能耗模擬技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

能耗模擬技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

1建筑節(jié)能發(fā)展研究方法和技術(shù)研究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和供暖空調(diào)系統(tǒng)的選擇對(duì)建筑物的負(fù)荷和能源消耗有顯著影響。由于常規(guī)能源儲(chǔ)存有限而能耗與日俱增,使得建筑節(jié)能已成為暖通空調(diào)(HVAC)專業(yè)技術(shù)人員所研究的熱點(diǎn)課題之一。建筑節(jié)能研究內(nèi)容主要涉及采暖空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算、空調(diào)系統(tǒng)冷熱媒驅(qū)動(dòng)能耗、冷熱源機(jī)組、空調(diào)機(jī)組的能耗計(jì)算及效率分析、經(jīng)濟(jì)性分析、壽命周期經(jīng)濟(jì)性(LifeCycleCost)分析等。它將建筑構(gòu)造熱過程、冷熱源設(shè)備采暖、空調(diào)設(shè)備及機(jī)組的工作特性及系統(tǒng)控制方法等結(jié)合考慮,最終得到全年(或更長時(shí)間)的建筑物所消耗的能量(如電能、油、氣耗量或煤耗等),并為建筑的節(jié)能提供備選方案和最佳的控制方式,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理的利用能源。研究方法主要是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬和仿真。國外在這方面作了大量的基礎(chǔ)性研究工作,推出了大量的商用軟件。而國內(nèi)在這方面的研究由于受多方面因素的制約,還很不成熟,本文介紹國外能耗模擬和軟件仿真方法,以供同行參考。2實(shí)施冷負(fù)荷計(jì)算的必要性建筑(空調(diào))負(fù)荷的計(jì)算是能耗模擬計(jì)算的基礎(chǔ)。計(jì)算熱負(fù)荷相對(duì)比較簡單,因?yàn)榉块g在冬季耗熱量比較穩(wěn)定,而冷負(fù)荷計(jì)算需要考慮比較復(fù)雜的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)、太陽輻射和家具、墻體蓄熱情況,計(jì)算比較復(fù)雜。也因其復(fù)雜性空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的方法得到不斷地研究和發(fā)展,其計(jì)算方法主要分為兩大類:靜態(tài)模擬方法和動(dòng)態(tài)模擬方法。2.1能耗趨勢計(jì)算這是一種簡化的能耗計(jì)算方法。該方法雖然在理論上作了很大簡化,結(jié)果也很粗略,但計(jì)算速度快,易于手算,可用于研究能耗趨勢,進(jìn)行系統(tǒng)比較與替代。在這類方法中包括度日法、溫頻法、滿負(fù)荷系數(shù)法、有效傳熱系數(shù)法等。2.1.1根據(jù)美日不同分配的溫度主要用于供熱計(jì)算,準(zhǔn)確性高于冷負(fù)荷計(jì)算。其基于這樣的假設(shè),從熱交換的長期的平均效果考慮出發(fā),當(dāng)室外平均溫度為某個(gè)特殊值時(shí),太陽輻射能量和室內(nèi)得熱量總和與房間的熱損失相抵消,房間處于平衡點(diǎn)。而將該點(diǎn)的溫度近似取作18.3℃(65F),那么實(shí)際所需的能耗將正比于室外日平均溫度與18.3℃之差。度日法是一種最簡單的全年能耗預(yù)測方法,一般用于室內(nèi)溫度設(shè)定值恒定,且室內(nèi)發(fā)熱量為定值,全年均需要供熱或制冷的系統(tǒng)。式中Qh——全年供熱功率kWTbal——房間得熱與熱耗平衡時(shí)對(duì)應(yīng)的室外溫度℃Qc——全年制冷功率kW——室外日平均溫度℃ηh——供熱設(shè)備熱效率ηc——制冷設(shè)備效率K——建筑熱損失系數(shù),k=U0AkW/℃U0——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),kW/m·℃A——圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面面積m公式(1)、(2)中()+指當(dāng)溫度差值為正值時(shí)進(jìn)行求和計(jì)算,否則不計(jì)入。當(dāng)建筑物負(fù)荷多來自于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和滲透傳熱,且機(jī)組的性能比較穩(wěn)定時(shí),度日法不失為一種簡單、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的計(jì)算方法。由于平衡溫度設(shè)定為一個(gè)定值,影響量計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此在此基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了修正度日法(ModifiedDegreedayMethod)和帶變量度日法(VariableBaseDegreeDayMethod)。前者是在度日法公式中乘以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)CD。該值是在一個(gè)適中的氣候條件下,將測量值與度日法計(jì)算值相比較而確定。后者考慮到由于各國各地氣候條件差異,建筑結(jié)構(gòu)及材料特性各異,以及太陽輻射得熱和人員、設(shè)備使用情況不同,將平衡點(diǎn)溫度不再固定為一個(gè)定值,而設(shè)為系統(tǒng)既不加熱也不冷卻時(shí)的室外溫度。式中TR—室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度℃——太陽輻射及室內(nèi)得熱量平均值kW帶變量的度日法雖然是一種靜態(tài)方法,具有一定的局限性,但這種方法以被證明可為以圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱占主導(dǎo)的一類建筑物(如居民樓)提供比較準(zhǔn)確的全年能耗預(yù)測。2.1.2機(jī)組開停充放電負(fù)荷大小確定溫頻法相對(duì)于度日法而言,更適合于以室內(nèi)負(fù)荷占主導(dǎo),且負(fù)荷與室內(nèi)外溫度不成線性關(guān)系的建筑物(如大型商用建筑)。溫頻法是將不同的室外干球溫度下的瞬時(shí)熱(冷)負(fù)荷值乘以該溫度值出現(xiàn)的小時(shí)數(shù),來計(jì)算負(fù)荷大小。一般溫度頻率取3℃～5℃,考慮到機(jī)組開停及設(shè)備使用情況,通常將每天的負(fù)荷計(jì)算分為三個(gè)工作段。對(duì)于熱負(fù)荷而言,可按下式計(jì)算:式中Nj—第j個(gè)溫頻出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)Tj——第j個(gè)溫度頻率時(shí)室外溫度值℃當(dāng)考慮到室外濕球溫度的出現(xiàn)小時(shí)數(shù),也可以用于計(jì)算因通風(fēng)和滲透而帶來的潛熱負(fù)荷,通過調(diào)整平衡點(diǎn)溫度可考慮室內(nèi)負(fù)荷的影響。溫頻法是基于逐時(shí)天氣數(shù)據(jù),而不是采用日平均值,因此相對(duì)于度日法而言要準(zhǔn)確,且可同時(shí)適用于冷、熱負(fù)荷。2.1.3機(jī)組滿負(fù)荷工作時(shí)間這是一種估算方法,它是利用全年制冷設(shè)備滿負(fù)荷工作的小時(shí)數(shù)來預(yù)測全年的能耗,僅限于冷負(fù)荷計(jì)算。它是基于考慮到制冷設(shè)備的工作情況與日照、室外干、濕球溫度、設(shè)備效率及操作情況等有關(guān)可以利用機(jī)組滿負(fù)荷工作的時(shí)間來間接反映建筑能耗。這種方法比較適合于整體式機(jī)組、組合式單元,不適用于商用中央空調(diào)系統(tǒng)。式中:Qr——制冷機(jī)組最大設(shè)計(jì)負(fù)荷kWH——滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)時(shí)2.1.4有效傳熱系數(shù)法u-值有效傳熱系數(shù)U值依據(jù)建筑構(gòu)造和材料類型、輻射吸收率、墻體朝向的變化而變化,一旦與指定的計(jì)算條件不符時(shí),會(huì)帶來較大差異。2.2能耗模擬研究這是一種比較精確的能耗計(jì)算方法,自70年代以來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的。采用計(jì)算機(jī)模擬,可以得到全年逐時(shí)能耗變化,并考慮建筑結(jié)構(gòu)蓄熱的影響,比較耗時(shí),主要用于建筑能耗系統(tǒng)及子系統(tǒng)的能耗分析及評(píng)估、經(jīng)濟(jì)性分析和優(yōu)化等,是當(dāng)今國內(nèi)外能耗模擬研究的重點(diǎn)。在這類方法中主要有加權(quán)系數(shù)法和熱平衡法。2.2.1空氣溫度權(quán)系數(shù)法該方法是介于靜態(tài)計(jì)算方法與動(dòng)態(tài)熱平衡法的一個(gè)折衷。加權(quán)系數(shù)法是由Z-函數(shù)傳遞法推導(dǎo)而來,權(quán)系數(shù)有兩組:得熱權(quán)系數(shù)和空氣溫度權(quán)系數(shù)。前者是關(guān)于得熱量轉(zhuǎn)化成冷(熱)負(fù)荷的關(guān)系,如公式(9)。得熱權(quán)系數(shù)是一系列的參數(shù),在數(shù)值上決定了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱以及在以后一段時(shí)間內(nèi)蓄熱是如何釋放的?？諝鉁囟葯?quán)系數(shù)是關(guān)于室內(nèi)溫度與房間內(nèi)負(fù)荷間關(guān)系,如公式(10)。式中T——室內(nèi)空氣溫度℃q(t)—t時(shí)刻得熱量kWQ(t)——t時(shí)刻冷負(fù)荷kWER(t)——t.時(shí)刻空調(diào)系統(tǒng)所提供能量kWv0,v1…,w1,w2…為得熱權(quán)系數(shù)g0,g1…,p1,p2…為空氣溫度權(quán)系數(shù)加權(quán)系數(shù)法有兩個(gè)假設(shè)。其一是假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱過程模型是線性的,這樣可以分別計(jì)算各種得熱如何轉(zhuǎn)換成冷負(fù)荷,相加的和即成為總的冷負(fù)荷。其二是假設(shè)影響權(quán)系數(shù)的系統(tǒng)參數(shù)均為定值,而與時(shí)間無關(guān)。這兩點(diǎn)假設(shè)在一定程度上削弱了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。由美國能源部開發(fā)的大型仿真軟件DOE就是采用這種方法。2.2.2熱平衡法計(jì)算熱負(fù)荷熱平衡法根據(jù)熱力學(xué)第一定律(能量守恒)來計(jì)算建筑能耗,因此它更理論化一些,假設(shè)條件較加權(quán)系數(shù)法少,但計(jì)算復(fù)雜,耗計(jì)算機(jī)時(shí)更多。熱平衡法由建筑外表面熱平衡、建筑體熱平衡、內(nèi)表面熱平衡和室內(nèi)空氣熱平衡方程式組成,方程聯(lián)立可以求解各表面溫度和室內(nèi)空氣溫度,一旦溫度知道,就可以計(jì)算室內(nèi)冷熱負(fù)荷。其原理如圖1。式中qi(t)—第i個(gè)表面t時(shí)刻的得熱量kW/mhi—第i個(gè)表面換熱系數(shù)kW/m℃hri,k—表面i,k間的輻射換熱系數(shù)kW/m·℃Si—i表面的面積mRi—第i個(gè)表面的輻射吸收量kW/mQ(t)—t時(shí)刻冷負(fù)荷kWm(t)—t時(shí)刻新風(fēng)量kg/sQs(t)—t時(shí)刻室內(nèi)熱源發(fā)熱量kWCp—定壓比熱kj/kg·℃Ti(t)—第i個(gè)內(nèi)表面溫度℃由于熱平衡法詳細(xì)描述了房間熱傳遞過程,通過能量守恒式來計(jì)算瞬時(shí)負(fù)荷。因此它也可用于冷板輻射或輻射供熱系統(tǒng),把這些輻射源當(dāng)作室內(nèi)的一個(gè)表面,列寫相應(yīng)的熱平衡式與其它內(nèi)表面聯(lián)立求解,可推算輻射對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響,在這一點(diǎn)上是加權(quán)系數(shù)法無法比擬的。由美國軍方建筑工程研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的BLAST軟件采用此法。但上述兩種動(dòng)態(tài)模擬方法都是基于傳遞函數(shù)法(TransferFunctionMethod)。3建筑設(shè)備能耗建筑能耗的模擬是針對(duì)逐時(shí)室外氣象條件變化和室內(nèi)溫濕度要求計(jì)算全年8760小時(shí)或更長時(shí)間的逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷和總能耗,不僅包括全年最大負(fù)荷,也包括部分負(fù)荷時(shí)的能耗。我們通常主要關(guān)心的是空調(diào)系統(tǒng)的能耗,但對(duì)建筑業(yè)主來說還須同時(shí)估計(jì)其它建筑設(shè)備能耗,如照明、電力設(shè)備、電梯等。通過全年動(dòng)態(tài)能耗分析,以便合理選擇設(shè)備容量和臺(tái)數(shù),實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配,使系統(tǒng)和各設(shè)備都能高效運(yùn)轉(zhuǎn),并為管理人員提供經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行方案。動(dòng)態(tài)能耗模擬方法有順序模擬法和同時(shí)模擬法兩種。3.1機(jī)組能耗及壽命周期經(jīng)濟(jì)性分析其程序框圖如圖2。計(jì)算步驟是順序分層的,首先計(jì)算每個(gè)建筑區(qū)域中的全年負(fù)荷,然后進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)(二級(jí)設(shè)備)模擬計(jì)算,在這個(gè)過程中需要計(jì)算空氣處理機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組等設(shè)備所耗能量,接著計(jì)算冷水機(jī)組(一級(jí)設(shè)備)所需的總能耗,最后進(jìn)行能耗費(fèi)用及壽命周期經(jīng)濟(jì)性分析(LifeCycleCostAnalysis)。在第二、三層計(jì)算中,采用準(zhǔn)靜態(tài)模擬方法,假設(shè)在一個(gè)小時(shí)內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)及機(jī)組的狀態(tài)是穩(wěn)定的,而每個(gè)小時(shí)是不同的。順序模擬法是順序計(jì)算每一層,各層之間沒有反饋信息交流,故不能確?？照{(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)可以滿足負(fù)荷要求。在超出空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷或機(jī)組負(fù)荷時(shí),僅給出負(fù)荷不足的提示,卻不能去修正室內(nèi)空氣狀態(tài),以反映系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行情況。3.2機(jī)組間耦合關(guān)系其程序框圖如圖3?；谏鲜龇椒ǖ牟蛔?同時(shí)模擬法考慮負(fù)荷、系統(tǒng)、機(jī)組間的耦合關(guān)系,在每個(gè)小時(shí)的計(jì)算中,負(fù)荷、系統(tǒng)、機(jī)組的計(jì)算同時(shí)進(jìn)行,可確?？照{(diào)系統(tǒng)是滿足負(fù)荷要求的。這種方法雖然提高了模擬的精確度,但要花費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和機(jī)時(shí)。4優(yōu)化能耗計(jì)算隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異,將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)建筑能耗模擬的研究,提高仿真模型的準(zhǔn)確性和優(yōu)化能力。當(dāng)前在模型方面的改進(jìn)主要有以下幾個(gè)方面:(1)改進(jìn)目前的傳遞函數(shù)法,引入新的熱傳導(dǎo)理論和數(shù)學(xué)技巧,例如有限元法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、回歸法等。(2)調(diào)整熱平衡法計(jì)算步驟,考慮負(fù)荷、系統(tǒng)和機(jī)組之間的相互關(guān)系,改善順序模擬法。(3)更新室內(nèi)設(shè)備能耗資料,考慮更完善、更新的采暖空調(diào)系統(tǒng)控制方式。能耗模擬軟