的快速增加，能源资源的日益减少、对环境的压力日益增大，能 源问题已经成为影响我国长期可持续发展的一个关键问题。建筑是我国的第一耗能大 户，建筑节能对减少我国能源消耗具有至关重要的作用，因此建筑节能是建筑从业人员 的神圣职责、建筑设计人员无疑肩负着更大的责任，无论是建设师，还是建设设备工程 师都必须转变设计观念，不仅要考虑建筑外观的视觉冲击力、建筑室内环境的舒适性， 更要考虑建筑能耗以及对建筑室外环境造成的污染。建筑节能指标应作为建筑设计方案 评价优选的一个重要指标。为了进一步贯彻建筑节能的基本方针，建设部在2 0 0 1 2 0 0 5 年先后颁布了夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准( j g j l 3 4 2 0 0 1 ) 、夏热冬暖 地区居住建筑节能设计标准( j g j 7 5 2 0 0 3 ) 和公共建筑节能设计标准 ( g b 5 0 1 8 9 2 0 0 5 ) 。这些标准均要求采用全年逐时动态负荷计算方法计算空调、供暖的冷、热负 荷，并评价节能效果【1 7 1 。 我国从上世纪7 0 年代中期开始介绍国外在建筑能耗计算机模拟方面的发展情况， 很多科学技术人员做了大量的工作。8 0 年代以来我们在理论研究、软件开发和工程应用 方面不懈努力，缩短了与发达国家的技术差距，取得了一定的进展。在算法研究方面： 我们对传递函数理论，墙体传递函数和房间传递函数等问题进行了深入研究。在软件开 发方面：初步建立了我国的软件系列。在工程应用方面：应用已有的理论和程序在采暖负 荷计算、冷负荷计算、围护结构热工性能、经济热阻以及建筑节能措施和规范的制订、 太阳能利用问题等方面都取得比较大的发展【l 引。 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 ( o 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 9 l ，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 4 长安人学硕士学位论文 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：d e s t - c ；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 - - e 。 ( 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【2 0 】。 1 3 建筑节能设计过程与特点简介 建筑节能是我国可持续发展战略的重要组成，是一项复杂的系统工程。如果从设计 一开始入手，结合相关的节能措施，完成综合节能5 0 的目标完全可以实现。建筑是一 门艺术与科学相结合的学科，缺少了任何一方面都是失败的。如何设计出一个造型新颖， 如何有效利用现有能源的建筑更是一项大的课题。建筑设计中客观条件与现实能源问题 必然存在，对建筑所处环境、能源的利用与保护，也是综合性方案设计需要考虑到的一 点。建筑节能设计是对建筑功能和环境价值的保护与提升。 为了寻求最佳的节能设计方案，需要提出多种方案进行比较。方案比较，是建筑节 能设计中常用的方法。从整体到每一个细节，对待每一个问题，设计者一般都要设想好 几个解决方案，进行一连串的反复推敲和比较。即或问题得到初步解决，也还要不断设 想有无更好的解决方式，使设计方案趋于完善。总之，建筑节能设计是一种需要有预见 性的工作，要预见到拟建建筑物存在的和可能发生的各种问题。这种预见，往往是随着 节能设计过程的进展而逐步清晰、逐步深化的【2 0 】。 为了使建筑节能设计顺利进行，少走弯路，少出差错，取得良好的成果，在众多矛 盾和问题中，先考虑什么，后考虑什么，大体上要有个程序。根据长期实践得出的经验， 设计工作的着重点、常是从宏观到微观，从整体到局部、从大处到细节、从功能体型到 具体构造、步步深入的。 建筑方案设计的过程大致可以划分为任务分析、方案构思和方案完善三个阶段，其 顺序过程不是单向的一次性的，而是一个循序渐进并且不断反馈的过程。即经过前期任 务分析阶段对设计对象有了一个比较系统而深入的了解把握之后，方开始方案的构思， 第一章绪论 然后逐步完善，直到完成。 在现实的建筑节能设计中，方案设计的方法是多种多样的。针对不同的设计对象与 建设环境，不同的工程师会采取完全不同的方法与对策，并带来不同的甚至是完全对立 的设计结果。因此在确立我们自己的设计方法之前，有必要对现存的各种良莠不齐的设 计方法及建筑理念有一个比较理性的认识，以利于自己设计方法的探索并逐步确立。 建筑节能设计过程中的相关计算、模拟分析，都是逻辑思维，不能忽视。建筑设计 者们应有意识地加深对能耗模拟分析软件的理解与了解，并应用到自己的设计当中，从 而在使设计量化的同时，尽早地考虑节能。 来自建筑能耗模拟的信息反馈具有多方面优点：节省了土建投资，缩短了建设周期， 摆脱了地点限制：可随时模拟任意气候区、任意季节的情况：也给我们提供各种各样的假 设方案，开阔了我们的思路。通过能耗模拟，在设计阶段就可以对建筑完成后可能出现 的问题进行了预测调整。因此，若能在设计阶段尽早地进行能耗模拟分析，将可增加设 计过程的可控性。 1 4 本文的研究内容及意义 本文采用动态模拟分析方法，研究工具是：d e s t c 商建版。 以西安市长安大学地质大厦为例建立其d e s t 建筑模型，动态模拟分析了不同围护 结构下该公共建筑全年冷热负荷状况，得出了各节能措施对建筑能耗的影响程度大小， 进而为围护结构的选择提供基础参考数据，探讨了在冬夏两季不同的室内设定温度对建 筑能耗的影响以及采用变新风量和( 冷) 热回收技术在公共建筑空调系统中的节能潜力。 详细说明了模拟工具能够提供给设计者的设计依据，以及利用模拟分析工具辅助设计的 一些思路，对考虑节能的建筑设计工作提供有益的借鉴。 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。 长安大学硕士学位论文 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，对建筑节能设计过程与特点作了 简单介绍。 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 = g r + q l ，一9 1 ( 2 1 ) 建筑物耗热量指标( w m 2 ) ； q t r r 单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量( w m 2 ) ； g 。，单位建筑面积的空气渗透耗热量( w m 2 ) ； g 。h 单位建筑面积的建筑内部得热( w m 2 ) 。住宅建筑，取3 8 w m 2 。 其中q n r 计算公式为： g 胛= ( 一t e ) ( 毛k f f , ) i a 。 ( 2 2 ) i = 1 全部房间平均室内计算温度( ) ；一般住宅建筑，取1 6 c ； 乙采暖期室外平均温度( ) ； 围护结构传热系数的修正系数； k i 围护结构的传热系数( w m 2 k ) ： 4 建筑面积( m 2 ) 。 其中吼肝单位建筑面积的空气渗透耗热量计算公式为： 长安大学硕士学位论文 q l 咿= ( t f t e ) ( g 尸n v ) l 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 ) ，取乇条件下的值； 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 c 之差。 全年供热功率计算公式为： o h = 墨hd a y s ( 丁a 耐- _ ) + ( 2 4 ) 全年制冷功率计算公式为： q c = ，7 k - 。加z ( e 一死 ( 2 5 ) q 全年供热功率k w ； q c 全年制冷功率k w ； 瓦室外日平均温度，； 仉供热设备热效率； 仉制冷设备效率； k 建筑热损失系数， k = u 。a ( k w c ) ； ，房间得热与热耗平衡时对应的室外温度，： “围护结构传热系数，k w m 2 - ； a 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。 9 第二章建筑能耗分析方法 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【2 2 1 。温频法考虑n t 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： f ，= a 。+ 彳。c o s ( 一n t 一纸) ( 2 6 ) n = l 4 零阶扰量，即计算日室外综合温度的平均值，疋 ( ) ； 4 第n 阶室外综合温度变化的波幅，a t z 。； 缈。第n 阶室外综合温度变化的频率，d e g h ； 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。无法计算房问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 r 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问序列分布的单 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 1 0 长安大学倾十学位论文 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m 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 亿7 ， a x血 、7 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 3 】 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，状态空间法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l 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 反映每个节点在单位温度变化率下的蓄热能力的矩阵； 4 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； 曰反映了各热扰与每个温度节点的作用情况； 第二章建筑能耗分析方法 u 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 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 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 l 。这些模块包括： 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) c a b d 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 ) “班i n g - 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 e _ 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 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，然后根据通风节 点支路矩阵模型、风速风向、空调系统送风状况等联合室温计算模块迭代计算各节点支 路的通风状况。 ( 8 ) c p s ( c o m b i n e dp l a n ts i m u l a t i o n 卜冷热源、水系统模拟模块； 根据冷热源的设定和空调系统的负荷处理要求，确定冷热源、输水系统等的运行状 况，燃料消耗量以及能源利用效率。 ( 9 ) e a m ( e c o n o m i ca n a l y s i sm o d e l 卜经济性分析模块； 针对不同设计阶段的己知设计因素，确定相应阶段所能确定的空调系统的初投资、 运行费和经济性指标。 ( 1 0 ) 结果展示模块 旃帝建筑能耗分析方法 采用系列e x c e l 报表或w o r d 报告模板，将不同阶段的计算结果采用各种统计 方法以报表或撒告的形式输出。 d e s t 的数据组织包括： ( 1 ) 系统数据库：主要包括各种预制的气象参数，建筑构件及空调设备等性能参数。 ( 2 ) 项目数据库：存放整个项目的建筑建模、热环境描述、窄调系统、冷热源设备 配置等信息。 ( 3 ) 结果数据库：保存逐时的计算模块计算产生的逐时数据。 2 33d e s t 模拟计算的基本理论【2 5 l 本文是对建筑的全年能耗进行动态模拟，模拟计算中涉及的基本理论主要包括以下 几个方面：建筑动态热过程模型；与地面相邻区域动态传热问题的处理；热桥动态传热 问题的处理：建筑热过程中的太阳辐射相关模型；影响建筑热过程的各种外界因素的取 值方法。 ( 1 ) 建筑动态热过程模型 1 ) 物理模型，如下图所示： 网2 1 建筑热过程的物理模型 f 。室外空气温度；删邻室空气温度；，建筑物周围环境的平均温度：f 胛地下土壤 的温度；q ”。太阳辐射。p 被窗户吸收的部分：瓯室内的人员枕量；。室内的设备扰 量；4 各田护内表面之问的辐射换热系数；e 4 房叫与邻室的通风换气量：g 4 州墙体 靠近邻室删接收到的邻室的太阳透窗辐射和室内内扰的辐射部分：h 。，建筑田护外表面 长安大学硕士学位论文 与室外空气的表面传热系数； 纵建筑围护内表面与房间内空气的表面传热系数；h ，。建 筑围护外表面与周围环境的辐射换热系数；q ，。太阳辐射中被建筑不透明围护结构外 表面吸收的部分；q ，妒太阳辐射中透过窗户进入室内的部分；q l ，室内的灯光扰量；q l 。 各围护内表面之间的长波辐射换热；g d 房间与室外的通风换气量；q 。房间空调设备 的供热( 冷) 量。 对于建筑中的一个房间而言，其热过程主要包括四个方面：外扰通过围护结构的热 传递过程，内扰的热传递过程，室内外通风和空调投入热量。一个孤立房间的外扰包括室 外气象条件( 如外温、辐射、风向、风速等) 和环境热状况( 如周围环境表面的温度) ；内 扰包括照明、人体和设备等。 2 ) 数学模型 对于一面由多层材料组成的墙体，按一维过程分析其沿厚度方向的导热， c p p 妾= 瓦o t ( k 寻o t ( 2 9 ) 室内一侧边界条件：一尼罢l = “( 乙一f ) + q ，+ 莓k ，( f 一f ) + “加 ( 2 1 0 ) 式中h 加为壁体内表面与空气的表面传热系数，w ( m 2 ) ；乞为室温，；q ，为壁 体内表面吸收的透过窗户的太阳辐射热量，w m 2 ；吼加为室内其他热源( 人员、灯光、 设备等) 以辐射方式传至该表面的热量，w ；h 吖为温度为0 的另一表面歹与该表面的长 波辐射换热系数，w ( m 2 ) 。 当壁体另一侧也是室内时，其边界条件为： 七罢乙吨化叫圯+ 二u 矿f ) + 靠加 ( 2 1 1 ) 当壁体另一侧为室外时，其边界条件为： 七象i 删幽一铲卅“。舶即埘( t e n v - t ) ( 2 1 2 ) 式中吃山为壁体外表面与室外空气的表面传热系数，w ( m 2 ) ；t o 为室外空气温度， ；吼，。为壁体外表面吸收的太阳辐射热量