硕士论文-节能住宅建筑能耗模拟研究.pdf

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1、北京工业大学硕士学位论文节能住宅建筑能耗模拟研究姓名：孙萍申请学位级别：硕士专业：供热、供燃气、通风及空调工程指导教师：李炎锋20050501摘要!m,I I II I I!皇曼鼍曼鼍鼍!曼皇曼曼!皇!皇!曼曼!曼量舅曼曼皇曼曼摘要随着我国国民经济的快速发展，城市化进程的加快，能源需求的持续增高。建筑能耗约占我国总能耗的1 4 左右，而空调系统能耗约占建筑能耗的3 0 6 0。因此建筑节能设计成为最重要的节能工具。本课题以北京市某具有代表性的节能住宅为例，利用动态能耗分析软件E n e r g y P l u s 的强大功能，从构成供热系统的热用户出发，讨论集中供热系统节能问题，提出了两种动态

2、控制模型和两种节能住宅模型。本课题以美国能源部开发的动态能耗分析软件E n e r g y P l u s 为计算平台进行建筑能耗模拟。本文提出了采暖期负荷动态控制模型(H e a t i n gP e r i o dL o a d D y r r a m i cC o n t r o lM o d e l，简称H P L D C)，该模型利用A S H R A E 提供的典型气象年的逐时气象数据资料，把整个采暖期分为三个阶段包括初寒期、严寒期和末寒期，对每个阶段采用改变供水温度的质调节和改变供水流量的量调节的手段进行分段调节控制。本文提出了室内温度动态调节模型(I n d o o r sT

3、e m p e r a t u r eD y n a m i cA d j u s t i n gM o d e l，简称I T D A)。该模型依据人们每天在室内的活动规律，通过设定不同的室内温度和风机盘管的运行工况，使得室内热环境既能满足人体舒适度要求又能减少运行能耗。并以两口之家、三口之家和四口之家为例按照I T D A 模型运行，验证模型提出的正确性。本文利用E n e r g y P l u s 软件对上述两种控制模型进行了模拟，分析采用这两种控制手段对建筑能耗的影响。研究发现采用H P L D C 模型进行分段控制与传统的按定流量运行情况相比可以节约能耗1 1 6：而采用I T D

4、 A 模型进行分工况的控制对于两口之家可以节约能耗3 5 8，对于三口之家可以节约能耗2 1 8，对于四口之家可以节约能耗4 7 5。本文详细分析了外墙墙体结构形式对建筑能耗的影响和各种玻璃的传热系数以及双层矫窗之间空气夹层的厚度对外窗传热系数的影响。并通过改变墙体结构为加气混凝土和外窗形式采用双层L o w E 玻璃提出了节能住宅模型1。通过模拟得到采用节能住宅模型1 比传统的节能住宅节约能耗1 2 4；改变外墙保温砂浆的形式，并适当加大南墙窗户的面积，提出了节能住宅模型2，通过模拟得到采用节能住宅模型2 比传统的节能住宅节约能耗1 1 9。T 北京工业大学工学硕士学位论文本文研究得到的结果

5、，可以为建筑节能设计提供参考，为供暖期的节能运行调节提供新的思路。关键词：节能建筑能耗分析E n e r g y P l u s 住宅供暖A B S T R A C TW i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dc i t yc o n s t r u c t i o n，t h ee n e r g yd e m a n di n c r e a s e sv e r yq u i c k l y B u i l d i n ge n e r g yc o n s u m

6、 p t i o na m o u n t st oa b o u to n ef o u r t ho fo u rn a t i o n Sp r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n G e n e r a l l y，a b o u t3 0 t o6 0 o ft h eb u i l d i n ge n e r g yi sc o n s u m e db ya i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s E n e r g ys a v i n gd e s i g ni st h em o s

7、te f f e c t i v em e t h o dt os a v ee n e r g y I nt h i sp a p e r，at y p i c a le n e r g ys a v i n gb u i l d i n gi nB e i j i n gi ss e l e c t e d T h ed y n a m i ce n e r g yc o n s u m p t i o np r o g r a m，E n e r g y p l u s，i su s e da sat o o lt oa n a l y z et h eh e a tu s e ra n

8、 dt h eh e a tn e t，w h i c hi st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to fh e a t i n gs y s t e m T h ee n e r g ys a v i n gm e t h o do fc e n t r a lh e a t i n gs y s t e mi sd i s c u s s e d F u r t h e r，t w od y n a m i cc o n t r o lm o d e l sa n dt w om o d e l so fs a v i n ge n e r g y

9、b u i l d i n ga r ep u tf o r w a r d T h es o f t w a r eE n e r g y P l u s，ad y n a m i ce n e r g yc o n s u m p t i o np r o g r a md e v e l o p e db yA m e r i c a nD e p a r t m e n to fE n e r g yi ss e l e c t e da sat o o lt os i m u l a t et h ee n e r g ys a v i n gb u i l d i n gi nt

10、h i ss t u d y T h eH e a t i n gP e r i o dL o a dD y n a m i cC o n t r o l(H P L D C)M o d e li sp u tf o r w a r d T h eh o u r l yw e a t h e rd a t ai nt h et y p i c a lw e a t h e ry e a r，w h i c hi so f f e r e db yA S H R A Ei su s e d T h ew h o l eh e a t i n gp e r i o di sd i v i d e

11、di n t ot h r e ep a r t si n c l u d i n gp r i m a lc o l dp e r i o da n ds e v e r ec o l dp e r i o da n dt e r m i n a lc o l dp e r i o d I ne v e r yp e r i o d，t h et e m p e r a t u r ea n dt h eh e a t i n gw a t e rf l u xa r ea d j u s t e dt oc o n t r o lt h eh e a t i n gs y s t e m

12、I na d d i t i o n，t h eI n d o o rT e m p e r a t u r eD y n a m i cA d j u s t(I T D A)M o d e li sp u tf o r w a r d A c c o r d i n gt Ot h ed i f f e r e n c eo fp e o p l e Sa c t i v i t i e si no n ed a y，t h ei n d o o rt e m p e r a t u r ea n do p e r a t i o np a r a m e t e r so ff 孤c o

13、 i la r ea d j u s t e di nt h i sm o d e l T h ei n d o o rt h e r m a le n v i r o n m e n tC a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fc o m f o r ti n d e xa n dd e c r e a s et h ee n e r g yc o n s u m p t i o nd u r i n go p e r a t i o ni nt h eI T D Am o d e l Af a m i l yw i t ht w op e o p l

14、 e sa n dt h r e ep e o p l e sa n df o u rp e o p l e sa r eu s e da se x a m p l e st ov a l i d et h et h m t ho f 也em o d e l E n e r g y P l u si su s e dt os i m u l a t et h ea b o v et w oc o n t r o lm o d e l sa n dt h ee f f i c i e n c yo fb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni

15、 sa n a l y z e d T h ec o n c l u s i o n sa r ed r a w nt h a tt h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nd e c r e a s e s11 6 w h e nu s i n gt h eH P L D Cm o d e l北京工业大学工学硕士学位论文c o m p a r e dw i t ht h et y p i c a lm o d e l T h ee n e r g yc o n s u m p t i o nd e c r e a s e sr e

16、s p e c t i v e l y3 5 8 a n d2 1 8 a n d4 7 5 w h e nu s i n gI T D A m O d e lt oc o n t r o lt h ef a m i l yw i t ht w op e o p l e sa n dt h r e ep e o p l e sa n df o u rp e o p l e s T h ee f f e c to ft h es t r u c t u r eo ft h ee x t e r n a lw a l lt ot h eb u i l d i n ge n e r g yc o n

17、 s u i i l p t i o ni sa n a l y z e dd e t a i l e d l y T h ec o f f e c i e n to fh e a tt r a n s m i s s i o no fa l lk i n d so fg l a s si sc a l c u l a t e d F u r t h e rt h ee f f e c to ft h ea i rl a m i n a t i o nt h i c k n e s st ot h ec o f f e c i e n to fh e a tt r a n s m i s s

18、i o nf o re x t e r n a lw i n d o wi sd i s c u s s e d，T oc h a n g et h es t r u c t u r eo fe x t e r n a lw a l It oc e l l u l a rc o n c r e t ea n dt h et y p eo ft h ee x t e r n a lw i n d o wt oL o w Eg l a s s，t h ee n e r g ys a v i n gb u i l d i n gm o d e l1i sp u tf o r w a r d T h

19、ee n e r g ys a v i n gb u i l d i n gm o d e l1C a ns a v ee n e r g y12 4 c o m p a r e dw i t ht h et y p i c a le n e r g ys a v i n gb u i l d i n g T oc h a n g et h et y p eo ft h ei n s u l a t i o nm o r t a ra n dc h a n g et h er a t i oo f t h ew i n d o wm a dt h ew a i lt o4 0，t h ee n

20、 e r g ys a v i n gb u i l d m gm o d e l2i sp u tf o r w a r d T h ee n e r g ys a v i n gb u i l d i n gm o d e l2C a ns a v ee n e r g y11 9 c o m p a r e dw i t ht h et y p i c a le n e r g ys a v m gb u i l d i n g T h er e s u l t sC a nb eu s e da sr e f e r e n c et ot h eb u i l d i n ge n

21、e r g ys a v i n gd e s i g na n dc a np r o v i d es o m eh i n t sf o rt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o no p e r a t i o ni nt h eh e a t i n gp e r i o d K e y w o r d s：E n e r g ys a v i n g，B u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y z e，E n e r g y P l u s，B u i l d i n g；H

22、e a t i n gI V 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：型!蒸日期：型：兰!关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在

23、解密后应遵守此规定)签名：烈!莲导师签名瓣第1 章绪论1 1 研究课题的提出第1 章绪论建筑能耗在一个国家总能耗中占重要组成部分，与工业能耗、农业能耗、交通运输能耗等组成总能耗。建筑能耗划分为建造过程中的能耗和使用过程中的能耗。建造过程的能耗包括建筑材料、建筑构配件、建筑设备的生产和运输以及建筑施工和安装中的能耗。使用过程中的能耗包括建筑使用期间采暖、通风、空调、照明、家用电器和炊事热水供应等所使用的能量。一般情况下，建造能耗与日常使用能耗之比约为l：9 2：8【1 ，所以建筑能耗的重点是使用能耗。随着各地的居住建筑节能设计标准的执行，需要计算建筑的全年能耗，以判断其是否达到节能标准，决定该建

24、筑是否可以修建，或是某项节能改造技术是否可行。目前国内节能建筑的研究，具体的做法是建立样板示范房，再进行实测分析研究。并以此为基础，进一步修改、完善节能设计。这种方法投资费用大，建造周款和实验时间都很长，受自然条件、土地、工作效率等诸多因素影响。随着计算机科学和技术的发展，应用计算机软件对建筑能耗进行全年动态模拟分析已成为现实。来自模拟的信息反馈具有多方面优点：节省了土建投资，缩短了建设周期，摆脱了地点限制；可随时模拟任意气候区、任意季节的情况；也给我们提供各种各样的假设方案，开阔了我们的思路。通过模拟，在设计阶段就可以对建造完成后可能出现的问题进行预测调整。上个世纪七十年代以来，很多国家都根

25、据自己的特点及要求编制了计算建筑能耗的程序，其中比较有代表性的有美国的D O E 2、D E R O B，日本的H A S P，英国的E n e r g y 2、S e r i R e s，瑞典的B K L、J U L O T T A，芬兰的T A S E，法国的C L M 2 0 0 0，以及我国的B T P、E H L 等。E n e r g y P l u s 是在美国能源部(D e p a r t m e n to fE n e r g y,D O E)的支持下，由劳伦斯伯克利国家实验室、伊利诺斯大学、美国军队建筑工程实验室、俄克拉何马州立大学及其他单位共同开发的，是一个全新的软件，它

26、不仅吸收了建筑能耗北京工业大学工学硕士学位论文分析软件D O E-2 和B L A S T 的优点，并且具备很多新的功能，被认为是用来替代D O E 2 的新代的建筑能耗分析软件。1 2 建筑能耗研究的发展状况1 2 1 现代负荷计算的发展历史进行空调房问的全年负荷模拟和建筑物的能耗分析，必须了解房间内的热量变化和转换过程以及现代负荷计算方法。在这方面的发展大致分为以下几个阶段。第一阶段：最初为现代空调理论打下基础的是被称为“空调之父”的美国人W i l l i s H C a r r i e r(1 8 7 6 1 9 5 0)。1 9 1 1 年C a r r i e r 2】发表了合理的

27、温湿度公式和绝热饱和理论，这些公式和温湿度表成为现代空调理论的基础，但是直到二次大战前后，在研究室内热过程和保持室内热舒适环境的空调计算中并没有区分房间得热量和房闯冷负荷两个不同概念，把稳定传热计算作为房间负荷计算的主要方法，这一阶段可称为稳定传热计算时期。第二阶段：以1 9 4 6 年美国的C O M a c k e y 和L T W r i g h t l 3 提出综合温度概念，发表当量温差法为标志开始了第二阶段准稳态传热计算时期，他们用室外气温和太阳负荷的F o r i e r 级数展开式作为墙体导热方程的边界条件求解传热量，再用稳定传热形式来简化，得出当量温差的概念，并以此计算负荷。这

28、个方法被A S H R A E(A m e r i c a nS o c i e t yo fH e a t i n g，R e f r i g e r a t i n ga n dA i r-C o n d i t i o n i n gE n g i n e e r s)采纳，成了此后2 0 年内美国和西方国家的主要计算方法。5 0 年代初，苏联的什克洛维尔(A t L uK0J IOBep)等人提出了谐波分解的类似方程，并用衰减度和延迟时间来表示。我国是在解放后才开始有自己的空调事业的，因此这个方法在国内影响很大，以谐波法为暖通界所熟悉，一直被使用到7 0 年代甚至更迟。这两种计算方法均

29、只考虑围护结构本身的不稳定传热，并未涉及到整体房间的不稳定热作用过程，具体的说就是没有区别房间得热、冷负荷和除热量三个不同的概念，而把进入房间的瞬时得热当作瞬时负荷。这一时期可以划到1 9 6 7 年加拿大的D G,S t e p h e n s o n 和G P M i t a l a s l 4 1 发表热反应系数法为止。第三阶段：从那时起直到现在，为动态负荷计算时期。1 9 6 7 年反应系数法2 第l 章绪论发表，立即被A S H R A E 接受，1 9 7 1 年D G S t e p h e n s o n 和G E M i t a l a s 5 1 叉用z 传递函数改进了反应

30、系数法，并产生了适合手算的冷负荷系数法。我国在1 9 7 2 年已有人注意并引用了部分数据，1 9 7 4 年暖通规范组编译了空气调节房间热负荷计算的资料，介绍了日、美等国的计算方法，1 9 7 8 年成立了全国性的“建筑物冷热负荷计算方法研究”课题组，到1 9 8 2 年6 月评议通过了课题组的推荐方法。1 2 2 国外发展状况1 9 7 2 年，美国得克萨斯大学建筑分校数学模拟实验室的F r a n c i s o A r u m i-N o e博士，在已有的P A S O L E 基础上由L o sA l a m o u s 科学实验室的R o b e r tM c f o r l a

31、n d开发，再加上五个模块，构成了著名的D E R O B 软件。其程序采用的计算方法是动态法，把建筑描述成类似于电网络的形式，即建立R C(热阻一热容)网络，从而进一步针对网络中的节点建立方程组并求解。计算要求的气象参数为气温相对湿度、气压、太阳辐射及风速。D O E 2 由美国国家能源部提出的标准程序，程序规模很大，是比较有代表性的动态冷热负荷的模拟计算程序，是美国政府出资，由若干美国著名的实验室及数十名各种专业人员协同开发两年完成的大型软件。该软件采用反应系数法计算全年逐时负荷，需要知道全年逐时的1 3 种气象资料：1)室外干球温度；2)室外湿球温度或露点温度；3)大气压；4)云态；5)

32、云量；6)相对湿度(绝对湿度)；7)室外空气焓；8)室外空气密度；9)风速：1 0)风向；1 1)太阳散射辐射强度：1 2)地面散射辐射强度；1 3)降雪量。加拿大是世界上应用软件最普遍的国家之一，软件的应用己渗透到各行业中。建筑节能方面的软件主要涉及建筑能耗模拟、能量管理、系统控制和规范实施四大类。加拿大的建筑节能设计规范(N E c B)中提供了两个检验软件，即权衡符合(T r a d e o f f)和性能符合(P e r f o r m a n c e)软件，这两个软件目前尚处研发中。美国A S H R A E 9 0 1 中附带的两个软件：一个用于照明系统；一个用于建筑物围护结构。两

33、个软件的名称为：1 北京工业大学工学硕士学位论文1)照明规范和系统运行吻合计算程序(L i g h t i n gP r e s c r i p t i v ea n dS y s t e mP e r f o r m a n c eC o m p l i m a e eC a l c u l a t i o nP r o g r a m)。2)围护结构系统运行吻合计算程序(E n v e l o p eS y s t e mP e r f o r m a n c eC o m p l i a n c eC a l c u l a t i o nP r o g r a m)。美国德克萨斯大学建

34、筑学院于1 9 9 9 年末公开了它的建筑能耗模拟计算软件E N E R W I N 9 7 0 2 版本f 6 。该软件具有良好的用户界面，应用方便直观。它通过逐时的模拟计算，测算出建筑物的年能耗量。该软件数据的输入输出采用交互式图形界砸方式。计算模型采用最新的数学方法，能够在最短的时间内计算逐时能耗。该程序包里还装载了世界2 7 4 个城市三十年来统计的气象数据。1。2 3 国内发展状况B T P 由清华大学开发，在状态空间建筑热模型的基础上，开发出的一个建筑热过程动态模拟程序。B T P 的求解过程分三步，首先是计算多个房间室温或用户定义的环境温度分别对外温、室内热源、透过窗户的太阳辐射

35、、外墙吸收的太阳辐射以及供热空调(H V A C)系统对各种扰动的反应系数。其次是计算房间在无供热空调设备时的室温(称为自然室温)。最后计算不同空调控制方案下的房间的人工温度，它与自然室温加在一起就是实际的室温，并进一步计算供热空调负荷。在建筑热工能耗模拟分析方面，1 9 8 0 年1 9 8 2 年，清华大学江亿教授分别提出气象参数的随机模型和建筑热环境模拟及空调系统负荷计算的状态空间方法，构成D e S T 研究工作的主要基础；建筑学院建筑技术科学系建筑环境与设各研究所综合十余年科研成果的结晶，开发出了用于建筑热环境设计模拟分析的软件平台一建筑热环境设计模拟工具包(D e s i g n

36、e r SS i m u l a t i o nT o o l k i t，简称D e S T)并于2 0 0 0 年发布，在D e S T 的基础上，针对住宅建筑开发了专用的能耗模拟分析软件：D e S T-h，已于2 0 0 2 年发布。D e S T 充分考虑了入的创造性和计算机强大的计算能力，并将两者有机地结合起来。第1 章绪论1 3 本课题研究的内容及现实意义夏热冬暖地区节能主要通过三个方面进行：建筑热工性能空调家庭用电设备居住建筑热工性能与建筑能耗联系紧密，因此对于二者的分析研究显得尤为重要。前人在建筑能耗分析方面作过的研究是通过比较成熟的理论分析方法包括反应系数法、状态空间法、谐

37、波法及数值计算法分析；或通过如：度E t 数法、当量峰值小时数法、温湿频数(B I N)法等简化算法分析建筑能耗7 1。本文主要研究内容：1)本文详细介绍了E n e r g y P l u s 软件的原理及其主要的功能。2)本文针对传统的采暖期设计负荷过大，造成了大量的能源浪费这一现实，提出了采暖期负荷动态控制模型(H P L D C)。对整个采暖期采用分段控制的调节方法。3)本文根据人们在每一天活动情况的不同，提出了室内温度动态调节模型(I T D A)。在这个模型中，通过设定不同的室内温度和风机盘管的运行工况，使其达到满足人体热舒适度和节约运行能耗的目的。4)分析了外墙保温形式以及外窗形

38、式对建筑能耗的影响，并提出了两个节能住宅的模型。5)对E n e r g y P l u s 软件的可靠性进行了分析验证，并讨论了其存在的问题及解决的方法。本课题的研究具有较强的理论意义和实用价值，主要表现在以下两方面：1)随着建筑节能工作的大力开展，建筑能耗问题日益受到建筑设计人员的重视，因此准确、方便、快捷的模拟软件对于建筑能耗问题的解决和研究，具有重要的理论和现实意义。本文着重介绍的E n e r g y P l u s 模拟软件，为改变传统的计算建筑能耗的方法提供了新的尝试，为动态分析建筑能耗提供了更强有力的工具。2)通过对各种控制方案进行模拟，比较运行的结果，提出新的控制手段，为供暖

39、期的节能运行调节提出新的思路。1 4 小结本章首先指出了建筑能耗在国家总能耗中所占的重要比重，分析节约建筑能耗的重要性，然后重点介绍了国内外建筑能耗研究的发展状况，并由此提出了本课题研究的内容及现实意义。本课题以北京某节能住宅为例，采用动态能耗分析软件E n e r g y P l u s 模拟建筑能耗，提出节能措施。第2 章建筑能耗分析的基本原理在空调系统设计过程中，如果能算出系统全年能耗量，将给节能工作带来极大方便，也为选择优化设计方案提供重要依据。目前可采用的建筑物能耗分析方法很多，根据所依据的数学模型，可将计算方法分为两大类：一类是建立在稳定传热理论基础上的静态能耗分析法，另一类是建立

40、在不稳定传热理论基础上的动态能耗模拟法。2 1 静态能耗分析法静态能耗分析法的基本原理是将供蹑期或供暖期中的各旬、丧月的耗热量按稳态传热理论进行计算，而不考虑各部分围护结构的蓄热效应。静态能耗分析的方法主要有：有效传热系数法、度日法、温频法、当量满负荷运行时间(tE)法【8】o2 1 1 有效传热系数法有效传热系数方法的主要特点是用有效传热系数代替原传热系数，通常的传热系数，是指在单位温差下、单位面积在单位时间里的传热量。这里，认为传热仅仅是由两侧温差引起的。其实，在围护结构中，不仅存在两侧空气温差引起的热耗，而且，还存在由太阳辐射引起的得热，以及向天空辐射引起的失热，这三部分传热的代数和即为

41、围护结构的净热耗。在单位温差下、单位面积在单位时间里的净热耗，即为有效传热系数。民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)采用的方法是有效传热系数法，计算建筑物耗热量指标的具体公式为：q H=q m，+q m F-q L；日(2 _ 1)式中：勤建筑物耗热量指标(W m 2)：g w 围护结构的传热耗热量指标(w m 2)：g 一建筑物空气渗透耗热量指标(w m 2)；1 北京工业大学工学硕士学位论文q L H 单位建筑面积单位时间建筑内部得热(W m 2)。其中围护结构的传热耗热量指标按下式计算：式中(r，一f。)s，墨F=卜f 室内温度()：屯采暖期室外平均温度()t 围护结构传热系数的修正

42、系数K 围护结构的传热系数(W m 2 K)4 建筑面积(m 2)。2 1 2 度日法(D e g r e e-D a y)(2 2)主要用于供热计算，准确性高于冷负荷计算。基于这样的假设，从热交换的长期的平均效果考虑出发，当室外平均温度为某个特殊值时，太阳辐射能量和室内得热量总和与房间的热损失相抵消，房间处于平衡点。而将该点的温度近似取作1 8 36 C(6 5 F)，那么实际所需的能耗将正比于室外E l 平均温度与1 8 3 C 之差。度日法是-e e 最简单的全年能耗预测方法，一般用于室内温度设定值恒定，且室内发热量为定值，全年均需要供热或制冷的系统。O。=拿(-7。)+(2-3)I h

43、d 7 坩Q c=拿(亍。一瓦。，)+(2 4)I cd a y s式中：幺全年供热功率k W瓦。房间得热与热耗平衡时对应的室外温度第2 苹建筑能耗分析的基本原理I IQ 全年制冷功率k W丁。室外日平均温度叩供热设备热效率玑制冷设备效率足建筑热损失系数，K=U o A(k w。c)围护结构传热系数，k w m 2。CA 围护结构表面面积m 2公式(2 3)、(2 4)中()+指当温度差值为正值时进行求和计算，否则不计入。当建筑物负荷多来自于围护结构传热和渗透传热，且机组的性能比较稳定时，度日法不失为一种简单、准确、经济的计算方法。由于平衡温度设定为一个定值，影响到计算的准确性。因此在此基础上

44、又产生了修正度日法(M o d i f i e dD e g r e ed a yM e t h o d)和带变量度目法(V a r i a b l eB a s eD e g r e eD a yM e t h o d)。前者是在度日法公式中乘以一个经验修正系数C u。该值是在一个适中的气候条件下，将测量值与度日法计算值相比较而确定。后者考虑到由于各国各地气候条件差异，建筑结构及材料特性各异，以及太阳辐射得热和人员、设各使用情况不同，将平衡点温度不再固定为一个定值，而设为系统既不加热也不冷却时的室外温度。K(瓦)一q=0(2 5)瓦扩瓦一昙=o(2-6)式中：矗室内设计温度q 太阳辐射及室内

45、得热量平均值彤带变量的度日法虽然是一种静态方法，具有一定的局限性，但这种方法已被证明可为以围护结构传热占主导的一类建筑物(如居民楼)提供比较准确的全年能耗预测”1。北京工业大学工学硕士学位论文2 1 3 温频法温频法又称变基准温度的度日法，是在度日法的基础上发展起来的。其基本原理是将全年温度划分为若干组，分别计算系统在每个温度组内的能耗量【1 0】。温频法考虑到了室外空气的影响和部分负荷工况的影响，恧且该方法可以通过精确划分以满足特殊系统的要求。温频法计算能耗对于手算和计算机计算都很方便。美国将温频法的计算结果与D O E 一2 程序的计算结果比较，发现两种方法的计算结果十分接近【1 1】。2

46、 2 动态能耗模拟法利用动态算法，可以模拟在变化的室外气象参数条件下建筑空间中负荷的动态变化。目前经常采用的动态能耗分析算法主要为反应系数传递函数法，也有的采用谐波反应法、有限差分或有限元等数值方法。2 2 1 谐波反应法谐波法是建立在墙体导热方程经典求解的基础上，将周期性扰量按照正弦(或余弦)函数项的傅里叶级数表达，并引入了衰减和延迟的概念，从而得出房间负荷的计算方法。例如，可以将计算日室外综合温度的逐时变化展开为傅里叶级数形式：t z，=A o+A。C O S(口r n F 一)(2 7)H 1式中：4 零阶扰量，即计算日室外综合温度的平均值，i()：4 第n 阶室外综合温度变化的波幅，f

47、：。；口。第n 阶室外综合温度变化的频率，挈；疗第n 阶室外综合温度变化的初相角，d e g。第2 章建筑能耗分析的基本原理2 2 2 传递函数法和反应系数法反应系数法和传递函数法的最大特点是并不要求以周期扰量为前提，可以用时间序列表示外扰的变化，适用于任何扰量，这是它区别于谐波法的重要特点，因此适用于全年的房间负荷计算和模拟。反应系数，传递函数法，是在1 9 6 7 年由加拿大学者D G S t e p h e n s o n 和G P M i t a l a s 把控制论中的系统、扰量、反应及传递函数的概念引入建筑物冷热负荷计算中后产生的。这种方法把计算对象看成是个线性系统，然后把扰量、反

48、应以及系统的数学模型进行L a p l a c e 变换，在频域范围内进行问题的求解。其一般形式如下：在初始条件为零时，输出函数的拉氏变换与输入函数的拉氏变换之比，即o(S)=G(S)E(S)(2-8)式中：o 圆j 输出函数D rr J 的拉普拉斯变换；G 岱j 系统的s 传递函数：E 俗)输入函数。rr J 的拉普拉斯变换。如果用综合温度喀表示外扰，经过墙体或屋顶后转化为房间的传导得热量Q r，该得热量进入室内提高了内壁表面温度，经房间各围护结构及家具等的吸热和放热效应后，最终转化为冷负荷C L Qt。上述过程，可写成以下两个连续过程：Q(S)=G，(S)屯(S)C L Q(S)=G：(S

49、)Q(S)(2 9)式中：t z(S)输入函数(综合温度)的拉普拉斯变换；Q 房间得热量的拉普拉斯变换：C L Q(S)冷负荷的拉普拉斯变换；G，G 2 御围护结构，房间的传递函数。利用反应系数法计算系统当前时刻的反应，要涉及在此之前相当一段时间内的各种扰量的作用，换句话说，要箅出很多的反应系数。当进行长期负荷计算时，北京工业大学工学硕士学位论文这种算法所花费的计算时间比较长。为此，人们进行了很多的改进工作，以减少计算量。比如公比法，以及z 变换的方法等。目前z 变换应用的比较多。设计用的冷负荷系数法、冷负荷温差法等方法，其原理都是一样的，都是反应系数传递函数法的不同简化计算形式。2 2 3

50、有限差分法有限差分及有限元等数值方法都是流行的计算机算法，同样在动态空调冷热负荷计算中应用得很多。所谓有限差分法是把物体分隔为有限数目的网格单元，将微分方程变换为差分方程，通过数值计算直接求取各网格单元节点的温度。其基本原理就是用有限差商代替微商即导数，从而将微分方程转化为差分方程(如式2-1 0)。这种替代的实质就是把相邻节点间的温度分布看作是线性的。兰兰血二(2 1 0)2 3 静态分析方法与动态分析方法的比较静态分孝厅方法的特点就是简单，对于通常的工程设计来说，一般只需知道整个建筑物或单位建筑面积在一个采暖期内的耗热量，并不需要详细掌握热耗随时间变化的具体情况，因此在实践工程界中被广泛采