建筑能耗分析的常用方法

建筑能耗分析的常用方法

能耗分析的計算方法目前，可持續(xù)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求溫暖空調(diào)的設(shè)計更合理、更高效。HVAC系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,必須以全年能耗分析為基礎(chǔ)。建筑能耗分析是建筑節(jié)能和建筑能效管理的基礎(chǔ)。目前普遍使用的建筑能耗計算方法分為詳細(xì)計算法和簡化計算法。國內(nèi)外有不少的能耗計算方法,這些方法在國內(nèi)還沒有得到普及使用。簡化的能耗計算方法主要有度日法、溫頻法、當(dāng)量滿負(fù)荷運行時間法等。本文主要介紹計算機(jī)模擬計算法、度日法、溫頻法,并簡要分析各自優(yōu)缺點以及現(xiàn)有的改進(jìn)措施。1建筑能耗模擬建筑模擬方法是研究建筑能耗特性和評價建筑設(shè)計的常用工具,它可以解決很多復(fù)雜的設(shè)計問題,并將建筑能耗進(jìn)行量化。建筑能耗模擬軟件通常是逐時、逐區(qū)模擬建筑能耗,考慮了影響建筑能耗的各個因素,如建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、HVAC系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。在建筑物周期分析中,建筑能耗模擬軟件可對建筑物壽命周期的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析,包括設(shè)計、施工、運行、管理。建筑能耗模擬軟件應(yīng)用領(lǐng)域包括建筑冷熱負(fù)荷計算、建筑能耗特性分析、建筑能源管理、控制系統(tǒng)設(shè)計等。建筑能耗模擬框圖如圖1所示。目前國際上比較流行的建筑能耗模擬分析軟件有:美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)的DOE-2,用于居住和商用建筑的能量特性分析;美國紐約能源供應(yīng)協(xié)會開發(fā)的EA-OUI,主要用于建筑模擬、節(jié)能分析、節(jié)能改造優(yōu)化、投資分析等;美國能源部開發(fā)的EnergyPlus,主要用于建筑能耗特性模擬和負(fù)荷計算;美國開利公司軟件中心開發(fā)的HAP,主要用于能量特性、負(fù)荷計算、能耗模擬、暖通空調(diào)設(shè)備的選型等。我國清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系經(jīng)過10余年的努力,根據(jù)國內(nèi)的實際情況,逐步開發(fā)出一套面向設(shè)計人員的設(shè)計用模擬工具DeST(Desinger′sSimulationToolkit),目的是把模擬分析技術(shù)引入工程設(shè)計之中,為工程設(shè)計人員提供實用有效的幫助。由于我國缺少專業(yè)的能耗分析隊伍,而大型的能耗分析程序較為復(fù)雜,沒有經(jīng)過培訓(xùn)或詳細(xì)斟酌難以完成計算,而且稍有不慎極易出錯,且缺乏我國自主開發(fā)的逐時氣象數(shù)據(jù)。因此,詳細(xì)的能耗計算方法目前在國內(nèi)沒有得到普及適用,簡便的能耗計算方法在國內(nèi)更容易推廣。簡便的能耗計算方法有度日法、溫頻法、當(dāng)量滿負(fù)荷運行時間法等。但是每種方法都存在著一些問題,各國的暖通設(shè)計人員都在努力完善這些方法,使其更接近實際情況。2熱損失的計算人們通常用語言來表述冷熱的感覺,度日法可以用度日數(shù)值來量化冷熱的程度。采暖度-日數(shù)是指在采暖期中,室外逐日平均溫度低于室內(nèi)溫度基數(shù)的度數(shù)之和,即:HDD=∑i=1n(tR?tm,i)ΗDD=∑i=1n(tR-tm,i)式中:HDD—采暖期度日數(shù),℃·d或dd;n—采暖期天數(shù)或計算天數(shù),d;tR—室內(nèi)溫度基數(shù),℃,我國一般取18℃,國外取18.3℃(65F),也有取15.6℃(60F);tm,i—第i天的室外日平均溫度,℃。同樣還有空調(diào)度日數(shù),指在供冷期內(nèi),室外逐日平均溫度高于室內(nèi)溫度基數(shù)的度數(shù)之和,即:CDD=∑i=1n(tm,i?tR)CDD=∑i=1n(tm,i-tR)我國一般取tR=26℃。為了計算精確,還定義了以平衡溫度tbal,對于某個室內(nèi)設(shè)定溫度ti,當(dāng)溫度達(dá)到tbal時,得熱qgain正好等于熱損失。tbal=ti?qgainKtottbal=ti-qgainΚtot式中:Ktot—建筑的總熱損失系數(shù),W/℃。建筑全年采暖能耗有:QH=KtotηH?HDD(tbal)QΗ=ΚtotηΗ?ΗDD(tbal)式中:ηH—采暖系統(tǒng)能耗。我國有齊全的度日數(shù)資料,可由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒發(fā)的《民用建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》查出,按18℃基準(zhǔn)溫度計算出數(shù)據(jù)。表1所示為我國部分城市的采暖度日數(shù)。根據(jù)分析,影響理論基準(zhǔn)溫度的因素很多,只用一個基準(zhǔn)溫度計算度日數(shù)是不夠的,應(yīng)用變基準(zhǔn)溫度計算度日數(shù),可提高計算準(zhǔn)確性。在供冷季,有時候可以通過開窗來使室內(nèi)溫度降低,所以做供冷分析比做供暖分析復(fù)雜。供冷能耗用下式計算:Qc=Ktotηc[CDD(tmax)+(tmax?tbal)?Nmax]Qc=Κtotηc[CDD(tmax)+(tmax-tbal)?Νmax]式中:CCD(tmax)—以tmax為基準(zhǔn)的供冷度日數(shù);Nmax—供冷季中室外氣溫升高到tmax以上的天數(shù);ηc—空調(diào)系統(tǒng)的效率。度日數(shù)不太適合計算冷耗,因為需要制冷時,太陽輻射對室內(nèi)外溫差影響顯著,顯然單純考慮溫差作用的度日數(shù)法計算冷耗時有很大的誤差。日本進(jìn)行建筑審批所使用的全年冷熱負(fù)荷系數(shù)PAL計算中,采用了擴(kuò)張度日數(shù)法,此方法考慮了新風(fēng)負(fù)荷、輻射負(fù)荷、室內(nèi)熱源負(fù)荷的計算,既能計算供暖負(fù)荷,又能較好的計算供冷能耗。3空氣干球溫度q溫頻法(BIN方法)是美國ASHRAE(美國采暖、制冷、空調(diào)師協(xié)會)提出的計算方法。所謂BIN參數(shù),即某一地區(qū)室外空氣干球溫度逐時值的出現(xiàn)頻率。BIN方法首先根據(jù)某地氣象參數(shù),統(tǒng)計出一定溫度間隔的溫度段各自出現(xiàn)的小時數(shù),然后分別計算在不同溫度頻段下的建筑能耗,并將計算結(jié)果乘以各頻段的小時數(shù),相加便可得到全年的能耗量。BIN方法按頻數(shù)計算能耗,簡便直觀,易于被工程技術(shù)人員接受,在我國得到了較為廣泛的應(yīng)用。3.1日射負(fù)荷及光照參數(shù)的確定早期的溫頻法對負(fù)荷和溫度的關(guān)系只找到了兩個點,認(rèn)為透過玻璃窗的日射負(fù)荷與溫度的關(guān)系滿足這兩點確定的直線關(guān)系。這種計算方法過于粗略:一方面日射負(fù)荷與溫度不是簡單的直線關(guān)系;另一方面在確定兩點時,負(fù)荷所對應(yīng)的代表溫度的選取主觀因素很大,缺乏客觀標(biāo)準(zhǔn)。原有BIN法計算透過玻璃窗日射負(fù)荷有:SCL7(1)=∑i=1nFi?Djmax?CZ?Cdi?FPSt?ArSCL7(1)=∑i=1nFi?Djmax?CΖ?Cdi?FΡSt?Ar式中:SCL7(1)—7月份(1月份)平均日射負(fù)荷,W/m2;Djmax—某朝向7月份(1月份)最大日射得熱因數(shù),W/m2,為在特定的內(nèi)、外表面對流放熱系數(shù)條件下,得出通過標(biāo)準(zhǔn)玻璃(3mm普通常用平板玻璃)的最大日射得熱量;Fi—朝向i的窗面積,m2;n—外窗朝向數(shù),定值;CZ—朝向i玻璃窗綜合遮擋系數(shù),建筑情況確定情況下為定值;t—空調(diào)系統(tǒng)日運行時數(shù);Cdi—朝向i24h的日射冷負(fù)荷系數(shù)和;FPS—7月份(1月份)的平均日照率;A—建筑物空調(diào)面積,m2。計算出SCL7(1),認(rèn)為SCL與溫度成線性關(guān)系,有:SCL=M·(T-Tph)+SCL1比例系數(shù)M為:M=SCL7?SCL1Tpc?TphΜ=SCL7-SCL1Τpc-Τph這樣處理的實質(zhì)是找出某朝向7月和1月最大日射得熱因數(shù)Djmax,用最大日射得熱因數(shù)乘以平均冷負(fù)荷系數(shù)及日照率得到冷負(fù)荷,再找到1月和7月的代表溫度,用所得冷負(fù)荷與溫度對應(yīng)即得到兩個點,認(rèn)為負(fù)荷與溫度的關(guān)系滿足這兩點決定的直線關(guān)系。這樣處理與實際情況不符,計算結(jié)果會偏離實際。3.2溫濕輻射頻數(shù)法ASHRAETC-4.7改進(jìn)了BIN方法,將全年太陽輻射的影響歸結(jié)為溫度的線性關(guān)系,用日照率修正天氣狀況,從而克服了以上缺陷。我國設(shè)計人員提出的改進(jìn)方法稱為溫濕輻射頻數(shù)法,即THRF法。新方法是在承認(rèn)BIN方法思路的基礎(chǔ)上,找到溫度與負(fù)荷更多點的對應(yīng)關(guān)系,用這些點找出溫度與負(fù)荷的統(tǒng)計關(guān)系。具體步驟是:先得到逐日最大日射得熱因數(shù)Djmax,乘以逐時冷負(fù)荷系數(shù)得到透過玻璃窗日射負(fù)荷與溫度的全年逐時詳細(xì)關(guān)系,用日射負(fù)荷因數(shù)Cf表示。再按朝向統(tǒng)計不同溫度下日射負(fù)荷的平均值,得出溫度與冷負(fù)荷的實用關(guān)系。與原BIN方法不同的是,該方法還統(tǒng)計了溫度段內(nèi)各個朝向的日射負(fù)荷因數(shù),用以詳細(xì)計算透過玻璃窗的日射負(fù)荷。此方法詳細(xì)考慮了溫度、含濕量、輻射形成負(fù)荷的計算問題,新THRF法較原來的BIN方法,理論更嚴(yán)謹(jǐn)、更符合實際情況。下面以實例說明溫濕輻射頻數(shù)法的原理及方法。某市一空調(diào)房間以南向玻璃為例,空調(diào)面積Ar=900m2;單層鋼窗,窗戶面積F=60m2,5mm茶色玻璃,淺藍(lán)布簾內(nèi)遮陽。1)考慮玻璃類型、內(nèi)遮陽及窗戶有效面積,選擇玻璃窗綜合遮擋系數(shù)CZ=0.75。單位空調(diào)面積日射負(fù)荷為:CL(Ti)=F·CZ·Cf(Ti)/Ar=60×0.75×Cf(Ti)/900=0.05Cf(Ti)代入各溫度下的日射負(fù)荷因數(shù)(見表2),即得不同溫度時的日射負(fù)荷。2)計算出各溫度下負(fù)荷之后,乘以相應(yīng)的頻數(shù)可得該溫度下的能耗,即:Q′=CL(Ti)·ni3)再累計求和就得需要統(tǒng)計的總溫度范圍內(nèi)的總能耗為:Q=∑CL(Ti)·ni計算結(jié)果如表3所示,累計的溫度范圍為22～35℃。4)將能耗項累計得到南向玻璃窗總能耗為50.191MJ/m2,空調(diào)房間透過玻璃窗日射總能耗為45172MJ。4在中國的應(yīng)用1)采暖空調(diào)系統(tǒng)能耗與度日數(shù)成近似的線性關(guān)系,我國有較為齊全的采暖度日數(shù)資料。這為應(yīng)用采暖度日法進(jìn)行采暖能耗分析奠定了基礎(chǔ)。2)溫頻法由于簡便直觀,比較容易在國內(nèi)推廣