建筑节能计算机评估体系研究(10页).doc
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1、-建筑节能计算机评估体系研究-第 10 页建筑节能计算机评估体系研究黄俊鹏 作者简介:黄俊鹏,男,1978年12月生,硕士,同济大学暖通空调及燃气研究所,flyjeep 李峥嵘同济大学机械学院上海,200092Research About The Energy Efficiency Computer Evaluation SystemHuang Jun-Peng, Li Zheng-RongSchool of Mechanical Engineering, Tongji UniversityShanghai,200092Abstract Simulation on a building and
2、 its energy-consuming systems is an effective approach for evaluation on buildings energy use and code compliance. In developed countries,many corresponding software have been developed. So its urgent to establish a building energy efficiency evaluation system based computer simulation in China, to
3、promote the implementation of energy codes and energy efficiency standard.Keywords Energy efficiency, Software, Energy Code and Standard, Code Compliance, Energy Simulation摘要 对建筑及其能耗系统进行模拟,是建筑能耗系统效率评价和建筑节能标准规范一致性评估的一种有效方法。在发达国家,已经开发出许多相应的软件,而中国关于这方面的工作则刚刚开始。本文首先对国外的有关工作进行了介绍和讨论,然后根据他们的经验,探讨在中国建立这样一套
4、体系的方法。为促进我国能源法案及建筑节能标准的实施,建立一套符合我国国情的建筑节能计算机评估体系显得十分紧迫。关键词 建筑节能 评估体系 节能标准 能耗模拟 软件 一致性评估中图分类号:TU831文献标识码:A文章编号:继西方发达国家在20世纪70年代末的能源危机所掀起的节能运动高潮以来,由于能源不合理使用所造成的不可再生能源的枯竭和环境污染的全球化,使这一趋势在发展中国家得以延续和发展。在此背景下,占国民经济总能耗30%左右(我国20-25%)1 胡平放,向才旺,丁学俊等,中国建筑能耗现状特征,武汉城市建设学院学报,第15卷,No.6,1998,p39-431-2的建筑耗能日益引起各界人士的
5、关注。许多国家,对建筑能耗做出了明确的法律规定,并制定了各种评估方法和技术标准。中国在80年代初开始颁布相关国家和行业标准2 龙惟定,国内建筑合理用能的现状及展望,能源工程,No.2,2001,p1-63,由于缺少必要的建筑能耗评估体系和推进建筑节能规范标准执行的有效措施,大部分标准在贯彻实行中举步惟艰3 俞善庆,关于建筑节能标准化,中国标准化,No.1,2000,p15-184 韩爱兴,中国建筑节能政策,中国能源,No.2,1999,p23-255 美国能源部节能及可再生能源网站建筑能耗模拟软件目录:http:/www.eere.energy.gov/buildings/tools_dire
6、ctory/6 张伟捷,孙建平,王侃宏,建筑节能评价体系理论的基础研究,河北建筑科技学院学报,No.2,2002,p5-107 LBNL U.S.,DOE-2.1E Engineer manual,1998.108 周良,张国强,建筑节能及暖通空调仿真软件的现状和发展,湖南大学学报,No.6,2000,p103-1089 刘欣,应用计算机模拟研究建筑节能,宁夏科技,No.2,1998,p27-2810 廖晓红,吕炜民,暖通空调软件综述,制冷,No.2,2000,p27-3011 陈在康,杨昌智,暖通空调计算机运用,湖南大学出版社,1999.212 康艳兵,马志永,建筑节能领域可再生能源的利用方
7、式,中国能源,No.6,2002,p37-4013 Tony Stocken,Renewable Energy Applications in Commercial Buildings,7th Commercial Building Energy Forum ,2001.714 John A. Turner,A Realizable Renewable Energy Future,Science,VOL 285 30 July 1999,p687-68915 Walter Short,Daniel J. Packey,Thomas Holt,A Manual For The Economic
8、Evaluation Of Energy Efficiency And Renewable Energy Technologies,National Renewable Energy Laboratory (U.S.) ,1995.316 曹叔维,房间热过程和空调负荷,上海科学技术文献出版社,1991.1017 Richard K. Strand,Curtis O. Pedersen,Drury B. Crawley。Modularization And Simulation Techniques For Heat Balance,Seventh International IBPSA Con
9、ference,Rio de Janeiro, Brazil August 13-15, 20014。在推进建筑节能工作的展开方面发达国家有许多成熟的做法,比如推行DSM(需求侧能源管理)、国家房屋能源等级制(National Home Energy Rating)、推行建筑用能审计等,但以上措施的顺利实施都是建立在科学的建筑能耗评估上。本文首先介绍了国外是如何利用计算机技术促进建筑节能规范和标准实施的,而后指出建立符合我国国情的建筑节能计算机评估体系的必要性,构建了针对我国现状的建筑节能计算机评估体系的框架以及以此为基础的建筑节能设计和改造流程。1. 国外建筑节能评估计算机的应用美国是开展建
10、筑节能研究最早的国家之一,计算机技术的在建筑节能中的应用也最为蓬勃。当前,在美国与节能标准相关的软件有120多种,其中有关建筑节能评估的有70多种。这些应用软件的开发和运用不仅可定性或定量地对建筑能耗进行评估,从而使建筑节能规范的实施变得相对容易,也促进了规范本身的完善和发展。同为北美国家的加拿大,在70年代的能源危机后也开始注重建筑节能的研究和计算机技术在建筑节能评估中的应用。80年代初加拿大开发了2套计算机程序:一是FRAME和VISION,生产厂家和设计师可以用此程序迅速、精确地计算出各种玻璃窗和窗框的热性能;另一是HOT-2000,可使设计者校验建筑运行能耗。许多欧洲国家都发展了自己的
11、建筑能耗模拟软件,在实际的运用中发挥了较大的经济和社会效益5。虽然软件很多,但按照这些软件的功能可将它们大致分为两类:基于建筑热过程模拟的建筑能耗模拟软件和基于建筑节能标准审核的一致性评估软件。各类软件由于数学模型、编程语言、使用对象、主要功能和实现目的不一样,在实际使用中表现出很大的差别。本文首先就他们在具体功能、输入输出、对专业知识的了解程度以及与其它软件的相对长处和不足等几个方面做一比较。1.1 建筑能耗模拟软件(Simulation Software)由于节能标准的实施直接建立在建筑能耗模拟的基础上,因此国外不同的能源机构基于相同或不同的节能标准制定了相当多的模拟软件,仅美国就有77种
12、(2002年10月),其中具代表性的是美国能源部(U.S.DOE)和美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)研发的DOE-2以及基于DOE-2内核的其它软件(如PowerDOE,VisualDOE,EZDOE,DesiCalc),伊利诺斯大学研发的BLAST (Building Loads Analysis and System Thermodynamics),美国可持续建筑工业委员会(Sustainable Buildings Industry Council)主持开发的Energy-10,得克萨斯建筑工程大学建筑学院College of Architecture Texas A&M Univ
13、ersity开发的ENER-WIN,英国斯特拉思克莱德大学机械学院Department of Mechanical Engineering University of Strathclyde 开发的ESP-r,加拿大CANMET 能源科技中心(CANMET Energy Technology Center)开发的HOT2 XP(HOT2000系列),美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)开发的SPARK (Simulation Problem Analysis and Research Kernel),以及威斯康星大学太阳能实验
14、室(Solar Energy Laboratory University of Wisconsin)开发的TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation Program)等。1.1.1 建筑能耗系统6-7在进行模拟时,首先要确定影响建筑能耗的各种因素,然后才能建立相应的数学模型。按照影响建筑能耗的内外因素:外部影响,建筑设计和设备运行可综合出各种模拟软件的建筑能耗系统(见表1)。表1建筑能耗系统分 类项 目外部影响地理环境经度,纬度,海拔高度,时区,建筑方位,绿化气候环境全年逐时干湿球温度,相对湿度,空气焓,空气密度,大气压,室外风速及其方向,云态和云量,太阳直射和散射
15、辐射强度,降雨、降雪量建筑设计建筑功能商业建筑,住宅建筑,公共建筑等(或依使用功能作更细的划分)建筑体型形状,层数,面积围护结构门,窗(含天窗,老虎窗),外墙,内墙,窗墙比,挑檐建筑材料外墙粉刷材料,屋顶(或外墙)隔热保温材料,墙材室内装潢内外遮阳(材料,颜色),地板,家具设备运行空调系统分区,室内设计参数,系统形式,新风,设备、人员工作规律照明系统天窗,室内照明,开窗位置、数量热水系统电加热或燃气加热热水系统电力电气通讯系统,智能控制系统,电梯其它设备办公设备,家用电器1.1.2 数学物理模型随着计算机技术一日千里的发展,计算机处理容量和计算速度得到大幅度提高,建筑热工分析也从过去繁重的手算
16、,近代快速准确的静态电算,到现代整栋建筑全年运行工况的动态模拟,以及将过程识别理论、随机统计理论和模糊逻辑理论移植到建筑热工过程而产生的谱分析法、随机分析法和模糊数学法等数理模型,使得对建筑热工过程、建筑能耗系统的模拟越来越趋近于实际。目前国外建筑能耗模拟软件大多是对整栋建筑的耗能系统作全年运行工况的动态模拟,其算法主要有反应系数法(Response Factor)和热流平衡法(Heat Balance),用于计算全年8760小时建筑逐时冷热负荷。静态算法,如度日数法(Degree Days)、箱法(Bin)、负荷频率表法和当量满负荷运行时间法已运用较少,而且随着计算机数据处理能力的增强,逐渐
17、被计算精度更高更接近实际的动态方法所取代。表2对各种计算方法作了一简要的比较,从中可以看出动态模拟的显著优势。表2建筑负荷计算方法计算方法基本原理静态度日法当日采暖度日数:(HDD)=TB-T,建筑物采暖耗能量:其中TB-基准温度,T-当日温度,采暖耗能量,建筑室内外温差,修正系数。箱法把室外气温分成几个不同的温度范围,分别计算每一温度间隔内的建筑耗能量,最后把全部温度间隔内的耗能量相加即得建筑物的总耗能量。负荷频率表法首先要知道计算地点室外空气焓、含湿量、干湿球温度在不同室外空气焓、含湿量、干湿球温度下出现的年频率数(用于全年运行的空调系统)或期间频率数(用于季节运行和间歇运行的空调系统)。
18、根据空调系统的全年运行工况和上述频率数,计算出不同室外空气状态参数下的加热量、冷却量、加湿量,然后,累计计算出全年耗能量和期间耗能量。当量满负荷运行时间法当量满负荷运行时间为全年空调冷负荷(或热负荷)的总和:与制冷机(或锅炉)最大出力qR(或qB)的比值,即:或,其中q为空调逐时冷负荷(热负荷)。动态反应系数法(如DOE-2)该方法把墙体和房间分别当作线性的热力系统,利用系统传递函数得出某种单位扰量下的各种反应系数,再用反应系数来求解传热量和热负荷15(详细论述见参考资料)。热流平衡法(如Blast)建立在热力学第一定律(能量守恒)的基础上。在建筑的内、外表面和室内空气分别确定一个控制体(co
19、ntrol volume),以此建立热平衡方程16,如室内空气的热平衡方程:,其中,为空气与房间各内表面之间的对流换热量、为空气与人员灯光设备之间的对流换热量、为空气与渗透空气热量交换、为空气与空调系统之间的热交换(详细论述见参考资料)。1.1.3 软件编程语言在科学和工程计算中使用最为广泛的是Fortran(Formula Translation),在建筑热工模拟领域也不例外。但Fortran(如Fortran77,Fortran90)程序只能适应早期的DOS操作系统,使软件的使用相对复杂和困难。比如DOE-2,由于其对建筑物和HVAC系统的所有描述都是在DOS下完成,即使一个经验丰富的工程
20、师输完所有的数据也要花很长的时间,使其使用和推广较为困难。随着Windows操作系统在微机上的广泛运用,以及面向对象的编程技术的成熟,有着良好用户界面的应用软件逐渐发展起来,相应的程序编写也从DOS系统转到了Windows系统。Fortran本身的功能也在不断完善,新版本(Visual Fortran,Digital Visual Fortran)的开发系统几乎具备了VC、VB的所有特点,如图形界面编程、数据库等。同时在建筑能耗模拟领域,也兴起了用其他绘图能力、可移植性、数据处理能力更强的编程语言(如C+,Delphi等)开发的模拟软件。具体情况见表3。表3模拟软件使用的编程语言模拟软件编程语
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