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)濟發(fā)展的要求溫暖空調(diào)的設計更合理、更高效。HVAC系統(tǒng)的優(yōu)化設計,必須以全年能耗分析為基礎。建筑能耗分析是建筑節(jié)能和建筑能效管理的基礎。目前普遍使用的建筑能耗計算方法分為詳細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、當量滿負荷運行時間法等。本文主要介紹計算機模擬計算法、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計的常用工具,它可以解決很多復雜的設計問題,并將建筑能耗進行量化。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)進行分析,包括設計、施工、運行、管理。建筑能耗模擬軟件應用領域包括建筑冷熱負荷計算、建筑能耗特性分析、建筑能源管理、控制系統(tǒng)設計等。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、負荷計算、能耗模擬、暖通空調(diào)設備的選型等。我國清華大學建筑技術科學系經(jīng)過10余年的努力,根據(jù)國內(nèi)的實際情況,逐步開發(fā)出一套面向設計人員的設計用模擬工具DeST(Desinger′sSimulationToolkit),目的是把模擬分析技術引入工程設計之中,為工程設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雜,沒有經(jīng)過培訓或詳細斟酌難以完成計算,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、當量滿負荷運行時間法等。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)設定溫度ti,當溫度達到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)建設部頒發(fā)的《民用建筑設計標準》查出,按18℃基準溫度計算出數(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,影響理論基準溫度的因素很多,只用一個基準溫度計算度日數(shù)是不夠的,應用變基準溫度計算度日數(shù),可提高計算準確性。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。日本進行建筑審批所使用的全年冷熱負荷系數(shù)PAL計算中,采用了擴張度日數(shù)法,此方法考慮了新風負荷、輻射負荷、室內(nèi)熱源負荷的計算,既能計算供暖負荷,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,易于被工程技術人員接受,在我國得到了較為廣泛的應用。3.1日射負荷及光照參數(shù)的確定早期的溫頻法對負荷和溫度的關系只找到了兩個點,認為透過玻璃窗的日射負荷與溫度的關系滿足這兩點確定的直線關系。這種計算方法過于粗略:一方面日射負荷與溫度不是簡單的直線關系;另一方面在確定兩點時,負荷所對應的代表溫度的選取主觀因素很大,缺乏客觀標準。原有BIN法計算透過玻璃窗日射負荷有: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,得出通過標準玻璃(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),認為SCL與溫度成線性關系,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)乘以平均冷負荷系數(shù)及日照率得到冷負荷,再找到1月和7月的代表溫度,用所得冷負荷與溫度對應即得到兩個點,認為負荷與溫度的關系滿足這兩點決定的直線關系。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改進了BIN方法,將全年太陽輻射的影響歸結(jié)為溫度的線性關系,用日照率修正天氣狀況,從而克服了以上缺陷。我國設計人員提出的改進方法稱為溫濕輻射頻數(shù)法,即THRF法。新方法是在承認BIN方法思路的基礎上,找到溫度與負荷更多點的對應關系,用這些點找出溫度與負荷的統(tǒng)計關系。具體步驟是:先得到逐日最大日射得熱因數(shù)Djmax,乘以逐時冷負荷系數(shù)得到透過玻璃窗日射負荷與溫度的全年逐時詳細關系,用日射負荷因數(shù)Cf表示。再按朝向統(tǒng)計不同溫度下日射負荷的平均值,得出溫度與冷負荷的實用關系。與原BIN方法不同的是,該方法還統(tǒng)計了溫度段內(nèi)各個朝向的日射負荷因數(shù),用以詳細計算透過玻璃窗的日射負荷。此方法詳細考慮了溫度、含濕量、輻射形成負荷的計算問題,新THRF法較原來的BIN方法,理論更嚴謹、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荷因數(shù)(見表2),即得不同溫度時的日射負荷。2)計算出各溫度下負荷之后,乘以相應的頻數(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在中國的應用1)采暖空調(diào)系統(tǒng)能耗與度日數(shù)成近似的線性關系,我國有較為齊全的采暖度日數(shù)資料。這為應用采暖度日法進行采暖能耗分析奠定了基礎。2)溫頻法由于簡便直觀,比較容易在國內(nèi)推廣