022不同气候区典型城市采暖热计量的节能率.doc

不同气候区典型城市采暖热计量的节能率分析 济南同圆建筑设计研究院有限公司 扈晓庆 牛庆照哈尔滨工业大学 方修睦山东建筑大学 张继军摘要 本文应用EnergyPlus能耗分析软件，对气候区内几个典型城市的不节能建筑、节能50的节能建筑进行能耗模拟分析，并将以上几种情况的建筑物的节能率进行详细分解，给出了围护结构节能率1、自由热节能率2和行为节能率3，以及相对于不节能建筑的总节能率和节能建筑的总节能率。这一系列节能率，将为采暖系统实现热计量后的节能比例提供依据。关键词 EnergyPlus; 节能率; 热计量ANALYSIS ON ENERGY EFFICIENCY FOR HEATING METER SYSTEM IN DIFFERENT CLIMATE ZONEJinan Tongyuan Architectural Design&Research Iinstitute Hu Xiaoqing Niu QingzhaoHarbin Institute Of Technology Fang XiumuAbstract: By the energy simulation software EnergyPlus, the thesis gives the simulation result of energy consumed for heating by the building without energy saving ,the building with 50% energy saving in typical cities in different climate zone. On this basis, the thesis analyzes the proportion of the energy consumed by the envelope, infiltration and free heat and achieve a series of energy efficiency such as 1, 2, 3, and.These will make basis for heating meter.Keywords: EnergyPlus; energy saving; heating meter0 引言我国的建筑节能工作已经开展了二十多年，制定了多项节能标准，出台推行建筑节能的政策法规，新建了大量的节能住宅。但从建筑能耗来考核，建筑节能的工作成效却打了一定的折扣，究其重要原因之一是缺乏必要的市场需求动力，即现行的供暖收费制度不合理。按面积收缴热费的政策不利于用户节能，“开窗降温”的情况屡见不鲜，节能建筑的效果无从体现。采暖热计量是我国建筑节能工作的一个重要组成部分。就房屋建筑能耗而言，并不是直接消耗在房屋建筑上，在我国北方采暖地区供热采暖才是能源消耗的终端。因此在进行建筑节能时，不能只考虑房屋建筑本身的性能，片面的强调房屋建筑墙体围护结构，还应该结合考虑供热采暖系统的节能，二者缺一不可。否则，就会出现 “节能建筑不节能”的现象。房屋建筑节能的实现，必须是墙体围护结构和供热采暖节能有机的结合才能达到1。要实现供热采暖系统按实用热量计量收费，用户能自行调节室温并使室内温度保持用户要求的范围，是采暖系统按热量计量分户计量供热的基础2；没有计量仪表，实现不了热计量收费，温控阀等各种控制装置就将失去意义，起不到实现节能的作用。搞好建筑节能必须同时从改善建筑物围护结构保温性能和提高供热系统能效两方面做起；只有实施“多用热，多交费”，才有利于推动建筑节能。本文正是从两方面考虑，通过EnergyPlus能耗分析软件，对房屋建筑实行计量后的节能率进行分析。论述前提是系统为平衡系统且供热量不变。1 EnergyPlus简介EnergyPlus 是由美国能源部资助开发，基于动态负荷理论，采用反应系数法对包括建筑物及其相关的供热、通风和空调系统设备能耗情况进行模拟分析的一款大型能耗分析计算软件3-4。输入建筑的地理位置，相关的气象资料，建筑材料及围护结构的基本信息，内部使用情况(包括人员、照明、设备和空气流通的情况)，供热、通风及空调系统形式、运行状况以及冷热源的选择情况等信息，EnergyPlus便可模拟计算出建筑物的全年建筑能耗。并通过整个建筑的能耗分析情况，对其供热、通风、空调系统及其相关冷、热源的设计、运行、控制提供指导。EnergyPlus 不但可以对实际的建筑物进行模拟计算，也可以对虚拟的建筑物情况通过建立分析模型进行能耗模拟计算。图1很清楚地显示出EnergyPlus的平台式结构。它由三个基本组成：模拟管理器、热质平衡模拟模块和建筑系统模拟模块。模拟管理器控制整个模拟过程；热质平衡模拟模块计算热、湿负荷；建筑系统模拟模块管理热质平衡计算结果与暖通空调的空气回路和水回路以及相应组件（制冷机、锅炉等）之间的数据通信。用户可以自己来“搭建”实际的系统，因此建筑系统模拟管理器还要管理系统组件之间的数据通信。把图1的复杂结构图简化为图2的框图，EnergyPlus 则体现的是一种同步模拟思路5。即首先根据用户定义的室外气象条件、围护结构情况以及所要控制的室内热环境的温湿度状态等，计算出在一定的时间步长内的室内热负荷情况，并将其负荷状况在这个计算时间步长内传给系统设备模拟模块。接下来的过程，系统设备模拟模块计算出该负荷状况下供热或制冷系统所对应的设备负荷。并将该设备负荷在下一个计算时间步长内反馈给热质平衡模拟模块，并对比设备负荷状况是否与房间负荷状况匹配，如果不匹配，则根据反馈的负荷情况相应调整室内热环境的状态值。由于空间温度的精确预测对诸如设备选型、系统容量、人员舒适性和健康等多方面的情况都是紧密相关的，所以通过使用这种整体模拟技术，由于没有HVAC系统设备负荷反馈所导致的空间温度的不精确问题将被克服。图1 Energyplus软件结构图2 Energyplus平台式结构示意图2 热计量的节能率计量供热是促进供热节能的途径之一，其节能途径主要有两方面：一是通过温控阀利用太阳辐射、人体和室内电器散热、炊事散热等自由热；二是用户可以根据需要调节室温，尤其对于上班族，白天家中无人时调低室内温度，节约能源和热费。其中，自由热是指建筑物额外得热，由于自由热使室温有升高趋势，恒温阀可以及时减少流经散热器的水量，保持室温合适同时达到了节能的目的。而在传统的供热方式在下，是无法实现利用自由热节能的。散热器恒温阀是由恒温控制器、流量调节阀以及一对连接件组成，其中恒温控制器的核心部件是传感器单元，即温包。温包可以感应周围环境温度的变化而产生体积变化，带动调节阀阀芯产生位移，进而调节散热器的水量来改变散热器的散热量。恒温阀设定温度可以人为调节，恒温阀会按设定要求自动控制和调节散热器的水量，从而达到控制室内温度的目的。对于传统的不节能建筑，由于自由热没有被利用，所以自由热应不包含在能耗公式（1-1）中： (1-1)式中 不节能建筑物单位建筑面积的耗热量，W/m2； 不节能建筑单位面积通过围护结构的耗热量，W/m2； 不节能建筑单位面积的空气渗透耗热量，按换取次数法计算空气渗透耗热量，同下，W/m2。对于围护结构节能建筑，没有计量和温控装置时，自由热同样没有被利用，能耗公式（1-2）应为： (1-2)节能建筑安装计量温控装置后，用户可以对室温进行恒温控制，则建筑物的实际耗热量应为： (1-3)式中 节能建筑单位面积通过围护结构的耗热量，W/m2；自由热，W/m2。安装完计量装置后，热消费者可以根据其热舒适度、经济能力及生活方式等自行调节室内温度，这时整栋建筑的能耗为： (1-4)式中 在行为节能作用下，建筑单位面积通过围护结构传热和空气渗透耗热量。根据以上不同阶段的能耗分析，定义以下5种节能率：1. 围护结构节能率 (1-5)2. 恒温控制节能率 (1-6)3. 行为节能率 (1-7)式中 围护结构节能率，与围护结构的材料特性有关，反映不节能建筑与围护结构节能建筑相比，节能比例的大小； 恒温控制节能率，与温控阀有关，反映节能建筑通过温控阀利用自由热与不装温控阀的相比，节能比例的大小； 行为节能率，与热用户的行为有关，反映人们行为节能的比例大小。4. 相对于不节能建筑总节能率围护结构节能行为节能自由热节能不节能建筑123 不同阶段建筑的能耗如公式（1-8）： (1-8)则建筑物的总节能率如公式（1-9）： (1-9)将公式 (1-3)、(1-5)、(1-7)分别代入 (1-9)中，建筑物的总节能率变为： (1-10)5. 相对于节能建筑，建筑物节能率如公式（1-11）节能建筑行为节能自由热节能 (1-11)式中 和意义同上。则建筑物的总节能率如公式（4-12）： (1-12)将公式 (4-3)、(4-5)、(4-7)分别代入 (4-12)中，建筑物的总节能率变为： (1-13)3 构建系统模型3.1室外气象参数的确定本文采用由清华大学提供的中国部分城市的典型年逐时气象数据CSWD进行分析。它是依据国家气象中心提供的气象资料，在19942003年的源数据基础上挑选的典型气象年，包括了建筑物热负荷计算以及可再生能源利用系统的模拟所需要的气象要素。编入的气象数据包括干球温度，相对湿度和含湿量，太阳辐射，风向和风速，大气压力等6。在气象数据CSWD气象数据中，典型城市采暖期室外平均温度及采暖期见表1。表1 典型城市气象数据城市采暖期室外平均温度采暖期采暖天数采暖度日数哈尔滨-7.97当年10.15次年4.151824726沈阳-4.40当年11.1次年3.311513382北京0.216当年11.15次年3.141252223济南1.72当年11.25次年3.41011644西安1.82当年11.15次年2.2210016183.2建筑概况图3为某市某小区节能50%的住宅建筑。该建筑一梯两户，3个单元，共六层，层高2.9米，建筑面积约为3939.84m2，体型系数为0.25。窗墙比控制在：南向0.35，北向0.25，东西向0.3。 图3建筑平面图3.3围护结构特性参数表2 不节能建筑和节能50%建筑传热系数确定城市不节能建筑传热系数W/(m2.)节能50%建筑传热系数W/(m2.)屋面外墙外窗屋面外墙外窗哈尔滨0.7651.2313.260.50.5180.317沈阳0.9571.5063.8470.5760.6350.368北京1.2391.5066.1210.81.160.415西安1.2391.5066.1210.81.2670.415济南1.2391.5066.1210.81.2670.415注:围护结构具体构造详见7 。表3窗玻璃特性参数城市厚度mmKW/(m2k)日射得热SGHC太阳辐射直射透过率可见光直射透过率哈尔滨中空三玻2.1920.6290.5950.671沈阳3+air10+32.8550.7580.7050.812北京3+ air6+33.2260.7580.7050.812西安3+ air6+33.2260.7580.7050.812济南3+ air6+33.2260.7580.7050.8124不同气候区典型城市采暖热计量的节能率设定该住宅建筑室温为18，对于不节能建筑和围护结构节能建筑，由于不装恒温阀自由热无法被利用，所以其耗热量之中不能扣除自由热得热。当整栋楼每户装好温控阀后，用户可以根据其需要进行调控，这样我们假设上班时间早上8:00至晚上17:00家里无人，用户早上离开家时将温控阀关闭，其他时间调节温控阀使室内温度保持在18，在晚18:00至第二天早上7:00每户居住人口为三人，散热量平时为110W/人，睡眠时为72W/人（22:007:00）8，节假日全天室内温度为18。考虑到该住宅建筑用户实际使用情况，设定整栋建筑白天无人员负荷和照明负荷，照明负荷为40W/支的日光灯，其开启时间为18:00至22:00。设备功率如下表4，使用时间为19:00至21:00，其余时间无其他热负荷。生活热水或炊事负荷一般散发量不大，且不稳定，所以在这里暂不考虑。表4不同类型房间设备功率 房间类别电器设备功率（W/m2）起居室30书房30其他房间0由于围护结构节能和温控计量，使建筑能耗大幅度降低。为了分析它们各自的节能效果，现将其分解，分成以下两种情况：方案1：不节能建筑不考虑自由热，围护结构节能后自由热没有被利用，节能建筑安装恒温阀后，用户可利用自由热通过恒温阀来调节室内温度。方案2：不节能建筑考虑自由热，围护结构节能后自由热没有被利用，节能建筑安装恒温阀后，用户可利用自由热通过恒温阀来调节室内温度。分解后的不同节能方式下建筑能耗结果，围护结构保温节能率，自由热节能率，行为节能率，相对于不节能建筑总节能率和相对于节能建筑总节能率，分别基于见表5。表5建筑总能耗及节能率方案1方案2城市建筑总耗热量GJ耗热量指标W/m2节能率总耗热量GJ耗热量指标W/m2节能率哈尔滨不节能2384.5038.482073.3133.46围护结构节能163226.35=31.53%163226.35=21.25%自由热节能1321.7321.33=19.02%1321.7321.33=19.02%行为节能1266.6020.44=4.15%1266.6020.44=4.15%相对于不节能=46.85%=38.87%相对于节能=20.2%=20.2%沈阳不节能1936.5437.671695.5432.98围护结构节能1290.625.10=33.36%1290.625.10=23.89%自由热节能982.3619.11=23.89%982.3619.11=23.89%行为节能925.2018.00=5.8%925.2018.00=5.8%相对于不节能=52.22%=45.43%相对于节能=28.3%=28.3%北京不节能1565.2838.641308.0732.29围护结构节能1039.1325.65=33.61%1039.1325.65=20.56%自由热节能730.1118.02=29.74%730.1118.02=29.74%行为节能682.4416.85=6.5%682.4416.85=6.5%相对于不节能=56.38%=47.8%相对于节能=34.3%=34.3%济南不节能1224.3535.611064.4830.96围护结构节能830.5624.16=32.15%830.5624.16=21.96%自由热节能618.918.00=25%618.918.00=25%行为节能576.216.76=6.9%576.216.76=6.9%相对于不节能=52.6%=45.5%相对于节能=30.2%=30.2%西安不节能1227.5436.061075.6331.6围护结构节能823.9924.21=32.87%823.9924.21=23.39%自由热节能654.6319.23=20.55%654.6319.23=20.55%行为节能595.7417.50=9%595.7417.50=9%相对于不节能=51.4%=44.61%相对于节能=27.7%=27.7%图4方案1下建筑能耗通过表5和图4至图7分析可得出：1. 在两种方案下，不节能建筑能耗、围护结构节能下的建筑能耗、自由热节能下的能耗，以及行为节能下的能耗从哈尔滨至西安依次降低。2. 两种方案下，建筑构型相同的住宅建筑，通过围护结构保温，温控阀利用自由热，及在人们行为节能下，相对于不节能建筑的节能率和相对于节能建筑的节能率从哈尔滨至济南依次递增，而在西安有所降低，主要是因为西安在采暖季的太阳直射辐射强度为最低造成的，见图8。3. 各城市围护结构节能率和自由热节能率均相差不大，差距最大的是自由热节能这块，总节能率的曲线形式与自由热节能曲线形式基本相同。4. 尽管近年来国内下大力进行节能建筑，在墙体保温上做出了努力，但节能效果并不理想，甚至出现“节能建筑不节能”的现象的原因，有两方面，一方面是由于采暖系统没有解决平衡问题，建筑物以及用户间的失调问题依然存在；另一方面，在于热网的集中调节不当，多供的热量没有减下来，而建筑物的自由热没有利用起来。从而使得通过改善墙体保温，住宅室温有所提高，甚至出现了过热的情况，但因为没有房间温控与计量手段，用户在感觉房间温度较高时开窗降温，致使自由热没有被利用，而白白的浪费了。使改善墙体降低房间热负荷所做的工作没有体现出来，能量没法节约下来。图5方案1下建筑节能率图6方案2下建筑能耗图7方案2下建筑节能率图8各城市太阳辐射强度 5 结语（1）定义出围护结构节能率，恒温控制节能率，行为节能率，相对于不节能建筑的节能率和相对于节能建筑的节能率。（2）对典型城市哈尔滨、沈阳、北京、济南、西安的不节能建筑和节能50%建筑，进行了节能率的分析。两种情况下，由北至南，各城市围护结构节能率相差不大；恒温控制节能率逐渐增大，但到西安节能率有所降低，主要是因为西安在采暖期内太阳的直射辐射量和散射辐射量最低造成的；行为节能率逐渐提高；相对不节能建筑的节能率和相对于节能建筑的节能率，与恒温控制节能率变化趋势相似。尤其是北京，采暖期内太阳的直射辐射量和散射辐射量最高，恒温控制节能率大，