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)計和供暖空調(diào)系統(tǒng)的選擇對建筑物的負荷和能源消耗有顯著影響。由于常規(guī)能源儲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)人員所研究的熱點課題之一。建筑節(jié)能研究內(nèi)容主要涉及采暖空調(diào)負荷的計算、空調(diào)系統(tǒng)冷熱媒驅(qū)動能耗、冷熱源機組、空調(diào)機組的能耗計算及效率分析、經(jīng)濟性分析、壽命周期經(jīng)濟性(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,以達到經(jīng)濟、合理的利用能源。研究方法主要是借助計算機技術(shù)進行模擬和仿真。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實施冷負荷計算的必要性建筑(空調(diào))負荷的計算是能耗模擬計算的基礎(chǔ)。計算熱負荷相對比較簡單,因為房間在冬季耗熱量比較穩(wěn)定,而冷負荷計算需要考慮比較復(fù)雜的圍護結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)、太陽輻射和家具、墻體蓄熱情況,計算比較復(fù)雜。也因其復(fù)雜性空調(diào)負荷計算的方法得到不斷地研究和發(fā)展,其計算方法主要分為兩大類:靜態(tài)模擬方法和動態(tài)模擬方法。2.1能耗趨勢計算這是一種簡化的能耗計算方法。該方法雖然在理論上作了很大簡化,結(jié)果也很粗略,但計算速度快,易于手算,可用于研究能耗趨勢,進行系統(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算,準確性高于冷負荷計算。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),當室外平均溫度為某個特殊值時,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。而將該點的溫度近似取作18.3℃(65F),那么實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對應(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——圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),kW/m·℃A——圍護結(jié)構(gòu)表面面積m公式(1)、(2)中()+指當溫度差值為正值時進行求和計算,否則不計入。當建筑物負荷多來自于圍護結(jié)構(gòu)傳熱和滲透傳熱,且機組的性能比較穩(wěn)定時,度日法不失為一種簡單、準確、經(jīng)濟的計算方法。由于平衡溫度設(shè)定為一個定值,影響量計算的準確性。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經(jīng)驗修正系數(shù)CD。該值是在一個適中的氣候條件下,將測量值與度日法計算值相比較而確定。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,將平衡點溫度不再固定為一個定值,而設(shè)為系統(tǒng)既不加熱也不冷卻時的室外溫度。式中TR—室內(nèi)設(shè)計溫度℃——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)提供比較準確的全年能耗預(yù)測。2.1.2機組開停充放電負荷大小確定溫頻法相對于度日法而言,更適合于以室內(nèi)負荷占主導(dǎo),且負荷與室內(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熱(冷)負荷值乘以該溫度值出現(xiàn)的小時數(shù),來計算負荷大小。一般溫度頻率取3℃～5℃,考慮到機組開停及設(shè)備使用情況,通常將每天的負荷計算分為三個工作段。對于熱負荷而言,可按下式計算:式中Nj—第j個溫頻出現(xiàn)的小時數(shù)Tj——第j個溫度頻率時室外溫度值℃當考慮到室外濕球溫度的出現(xiàn)小時數(shù),也可以用于計算因通風(fēng)和滲透而帶來的潛熱負荷,通過調(diào)整平衡點溫度可考慮室內(nèi)負荷的影響。溫頻法是基于逐時天氣數(shù)據(jù),而不是采用日平均值,因此相對于度日法而言要準確,且可同時適用于冷、熱負荷。2.1.3機組滿負荷工作時間這是一種估算方法,它是利用全年制冷設(shè)備滿負荷工作的小時數(shù)來預(yù)測全年的能耗,僅限于冷負荷計算。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)可以利用機組滿負荷工作的時間來間接反映建筑能耗。這種方法比較適合于整體式機組、組合式單元,不適用于商用中央空調(diào)系統(tǒng)。式中:Qr——制冷機組最大設(shè)計負荷kWH——滿負荷運行小時數(shù)時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,一旦與指定的計算條件不符時,會帶來較大差異。2.2能耗模擬研究這是一種比較精確的能耗計算方法,自70年代以來隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的。采用計算機模擬,可以得到全年逐時能耗變化,并考慮建筑結(jié)構(gòu)蓄熱的影響,比較耗時,主要用于建筑能耗系統(tǒng)及子系統(tǒng)的能耗分析及評估、經(jīng)濟性分析和優(yōu)化等,是當今國內(nèi)外能耗模擬研究的重點。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)計算方法與動態(tài)熱平衡法的一個折衷。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)值上決定了圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱以及在以后一段時間內(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)負荷間關(guān)系,如公式(10)。式中T——室內(nèi)空氣溫度℃q(t)—t時刻得熱量kWQ(t)——t時刻冷負荷kWER(t)——t.時刻空調(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)法有兩個假設(shè)。其一是假設(shè)圍護結(jié)構(gòu)熱過程模型是線性的,這樣可以分別計算各種得熱如何轉(zhuǎn)換成冷負荷,相加的和即成為總的冷負荷。其二是假設(shè)影響權(quán)系數(shù)的系統(tǒng)參數(shù)均為定值,而與時間無關(guān)。這兩點假設(shè)在一定程度上削弱了模擬結(jié)果的準確性。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熱平衡法計算熱負荷熱平衡法根據(jù)熱力學(xué)第一定律(能量守恒)來計算建筑能耗,因此它更理論化一些,假設(shè)條件較加權(quán)系數(shù)法少,但計算復(fù)雜,耗計算機時更多。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,就可以計算室內(nèi)冷熱負荷。其原理如圖1。式中qi(t)—第i個表面t時刻的得熱量kW/mhi—第i個表面換熱系數(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個表面的輻射吸收量kW/mQ(t)—t時刻冷負荷kWm(t)—t時刻新風(fēng)量kg/sQs(t)—t時刻室內(nèi)熱源發(fā)熱量kWCp—定壓比熱kj/kg·℃Ti(t)—第i個內(nèi)表面溫度℃由于熱平衡法詳細描述了房間熱傳遞過程,通過能量守恒式來計算瞬時負荷。因此它也可用于冷板輻射或輻射供熱系統(tǒng),把這些輻射源當作室內(nèi)的一個表面,列寫相應(yīng)的熱平衡式與其它內(nèi)表面聯(lián)立求解,可推算輻射對室內(nèi)環(huán)境的影響,在這一點上是加權(quán)系數(shù)法無法比擬的。由美國軍方建筑工程研究實驗室開發(fā)的BLAST軟件采用此法。但上述兩種動態(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逐時室外氣象條件變化和室內(nèi)溫濕度要求計算全年8760小時或更長時間的逐時空調(diào)負荷和總能耗,不僅包括全年最大負荷,也包括部分負荷時的能耗。我們通常主要關(guān)心的是空調(diào)系統(tǒng)的能耗,但對建筑業(yè)主來說還須同時估計其它建筑設(shè)備能耗,如照明、電力設(shè)備、電梯等。通過全年動態(tài)能耗分析,以便合理選擇設(shè)備容量和臺數(shù),實現(xiàn)最優(yōu)匹配,使系統(tǒng)和各設(shè)備都能高效運轉(zhuǎn),并為管理人員提供經(jīng)濟合理的運行方案。動態(tài)能耗模擬方法有順序模擬法和同時模擬法兩種。3.1機組能耗及壽命周期經(jīng)濟性分析其程序框圖如圖2。計算步驟是順序分層的,首先計算每個建筑區(qū)域中的全年負荷,然后進行空調(diào)系統(tǒng)(二級設(shè)備)模擬計算,在這個過程中需要計算空氣處理機組、風(fēng)機盤管、新風(fēng)機組等設(shè)備所耗能量,接著計算冷水機組(一級設(shè)備)所需的總能耗,最后進行能耗費用及壽命周期經(jīng)濟性分析(LifeCycleCostAnalysis)。在第二、三層計算中,采用準靜態(tài)模擬方法,假設(shè)在一個小時內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)及機組的狀態(tài)是穩(wěn)定的,而每個小時是不同的。順序模擬法是順序計算每一層,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)可以滿足負荷要求。在超出空調(diào)系統(tǒng)負荷或機組負荷時,僅給出負荷不足的提示,卻不能去修正室內(nèi)空氣狀態(tài),以反映系統(tǒng)真實運行情況。3.2機組間耦合關(guān)系其程序框圖如圖3?；谏鲜龇椒ǖ牟蛔?同時模擬法考慮負荷、系統(tǒng)、機組間的耦合關(guān)系,在每個小時的計算中,負荷、系統(tǒng)、機組的計算同時進行,可確?？照{(diào)系統(tǒng)是滿足負荷要求的。這種方法雖然提高了模擬的精確度,但要花費大量的計算機內(nèi)存和機時。4優(yōu)化能耗計算隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展以及計算機技術(shù)的日新月異,將會進一步推動建筑能耗模擬的研究,提高仿真模型的準確性和優(yōu)化能力。當前在模型方面的改進主要有以下幾個方面:(1)改進目前的傳遞函數(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)整熱平衡法計算步驟,考慮負荷、系統(tǒng)和機組之間的相互關(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