建筑节能计算机评估体系研究.pdf
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1、建筑节能计算机评估体系研究同济大学 黄俊鹏 李峥嵘摘要 介绍了国外的建筑能耗模拟软件和建筑节能规范一致性评估软件,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。关键词 建筑节能 评估体系 计算机 能耗模拟 一致性评估 软件Building e nergy efficie nc y c o mp uter e valuation syste msBy HuangJunpengandLi ZhengrongAbstractPresents some foreignbuilding energy simu
2、lation softwareandbuilding energy codecompliance software.Points out the necessity for developing a building energy efficiency evaluation systemsuitable for China based on computer simulation.Establishes the system frame and the building energyefficiency design and renovation flow.Keywordsbuilding e
3、nergy efficiency,evaluation system,computer,energy simulation,complianceevaluation,softwareTongji University,Shanghai,China 继西方发达国家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%)12的建筑能耗日益引起各界人士的关注。许多国家对建筑能耗作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20世纪
4、80年代初开始颁布相关国家和行业标准3,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,大部分标准在贯彻执行中举步维艰4。在推进建筑节能工作的开展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)、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
5、筑节能评估计算机技术的应用美国是开展建筑节能研究最早的国家之一,计算机技术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,而且促进了规范本身的完善和发展。同为北美国家的加拿大,在20世纪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两个计算机程序: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HOT22000,可使设计
6、者校验建筑运行能耗。许多欧洲国家都发展了自己的03科技综述 暖通空调HV&AC2004年第34卷第11期 繱 黄俊鹏,男,1978年12月生,在读硕士研究生200092同济大学暖通空调及燃气研究所(021)63193686E2mail:flyjeep 收稿日期:20030903修回日期:20040906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
7、首先就它们在具体功能、输入输出、长处和不足等几个方面作一比较。1.1 建筑能耗模拟软件(building energy simulationsoftware)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(2002年10月)。笔者将其中具代表性的几种软件作一简单描述、归纳和比较。详细内容见表1。表1 国外建筑能耗模拟软件比较软 件主要功能输入或输出长 处不 足DOE22.1E逐时能耗分析,HVAC系统运行的寿命周期成本(LCC)分析。适用各类住宅建筑和商业建筑。20种输入校核报告,50种月度或年度综合报告
8、,700种建筑能耗逐时分析参数,用户可根据具体需要选择输出其中一部分。当前最强大的模拟软件,其BDL内核为类似多种软件使用。有非常详细的建筑能耗逐时分析报告,可处理结构和功能较为复杂的建筑。DOS下操作界面,输入较为麻烦,须经过专门的培训;对专业知识要求较高。BLAST工业供冷、供热负荷计算,建筑空气处理系统以及电力设备逐时能耗模拟。输入文件可由专门的模块HBLC在Windows操作环境下输入,也可在记事本中直接编辑。基于Windows的友好的操作界面,结构化的输入文件,可分析热舒适度,高强度或低强度的辐射换热,变传热系数下能耗分析。对专业知识和工程实际有较深刻的理解才能设计出符合要求的模型。
9、EnergyPlus多区域气流分析,太阳能利用方案设计及建筑热性能研究。简单的ASCII输入、输出文件,可供电子数据表作进一步的分析。新版本的EnergyPlus(Release1.0.2)提供了即时的关键词解释,使得操作变得更加简单。对建筑的描述简单,输出文件不够直观,须经过电子数据表作进一步处理。ENER2WIN瞬时热流计算,能耗分析,寿命周期成本分析。适用大型商业建筑。提供一个简单的画板输入建筑的基本布局,建筑围护结构的热工性能,室内逐时温度设定。表格和图像形式的月度、年度能耗报告。图形操作界面,可用紧凑模式的气候资料作替代设计方案的快速测试,有较为合理的缺省值。建筑可超过98个分区,提
10、供20多种墙窗类型。算法较为简单,只有9种HVAC系统可供选择。Energy210方案设计阶段建筑能耗评价,逐时空调能耗分析和照明计算。适用住宅建筑和小型商业建筑。12种HVAC系统选一。基于当前方案与标准方案(当前共有12种能量效率策略)之间比较的汇总图表(27种图形表达方式),也可生成详细的报表。易于操作,快速,准确。傻瓜化的操作(自动生成参考方案和最低能耗方案,自动调节HVAC系统,使其满足设计日负荷的需求,提供参考方案,方案的优劣排名)。建筑描述过于简单,只能用于小型建筑(建筑面积小于929 m2(10000 ft2)和小型HVAC系统。TRNSYSHVAC系统和控制分析,多区域气流分
11、析,太阳能利用方案设计以及建筑热性能研究。基本输出格式为ASCII,包括生命周期成本,月度、年度能耗报告。当前最灵活的模拟软件。用户可自定义标准库中没有的组件,强大的帮助系统,可分时 段 模 拟,可 直 接 导 入SimCAD生成的建筑布局作为热工模型的基础。没有为建筑和HVAC系统设定合理的缺省值,用户必须逐项输入两者较为详细的信息。HOT2 XP能耗模拟,负荷计算。适用住宅建筑。建筑特性描述,HVAC系统的详细说明,所消耗的燃料类型。图形和文本两种格式的输出文件,可供电子数据表作进一步处理。图形界面。考虑到了热桥的作用,非常详细的空气渗透模型和热损失模型,提供广泛的HVAC系统型式,提供多
12、种燃料类型。无法进行多区域HVAC系统的模拟。SPARK能耗模拟。适用复杂布局的住宅建筑和商业建筑。用符号表示的计算模型(可自定义或者从列表中选取),系统运行参数。图形输出分析后的结果。复杂建筑围护结构建模,复杂HVAC系统建模,多样的时间间隔可供选择,图形编辑器简化了对建筑物的描述,预置多种HVAC系统。需较高的电脑操作技巧,熟悉HVAC系统运行原理。ESP2r可对影响建筑能源特性和环境特性的因素作深入的评估。内置CAD绘图插件,或者直接导入CAD文件,HVAC系统的详细描述。比较接近实际,整体性的评价。可模拟和分析当前比较前沿或创新的技术。较强的专业知识,须对专业知识有较深入的理解。13
13、暖通空调HV&AC2004年第34卷第11期 科技综述 表1中的DOE22.1E以及其他基于DOE22内核的软件(如PowerDOE,VisualDOE,EZDOE,DesiCalc)是由美国能源部(DOE)和美国劳伦斯 伯克利国家实 验 室(LBNL,LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)研发的,BLAST(building loads analysisand system thermodynamics)是由伊利诺斯大学研发的,ENER2WIN是由得克萨斯建筑工程大学建筑学院(College of Architecture,Texas A&MUniversit
14、y)开发的,Energy210是由美国可持续建筑工 业 委 员 会(Sustainable BuildingsIndustryCouncil)主持开发的,TRNSYS(transient systemsimulation program)是由威斯康星大学太阳能实验室(SolarEnergyLaboratory,UniversityofWisconsin)开发的,HOT2 XP(HOT2000系列)是由加拿大CANMET能源科技中心(CANMETEnergyTechnologyCenter)开 发 的,SPARK(Simulation Problem Analysis and Research
15、Kernel)是由美国劳伦斯 伯克利国家实验室开发的,ESP2r是由英国斯特拉思克莱德大学机械学院(Departmentof Mechanical Engineering,University of Strathclyde)开发的。1.1.1 建筑能耗系统67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2)。1.1.2 数学物理模型随着计算机技术的飞速发展,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表2 建筑能耗系统分 类项 目外部影响地理环境经度,
16、纬度,海拔,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,太阳直射和散射辐射照度,降水、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,电梯其他设备办
17、公设备,家用电器去繁重的手算、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能耗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(heatbalance),用于计算全年8 760 h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
18、算机数据处理能力的增强,逐渐被计算精度更高更接近实际的动态方法所取代。表3对各种计算方法作了简要的比较,从中可表3 建筑负荷计算方法计 算 方 法基 本 原 理静态度日数法当日供暖度日数HDD=TB-T(TB为标准参考温度,T为日平均温度),建筑物供暖能耗量QS=24qHDDCD/tN-W(q为建筑物总的设计耗热量,kJ/h;CD为修正因数;tN-W为室内外温差)。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能耗量,最后把全部温度间隔内的能耗量相加即得建筑物的总能耗量。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
19、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),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,累计计算出全年能耗量和期间能耗量。当量满负荷运行时间法当量满负荷运行时间N为全年空调冷负荷(或热负荷)的总和qc(qh)=qdT(q为空调逐时冷(热)负荷,T为时间)与制冷机(或锅炉)最大出力qR(或qB)的比值,即NR=qc/qR或NB=qh/qB动态反应系数法(如DOE22)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8。热流平衡法(如
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