空調(diào)和采暖建筑中建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能

1、空調(diào)和采暖建筑中建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能（設計）相關控制新方法(兩專利)簡介 黃恒棟、 譙京旭建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能控制方法是在空調(diào)建筑中建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能（標準和設計）相關控制方法和在采暖建筑中建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能（標準和設計）相關控制方法 的統(tǒng)稱。在夏熱冬冷地區(qū)建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能控制就是把夏天通過墻（屋頂）和各向窗進入室內(nèi)的圍護結構的隔熱控制與同樣通過該圍護結構界面系統(tǒng)進入室內(nèi)熱環(huán)境的圍護結構的節(jié)能控制（當時只解決了屋頂和墻體的熱惰性指標和傳熱阻等熱工特性參數(shù)限定值建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能相關法-在確定圍護結構(墻)隔熱與隔熱-節(jié)能指標中的應用（黃恒棟、譙京旭重慶建筑大學學報2000No.4 P

2、.2026.EI收錄）是在參與武漢市居住建筑節(jié)能設計技術規(guī)定（WBJ-1-9-2000）制定計算過程中，為克服“武漢市節(jié)能辦公室”所力推的我國三北嚴寒和寒冷地區(qū)早已施行的民用建筑節(jié)能設計標準（采暖居住建筑部分）（JGJ-26-95）中所依據(jù)在有效傳熱系數(shù)法的嚴重理論缺陷而提出的。后來，“武漢市節(jié)能辦公室”決定，有效傳熱系數(shù)與相關控制法兩法并舉，相互驗證。上述技術規(guī)定中的建筑圍護結構（屋頂、墻）的重要熱工性能特性參數(shù)的限定值，即熱惰指標最小值，和傳熱阻最小值（或傳熱系數(shù)最大值）是由后種方法計算確定而提供的。隨后在夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準(JGJ-26-2001）中“武漢市節(jié)能辦” 作為該

3、地區(qū)節(jié)能設計標準編制組成員，也將上述和提供給國家編制組，只是將修改為而已。下面就上述三種建筑節(jié)能控制設計的計算方法加以比較，提出我們的看法，供全國建筑節(jié)能設計的同行專家們討論和質(zhì)疑。國內(nèi)外同類研究方法如下：1 有效傳熱系數(shù)法它是我國三北地區(qū)現(xiàn)行的民用建筑節(jié)能設計標準（采暖居住建筑部分）（JGJ-26-95）的計算方法。它是冬季采暖期間，不計西北利亞寒潮南侵對建筑室內(nèi)熱環(huán)境影響，并以“有效傳熱系數(shù)”考慮太陽輻射因素在內(nèi)的穩(wěn)定傳熱平均值計算法。在建筑節(jié)能計算中，它以1980-1981年當?shù)亟ㄖ剑x出建筑圍護結構并預先規(guī)定各向墻窗的一種窗墻面積比值，確定墻（屋頂）和窗的當時保溫特性參數(shù)，即墻（屋

4、頂）和窗的傳熱系數(shù)來作為當時典型建筑計算模型，計算出通過當時圍護結構室內(nèi)所失去的熱量總值，再根據(jù)國家節(jié)能效率要求，即要求節(jié)能（其中圍護結構節(jié)能占70%，即圍護結構節(jié)能35%，空調(diào)設備節(jié)能占30%，即空調(diào)設備節(jié)能15%），則由0.65再反求出該圍護結構各向墻窗和屋頂應具有的傳熱系數(shù)最大限定值Kimax作為該圍護結構滿足建筑節(jié)能要求的熱工性能特性參數(shù)的限定值，并借此確定建筑節(jié)能設計標準來控制圍護結構保溫與節(jié)能性能的要求。最后求出單位建筑面積上的耗能量指標，并借以對所有新建建筑的節(jié)能設計進行控制。顯然，此法存在下面嚴重缺陷。（1）典型建筑設計模型存在人為隨意性該法需要選定1980-1981年當時典型

5、建筑，存在人為的隨意性。同時，只規(guī)定了各向墻窗的一種窗墻面積比值，將一個復雜的建筑“統(tǒng)一化”，不符合當時的開窗實際，也限制了建筑師能動性的發(fā)揮（應該是依據(jù)不同窗墻面積比，建筑應具有不同的耗熱量指標來分別對其節(jié)能設計加以限定）：（2）墻（屋蓋）和窗的傳熱系數(shù)Kimax無法唯一確定由新建的國護結構應滿足其節(jié)能效率為的失熱量()Q，反推該建筑圍護結構，各向墻（屋蓋）和窗應具有的傳熱系數(shù)Kimax是一組不定解值，即其有多組解值均能符合能量守恒方程，存在人為的不確定性：（3）該法系穩(wěn)定傳熱方法，不適用于夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能設計計算從嚴格意義上而言，它也不適于我國三北地區(qū)的建筑節(jié)能設計計算。因為武漢夏季和

6、三北地區(qū)冬季建筑室內(nèi)外的傳熱均屬不穩(wěn)定傳熱過程。同時，它將圍護結構的另一個重要特性參數(shù)，即熱惰性指標D排除在外，這是該法所預期的必然結果：（4）該法使建筑室內(nèi)熱環(huán)境與建筑節(jié)能分離整個計算過程中，建筑室內(nèi)熱環(huán)境控制條件與此毫無聯(lián)系；（5）窗墻違反了協(xié)同作用相關性原理對同一朝向的窗，墻而言，它們之間應保持“協(xié)同作用相關性原理”，即不論窗墻面積比值怎樣變化，在確保同一的室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量控制條件下，墻與窗的傳熱阻（或傳熱系數(shù)）和熱惰性指標等熱工性能特性參數(shù)值，均應滿足隔熱（或保溫）和節(jié)能控制條件的協(xié)同作用相關關系式。但民用建筑節(jié)能設計標準（采暖居住建筑部分）（JGJ26-95）卻忽略了此點；（6）該法計

7、算繁雜，計算工作量較大2 “DOE-2軟件計算法”（美國勞倫斯伯克力國家實驗室所開發(fā)）它又稱為“空間狀態(tài)法”。它是建立在“反應系數(shù)法”基礎上的一種計算機軟件計算法。它以計算機作為工具，以空調(diào)（或采暖）期內(nèi)的室外諸多的氣候的特征參數(shù)值可逐時輸入運算。同時，它還考慮建筑不同朝向，不同窗墻面積比和不同圍護結構熱工性能特性參數(shù)，即熱惰性指標、傳熱阻（或傳熱系數(shù)）等諸多因素來計算并確定建筑節(jié)能設計標準。是我國現(xiàn)行制定并于所執(zhí)行的夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準（JGJ134-2001）的計算方法。它主要優(yōu)點是依靠計算機和“DOE-2”軟件指令，輸入相關氣候特征參數(shù)，建筑平、立、剖面幾何尺度參數(shù)及其圍護結

8、構熱工性能特性參數(shù)值即可完成運算，但它在理論與實踐上仍存在下面嚴重缺陷。（1）在氣候特征參數(shù)取值上，不符合我國國情我國氣象部門所積累的幾十年氣候特征參數(shù)值是每天觀測取值4次，即每6小時觀測取值一次。因此，這些觀測數(shù)據(jù)無法被利用，而且所觀測的特征參數(shù)種類也難以達到它的要求。即使借助美國人所收集的我國過去少數(shù)機場的逐時氣候資料，也難以準確代表我國夏熱冬冷地區(qū)的氣候分區(qū)特性。（2）與上法一樣，它仍使建筑室內(nèi)熱環(huán)境與建筑節(jié)能相分離（3）違反窗墻協(xié)同作用相關性原理同上法一樣，未考慮在保證室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量條件下的“窗墻協(xié)同作用的相關性原理”，離開室內(nèi)熱環(huán)質(zhì)量控制而確定節(jié)能設計標準，所以便失去了科學意義。（4

9、）不能確定圍護結構隔熱和節(jié)能控制條件下的墻和窗的熱工性能特性參數(shù)的限定值：DOE-2軟件計算法本身不能確定建筑圍護結構熱工性能特性參數(shù)Di和Ki滿足室內(nèi)熱環(huán)境控制條件下，墻和窗節(jié)能控制的限定值。在節(jié)能計算中，它是取自于武漢市居住建筑節(jié)能設計技術規(guī)定（WBJ-1-9-2000）中，即是我們所提出的建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能設計標準相關控制法所計算出的結果。因此，DOE-2軟件計算法（美國）尚須消化、吸收，經(jīng)過“去偽存真，去粗取精”改造后，才能“洋為中用”，真正成為具有中國氣候分區(qū)特點和又具有中國特色的建筑節(jié)能設計標準的計算方法。3 “建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能設計標準相關控制法”（重慶建筑大學學報（2000

10、.No.4 EI收錄）它是不穩(wěn)定傳熱的平均值計算方法。其計算過程是：在民用建筑熱工設計規(guī)范（GB50176-93）基礎上，依據(jù)單向熱波傳熱過程，建立新的建筑室內(nèi)熱環(huán)境控制條件，并推證出圍護結構屋頂和各向墻的熱工性能特性參數(shù)滿足此條件下的一組隔熱（或保溫）控制指標：（或），（通過屋頂，墻進出室內(nèi)的熱量）。然后在此控制條件下，依據(jù)墻窗間協(xié)同作用相關性原理，在上述已知墻的隔熱（或保溫）控制指標：，（或），再在上述已知墻和窗的隔熱（或保溫）控制指標前提下，依據(jù)國家對建筑節(jié)能效率要求，計算出墻和窗的相對應的一組隔熱（或保溫）和節(jié)能控制指標：（或），和（或）。最后，依據(jù)當?shù)貧夂蛱卣鲄?shù)：太陽輻射照度和室外

11、空氣溫度，在空調(diào)（或采暖）期內(nèi)的平均值和所設計出的當?shù)亟ㄖ钠?、立、剖面的幾何特征參?shù)，以及上述墻（屋頂）和窗的各向隔熱（或保溫）和節(jié)能控制指標，計算出建筑室內(nèi)的得熱量（或失熱量）。再計算出單位建筑面積上的耗冷量（或耗熱量）。從上述計算全過程來看，此法層層推進，一氣呵成，獨具科學性、實用性與可操作性，其計算簡單明瞭，順理成章，計算工作量僅為上述方法1的25%，而且計算結果更接近實際，編成計算機軟件后，更易于成為建筑師掌握應用，顯然，該法尚具下面優(yōu)點：（1）不需要典型建設計算模型，消除了隨意性勿需1980-1981年當?shù)氐摹⒉⑾拗聘飨虼皦γ娣e比和體形系數(shù)的典型建筑。使建筑師在節(jié)能設計中發(fā)揮主導作

12、用，也消除了選定典型建筑的主觀隨意性；（2）使建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能設計合二而一該法繼承并發(fā)展了民用建筑熱工設計規(guī)范（GB50176-93）并使其與建筑節(jié)能設計標準珠薕壁合；（3）提出了窗墻協(xié)同作用相關性原理窗墻在不同窗墻面積比值情況下，應相互協(xié)調(diào)作用，使其進出的熱量確保室內(nèi)熱環(huán)境同一質(zhì)量的控制條件，此稱窗墻協(xié)同作用相關性原理；（4）提出了熱工性能特性參數(shù)與當?shù)貧夂蛱卣鲄?shù)值存在相關性原理該法符合滿足室內(nèi)熱環(huán)境同一質(zhì)量控制下的建筑圍護結構熱工性能特性參數(shù)值唯一取決于當?shù)厥彝鈿夂蛱卣鲄?shù)值的相關性原理；（5）該法系不穩(wěn)傳熱計算法，可統(tǒng)一我國不同氣候分區(qū)的建筑節(jié)能設計標準它不僅適用于夏熱冬冷地區(qū)建筑

13、的夏季隔熱和節(jié)能控制設計，而且也適用于冬季保溫和節(jié)能控制設計；同理，它不僅適用于三北嚴寒和寒冷地區(qū)建筑的保溫和節(jié)能控制設計，而且也適用于我國南方夏熱冬暖地區(qū)建筑的夏季隔熱和節(jié)能控制設計。（6）該法提出了隔熱（或保溫）控制“作用算符”和節(jié)能控制“作用算符”它使上述控制設計的計算結果更加簡單、統(tǒng)一，并可繪制出全國各個氣候分區(qū)的建筑節(jié)能設計標準的、的等值圖和相應計算軟件數(shù)據(jù)庫，更便于建筑節(jié)能控制設計的應用。因此，建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能相關控制法可以統(tǒng)一我國四大氣候分區(qū)（除溫和地區(qū)以外）的建筑節(jié)能控制設計，它是集科學性、實用性和可操作性于一體并獨具中國特色的“建筑熱環(huán)境和建筑節(jié)能控制設計”的科學方法。綜

14、上所述，我國（我?。┫臒岫涞貐^(qū)建筑節(jié)能設計標準的計算方法急需研制出一種既具科學性、實用性和可操作性，又能充分利用我國各省氣候資料，獨具中國特色的簡單明了的計算方法。由此，本項目建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能設計相關控制法優(yōu)于上述諸方法。與我國現(xiàn)行的相關“熱工設計規(guī)范”和“節(jié)能設計標準”，即民用建筑熱工設計規(guī)范（GB-50176-93）民用建筑節(jié)能設計標準（采暖部分）（JGJ-26-95）夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能設計標準（JGJ-134-2001）相比較，其優(yōu)（特）點如下：1、本研究將民用建筑熱工設計規(guī)范（GB-50176-93）所研究和解決的夏天無空調(diào)前提下的室內(nèi)熱環(huán)境以開門開窗，組織室內(nèi)“穿堂風”設計手

15、段建立了滿足室內(nèi)人體可忍耐熱平衡的室內(nèi)熱環(huán)境控制條件，轉(zhuǎn)變?yōu)橄奶礻P門關窗空調(diào)條件下較舒適的室內(nèi)熱環(huán)境控制條件，使開門開窗時的建筑圍護結構平壁雙向諧波不穩(wěn)定傳熱計算轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)空調(diào)時的單向諧波不穩(wěn)定傳熱計算；同時，也將冬天關門關窗時以室內(nèi)墻壁不結露為準則，以建筑平壁穩(wěn)定傳熱計算為基礎的室內(nèi)不結露的熱環(huán)境控制條件轉(zhuǎn)變?yōu)橐允覂?nèi)墻壁不結露為準則，但以單向冷波不穩(wěn)定傳熱計算為基礎的室內(nèi)不結露的熱環(huán)境控制條件，它更符合我國三北地區(qū)建筑時常遭受西北利亞寒潮不時南侵的實際情況，從而統(tǒng)一了我國空調(diào)建筑和采暖建筑在同一室內(nèi)熱環(huán)境控制條件下的建筑平壁單向熱（冷）諧波不穩(wěn)定傳熱的計算方法。2、本研究與上述“規(guī)范和標準”

16、完全不同，它不人為地限制建筑各向墻面的窗墻面積比（如南窗墻面積比限定為0.3；北向窗墻面積比限定為0.25；東西向窗墻面稱比限定為0.35）和建筑的體形系數(shù)（如0.3）等等。由此，它消除了人為的隨意性，同時，也免除了熱工專業(yè)工作者對建筑專業(yè)工作者創(chuàng)新設計的干擾，使建筑師們在自己專業(yè)領域內(nèi)發(fā)揮最大的創(chuàng)造積極性。3、本研究打破了傳統(tǒng)上的老觀念，窗的傳熱阻不是依賴墻的傳熱阻而定的，即窗墻的傳熱阻是相互獨立的，因而窗的傳熱阻也往往是人為隨意賦值的。研究發(fā)現(xiàn)，并提出了“窗墻相關性原理”，即窗的傳熱阻是由墻的傳熱阻與以窗墻面積比為函數(shù)的“相關性系數(shù)”的乘積決定的。在此以夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準（J

17、GJ-134-2001）中所給出的窗、墻傳熱系數(shù)控制指標為計算依據(jù)，結果發(fā)現(xiàn)：按傳統(tǒng)觀念計算，圍護結構節(jié)能效率百分誤差隨窗墻面積比變化為21.1%-50.5%。誤差大得驚人，這說明該節(jié)能設計標準節(jié)能悖謬夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準（jGj134-2001）節(jié)能的商榷-建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能研究（7）（黃恒棟.譙京旭重慶建筑大學學報.2005NO.5.P.1318）按窗墻相關性原理計算，圍護結構節(jié)能效率百分誤差隨窗墻面積比變化為5%-12%。由上述計算結果，證明了“窗墻相關性原理”的觀客正確性。4、本研究還發(fā)現(xiàn)，并提出了“窗墻并聯(lián)熱路等效傳熱阻形式不變原理?！庇汕笆鎏攸c3知：在符合“窗墻相關性

18、原理”前提下，隨窗墻面積比不同而引入節(jié)能誤差在5%-12%范圍內(nèi)，在許多居住和公共建筑中，有些窗墻面積比相當大，有的超過0.5（如玻璃幕墻構造），其引入的誤差往往為10%左右。為使我國建筑節(jié)能效率統(tǒng)計更具準確性，可借助該原理將誤差10%可修正為5%，甚至可以使誤差修正為0。5、本研究提出三元控制參數(shù)，其中二個為窗和墻的傳熱阻，熱墮性指標，并以其最小值作為窗墻的特性控制指標。設計院可依據(jù)與上述相關控制方法計算確定的特性控制指標值來選定構成墻、窗的材料及其構造；其中另一個控制參數(shù)為窗墻的熱流密度，并以其最大值來作特征控制指標。此時，當建筑的平面、立面和剖面的尺度設計確定后，藉此，可計算出：進出室內(nèi)的熱量，從而確定該建筑能否達到國家對當?shù)匦陆ńㄖ?jié)能的要求。6、本研究在計算方法上，將平壁不穩(wěn)