最新建筑能耗模擬的應(yīng)用與發(fā)展

1、建筑能耗模擬的應(yīng)用與發(fā)展摘要：我國建筑總能耗約占社會終端能耗的20.7%。其中，北方城鎮(zhèn)建筑采暖和農(nóng)村生活用煤約為1.6億噸標(biāo)煤/年，占我國2004年煤產(chǎn)量的11.4%；建筑用電和其它類型的建筑用能（炊事、照明、家電、生活熱水等）折合為電力，總計約為5500億度/年，占全國社會終端電耗的27%29%。隨著全球能源緊缺日益增加，我國作為一個能源使用大國，必須做好節(jié)能減排，合理利用資源，走可持續(xù)發(fā)展的道路。在建筑行業(yè)，優(yōu)化建筑能耗使得建筑能耗模擬分析日益提上議程。關(guān)鍵詞：建筑能耗現(xiàn)狀、應(yīng)用范圍、發(fā)展問題、發(fā)展方向一、我國建筑行業(yè)能耗統(tǒng)計及國家政策計劃： 我國目前建筑行業(yè)能源消耗統(tǒng)計，清華建筑節(jié)能研

2、究中心建立了通過能耗強度和數(shù)量進行自下而上計算、并由統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行宏觀驗證的中國建筑能耗模型。應(yīng)用該模型，得出 2006 年我國建筑總商品能源消耗為 5.63 億 tce（發(fā)電煤耗法） ，占當(dāng)年全社會一次能源消耗的 23.1%。王慶一教授按國際通行的能源平衡定義和計算方法，參考相關(guān)行業(yè)統(tǒng)計、專項調(diào)研、專家咨詢、研究資料，調(diào)整我國統(tǒng)計年鑒中的綜合能源平衡表，得出 2006 年我國建筑終端能耗（即民用、商用部門能耗）為 3.7 億 tce（熱電當(dāng)量法） ，占全社會終端能耗的 21.7%。龍惟定教授通過分析我國能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并比較我國與美國和日本的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)差異，提出我國建筑能耗在總能耗中的比例大致應(yīng)在

3、 20% 左右，2003 年我國建筑能耗約為 3.3億 tce。建設(shè)部根據(jù)建筑保有量、建筑地區(qū)氣候差別及相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)推算，認(rèn)為我國建筑能耗已占到全社會終端能耗的 27.5。國際能源署（iea）測算指出，2005 年中國最終能源消費中，居民生活能耗占 30% 左右，為 4.8 億 tce（其中 66%為生物質(zhì)能） ，服務(wù)部門能耗占 4%。美國能源信息署（eia）的測算表明，2003 年中國建筑部門消耗約 1.9 億 tce，占全國終端能耗的 16%。可見，關(guān)于我國建筑總能耗，各研究的測算方法不同，得到的結(jié)論不完全一致，目前尚沒有權(quán)威的說法。 國家十二五規(guī)劃特別強調(diào)建筑行業(yè)作為高耗能行業(yè)的節(jié)能計劃

4、以及節(jié)能方向，新型節(jié)能建材。重點發(fā)展適用于不同氣候條件的新型高效節(jié)能墻體材料以及保溫隔熱防火材料、復(fù)合保溫砌塊、輕質(zhì)復(fù)合保溫板材、光伏一體化建筑用玻璃幕墻等新型墻體材料；大力推廣節(jié)能建筑門窗、隔熱和安全性能高的節(jié)能膜和屋面防水保溫系統(tǒng)、預(yù)拌混凝土和預(yù)拌砂漿。二、建筑能耗模擬的基礎(chǔ)： 建筑能耗模擬分析的的基礎(chǔ)是模擬軟件。建筑能耗模擬分析的發(fā)展得益于計算機技術(shù)的發(fā)展，在建筑及環(huán)境控制領(lǐng)域，本世紀(jì)60 年代中期就開始了對建筑環(huán)境及控制系統(tǒng)動態(tài)模擬的研究。初期的研究內(nèi)容主要是傳熱的基礎(chǔ)理論和負(fù)荷的計算方法，例如一些簡化的動態(tài)傳熱算法，如度日法，bin 法等等，在這一階段，建筑模擬的主要目的是改進圍護結(jié)

5、構(gòu)的傳熱特性。在經(jīng)歷了上個世紀(jì)70 年代的全球石油危機之后，建筑模擬受到了越來越多的重視，同時隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，大量復(fù)雜的計算變?yōu)榭尚小Ｓ谑窃谏蟼€世紀(jì)七十年代中期，逐漸形成了至今在美國兩個著名的建筑模擬程序：blast和doe-2。歐洲也于上個世紀(jì)70 年代初開始研究模擬分析的方法，產(chǎn)生的具有代表性的軟件是esp-r。在70 年代末期，隨著模塊化集成思想的出現(xiàn)，空調(diào)和其它能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及其控制的模擬軟件也逐漸出現(xiàn)，在美國，先后開發(fā)出trnsys和hvacsim+。與此同時，亞洲各個國家也逐漸認(rèn)識到建筑模擬技術(shù)的重要性，先后投入大量力量進行研究開發(fā)，主要有日本的hasp和中國清華大學(xué)

6、的btp。 進入九十年代，模擬技術(shù)的研究重點逐漸從模擬建模（simulation modeling）向應(yīng)用模擬方法（simulation method）轉(zhuǎn)移，即研究如何充分地利用現(xiàn)有的各種模型和模擬軟件，使模擬技術(shù)能夠更廣泛更有效地應(yīng)用于實際工程的方法和步驟，而使其不僅僅是停留在院校及研究機構(gòu)中。時至今日，建筑模擬技術(shù)通過40 余年的不斷發(fā)展，已經(jīng)在建筑環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用，貫穿于建筑設(shè)計的整個生命周期里，包括設(shè)計、施工、運行、維護和管理，其中建筑在使用過程中的能耗，主要包括建筑采暖、空調(diào)、熱水供應(yīng)、炊事、照明、家用電器、電梯等方面的能耗。建筑節(jié)能就是要在保證和提高建筑舒適性的條件

7、下，合理使用能源，不斷提高能源利用效率。%三、建筑能耗模擬分析的應(yīng)用： 建筑能耗模擬分析的應(yīng)用便是在此基礎(chǔ)上不斷發(fā)展得到進一步的應(yīng)用。 建筑能耗是指建筑使用過程中的能耗，包括采暖、空調(diào)、照明、熱水、家用電器和其他動力能耗。其中，以采暖和空調(diào)能耗為主，占建筑總能耗的50%至70%。（中國財經(jīng)報 2005-12-02）一個建筑的能量消耗不僅依賴于圍護結(jié)構(gòu)（墻、窗、屋頂），hvac系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等的個體特性，還取決于它們在一個特定建筑中聯(lián)合的總體特性。對于一個大的商業(yè)建筑，建筑物的復(fù)雜性與動態(tài)交互性和它要模擬的環(huán)境，系統(tǒng)和設(shè)備等有關(guān)。 在使用計算機進行建筑模擬以前，建筑師和服務(wù)于建筑的工程師主要運用

8、預(yù)先選擇的設(shè)計條件和一些手工算法來進行計算。這種方法常會由于過大的部分負(fù)荷而導(dǎo)致過大的設(shè)備，系統(tǒng)容量和較差的能量特性。對于大的或復(fù)雜的建筑，試圖不用建筑模擬程序（bsps）而期望得到能量有效利用的設(shè)計是不現(xiàn)實的。今天，bsps在個人電腦上的運行允許建筑師和工程師在開始建造和安裝以前測試我們新的設(shè)計。進一步，通過參數(shù)分析，專業(yè)人員能夠擴充他們的設(shè)計觀念，把新的技術(shù)和創(chuàng)新相結(jié)合，這樣更有利于建筑節(jié)能。因此使用計算機來模擬建筑物的特性在現(xiàn)在來說是非常普遍的了。建筑模擬可以被應(yīng)用于建筑生命循環(huán)周期的各個環(huán)節(jié)，包括設(shè)計、結(jié)構(gòu)、運行、維修、管理。以下是一些常見的應(yīng)用：1、建筑冷、熱負(fù)荷計算 建筑冷、熱負(fù)荷

9、的峰值和分布是havc設(shè)備和系統(tǒng)型號和選擇的基礎(chǔ)。2、設(shè)計和改型過程中的能量特性分析 通過分析年度能量需求特性和主要耗能設(shè)備的部分負(fù)荷特性，我們可以設(shè)計出能量有效利用的建筑，準(zhǔn)確的估計在計劃和運行時能量的預(yù)算。進一步，一些節(jié)能方面的新技術(shù)例如輻射屋面、自然光照射、太陽能熱水器等在正式投入使用之前就可以被評估。3、建筑能量管理和控制系統(tǒng)（emcs）設(shè)計 emcs進行監(jiān)督、控制和報告建筑系統(tǒng)和設(shè)備的運行，以達到熱舒適和有效用能的目的。emcs包括焓控制、夜間恒溫控制和最佳的起動、關(guān)閉控制。emcs可以幫助一個節(jié)能較好的建筑設(shè)計發(fā)揮它的全部潛能，可以為選擇合適的系統(tǒng)，完善管理條例，評價模擬方法提供向

10、導(dǎo)。4、遵守建筑規(guī)則、法典和標(biāo)準(zhǔn) 建筑模擬可以被用來設(shè)計要求的建筑。進一步，可以補充建筑方面的審計以在建造建筑時檢查它能量方面的特性。5、費用分析 一些建筑模擬程序（bsp）可以通過選擇不同方案的模擬來得到費用分析，這樣，設(shè)計者可以在費用效率和節(jié)能中選擇。這種類型的建筑模擬程序（bsp）把實際的法規(guī)和能量標(biāo)準(zhǔn)最好的結(jié)合了起來。6、被動存儲能量的研究 建筑模擬程序（bsp）可以被用于像日照，采光，蒸汽和地?zé)?，夜間通風(fēng)，輻射式制冷，反射屋面，各種熱量存儲、釋放、緩沖系統(tǒng)等被動式設(shè)計的技術(shù)和經(jīng)濟特性的調(diào)查。7、計算液體力學(xué)（cfd） cfd廣泛應(yīng)用于全球氣候變暖，城市氣候，微氣候，建筑通風(fēng)，室內(nèi)空氣

11、品質(zhì)，室內(nèi)和室外的熱舒適性，防火排煙。建筑模擬中cfds軟件的廣泛使用主要由于在建筑環(huán)境中的健康和舒適方面新的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計內(nèi)部空間的需要和規(guī)范要求的havc系統(tǒng)。 在設(shè)計和技術(shù)階段的應(yīng)用范圍包括：管道工程的設(shè)計（冷、熱水的輔件，管道尺寸，流體力學(xué)，熱耗散），排水（排水系統(tǒng)設(shè)計，滲水坑設(shè)計，雨水排放，人孔和管線設(shè)計），其他管道工程（灑水車系統(tǒng)和雨水排水溝尺寸）和能耗（u值計算和圍護結(jié)構(gòu)分析，國內(nèi)燃料使用分析，熱舒適性分析和能耗分析）。 軟件使用者包括：建筑師，hvac工程師，制造業(yè)者，能量咨詢師，dsm咨詢師，建筑運行者和能量政策制定者。四、建筑模擬發(fā)展中存在的障礙、問題： 建筑節(jié)能的障礙并非技術(shù)

12、約束，而是信息并沒有掌握在真正需要它的人手中。由于這個障礙，建筑模擬出現(xiàn)了。它用于評價從人的健康舒適到能源消耗的減少方面全面的考慮所作出的選擇，并用于指導(dǎo)實踐。因為模擬被認(rèn)為是從技術(shù)到實踐最實際和實質(zhì)的嘗試。這種轉(zhuǎn)化有兩個主要動機：一.建筑的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的設(shè)計方法，由于無法考慮這種復(fù)雜性，因此在實踐中常得不到很好的效果。二.在選擇設(shè)計方法時要能得到各種不同方法在花費和特性上迅速的回饋。現(xiàn)在的設(shè)計，雖然能得到具體的設(shè)計和最終的特定結(jié)果，但無法提供這種預(yù)先選擇的建議。 因此，建筑模擬逐漸成為建造更有效利用能源，有利健康和有好環(huán)境的未來建筑的關(guān)鍵技術(shù)之一。 盡管建筑模擬有許多先進之處，但在日常和有效

13、的應(yīng)用中仍然存在四個難以克服的障礙：（1）使用界面的缺點。全面而嚴(yán)格的模擬復(fù)雜的真實世界與使用戶使用簡明直觀之間的矛盾。（2）沒有公認(rèn)的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)致不同模型系統(tǒng)無共能之處從而使合作困難。（3）缺少公認(rèn)的特性評估方法，使用戶不能根據(jù)需要自己調(diào)整程序的運行路線。（4）隨著模擬軟件發(fā)展速度的提高，使用者的期望也在提高，特別是多參數(shù)的綜合模擬。滿足這種期望要求多個復(fù)雜技術(shù)領(lǐng)域的合作。五、建筑能耗模擬發(fā)展方向 我國能源供給和經(jīng)濟發(fā)展必須考慮新增建筑所需的能源供給問題。按照目前的建筑能耗狀況，到2020年我國建筑能耗將比2004年增加2.5億噸/年標(biāo)煤和新增耗電58006300億度/年，總計折合電力約1.

14、3萬億度，新增量相當(dāng)于目前建筑總能耗的1.3倍。 根據(jù)發(fā)達國家經(jīng)驗，隨著城市發(fā)展，建筑將超越工業(yè)、交通等其它行業(yè)而最終居于社會能源消耗的首位，達到33%左右。我國城市化進程如果按照發(fā)達國家發(fā)展模式，使人均建筑能耗接近發(fā)達國家的人均水平，需要消耗全球目前消耗的能源總量的1/4來滿足中國建筑的用能要求。因此，必須探索一條不同于世界上其他發(fā)達國家的節(jié)能途徑，大幅度降低建筑能耗，實現(xiàn)城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。建筑環(huán)境是由室外氣候條件、室內(nèi)各種熱源的發(fā)熱狀況以及室內(nèi)外通風(fēng)狀況所決定。建筑環(huán)境控制系統(tǒng)的運行狀況也必須隨著建筑環(huán)境狀況的變化而不斷進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)滿足舒適性及其它要求的建筑環(huán)境。由于建筑環(huán)境變化是由眾多因素所決定的一個復(fù)雜過程，因此只有通過計算機模擬計算的方法才能有效地預(yù)測建筑環(huán)境在沒有環(huán)境控制系統(tǒng)時和存在環(huán)境控制系統(tǒng)時可能出現(xiàn)的狀況，例如室內(nèi)溫濕度隨時間的變化、采暖空調(diào)系統(tǒng)的逐時能耗、以及建筑物全年環(huán)境控制所需的能耗。建筑模擬主要在如下兩方面得到廣泛的應(yīng)用：建筑物能耗分析與優(yōu)化和空調(diào)