建筑能耗计算与评价方法分析

张 玮

0 引言

建筑节能,就是在满足居住舒适性要求的前提下,合理使用能源,不断提高能源利用效率并达到节约能源、减少能耗的目的。据了解,目前我国住宅建筑使用的能耗约占全国总能耗的26%,同时建筑能源利用率仅为发达国家的1/3左右。预计到2020年年底,全国住宅建筑面积将新增250亿m2～300亿m2,如果延续目前的耗能状况,每年将消耗1.2万亿kWh电和4.1亿t标准煤,接近目前全国建筑能耗的3倍。建筑节能已是迫在眉睫。

建筑耗能计算与评价方法是建筑节能工作的基础,建筑能耗受当地气候条件、建筑热环境质量、围护结构热工性能、空调采暖设备性能和使用管理等诸多因素的共同制约。建筑能耗的计算方法分为两大类:一类是建立在非稳定传热理论基础上的动态逐时模拟法,这类方法对各种因素考虑较细,需要当地的典型年气象参数;还有一类计算方法是简易计算法。计算采暖能耗时,由于采暖计算期时间较长,温度的日际波动周期较长,围护结构蓄热对采暖计算期耗热量的影响很小,在采暖计算期可以不考虑围护结构的蓄热影响,而且,一般只需知道建筑物在采暖计算期的单位面积耗热量,并不需要知道耗热量随时间的变化,所以可以用稳态传热计算。然而,空调能耗的简易计算不能建立在稳态传热的基础上,因此又研究出以动态传热为基础,分解各参数,建立起简化公式进行能耗计算的一些方法。

1 几种常用的建筑能耗计算与评价方法

1.1 DOE-2模拟计算软件

DOE-2软件由美国劳伦斯伯克力国家实验室和James J.Hirsch联盟合作开发,得到美国能源部和电力研究所的支助,是大众化的建筑能耗模拟计算程序。1994年推出DOE-2.1E版,采用反应系数法计算建筑物的采暖空调负荷及耗电量的程序。DOE-2用传递系数的方法,假定室内温度为常数,计算建筑的冷热负荷,可以确定系统和设备的逐时能耗值。

DOE-2的应用比较成熟和普及,目前我国夏热冬冷和夏热冬暖地区的建筑节能设计进行动态计算时大都采用DOE-2软件,而且DOE-2也是进行建筑能耗研究分析的主要程序手段。但DOE-2的计算需要经过专业培训,计算人员要有建筑热工、暖通空调及计算机的专业基础,而且对建筑物的资料输入比较严密,所以对大部分设计人员来说存在不少困难。

1.2 DeST模拟计算软件

建筑热环境设计模拟工具包DeST是由清华大学建筑学院建筑技术科学系开发的用于建筑热环境设计模拟分析的软件,该软件采用“全工况分析”,对建筑的热环境、设备的性能进行全年逐时动态模拟分析,该软件又是分阶段的模拟工具,对空调系统的设计过程,分建筑设计阶段、系统方案设计阶段、设备选择阶段、输配系统设计阶段进行模拟。DeST也是根据各地三十年气象参数建立标准气象年,作为室外气象条件。

1.3 OTTV方法

美国采暖通风与空调协会(ASHRAE)最早提出建筑围护结构总传热量指标OT TV(Overall Thermal Transfer Value)的概念。在亚洲,新加坡依据ASHRAE标准90～75和90 A～80 A,结合新加坡的气候条件和工程实际,1979年最先采用OTTV作为围护结构的综合指标。20世纪80年代～90年代初东南亚联盟的一些国家,印度尼西亚、马来西亚、菲律宾、巴基斯坦和泰国参照新加坡的形式,制定了自己的建筑节能标准。同时,澳大利亚和中亚如牙买加、象牙海岸也使用OTTV作为节能设计的标准。

1.4 EHTV 法

建筑围护结构传热量指标(Envelop Heat Transfer Value)是单位建筑面积通过各围护结构的传热量。EHTV指标中考虑了外墙、外窗、屋面的温差传热及太阳辐射热作用,也包括了围护结构在动态热作用下的蓄热和放热影响。EHTV简化计算的基础是将这些动态热作用分解为等效温差、标准窗太阳辐射得热等参数,而且系统地提出外遮阳系数,简化了建筑遮阳对外窗太阳辐射得热的计算方法。

夏热冬暖地区的建筑节能设计标准已采用规定性指标及性能性指标进行节能设计,EHTV法简化了能耗计算方法,适用于性能性指标的设计。基准EHTV指标则创新地解决了受规划要求、地形、使用条件等限制的各种体形建筑节能控制指标相同带来的矛盾,明确建筑节能设计的关键是提高围护结构的保温隔热水平及设备能效比。

1.5 等价开窗率和平均热传透率法

等价开窗率定义为:建筑物围护结构各方向经太阳辐射得热、遮阳、通风修正后的开窗面积,与建筑外围护结构总面积的比值。“等价”的概念是以太阳辐射得热为基准,控制开窗率来减少室内得热,因此等价开窗率代表围护结构的遮阳性能。对于宿舍类建筑,因为空调及室内使用情况复杂,有的使用中央空调,有的使用窗式机或分体机,有的不使用空调,空调耗能量难以预测。因此,使用代表围护结构遮阳性能的等价开窗率和代表围护结构隔热性能的平均热传透率作为节能设计指标。等价开窗率指标的特点是考虑了通风的影响,但不足的是,等价开窗率和平均热传透率为孤立的参数,缺少内在联系。

1.6 其他方法

1)有效传热系数法。我国寒冷地区采暖居住建筑的建筑节能耗热量的计算采用有效传热系数法,采暖耗热量指标包括围护结构传热耗热量、空气渗透耗热量、内部得热。

2)围护结构性能参数法。ASHRAR90.1-1999标准为多层住宅节能设计标准,采用的就是围护结构性能参数的方法。虽然是简化的计算方法,但仍然难以理解和应用。

3)采暖年耗电指数法。JGJ 75-2003夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准,参照关岛的围护结构性能参数的方法,提出空调采暖年耗电指数的方法。该方法除围护结构的参数外,考虑了换气次数对能耗的影响,空调采暖年耗电指数为无量纲数,它与空调采暖年耗电量基本成正比。

2 结语

我国地域辽阔,气候分布差异很大,可以说覆盖了地球上的各种气候特点。目前我国节能设计标准中采用的能耗计算方法不同。其中,动态计算方法涉及较深的传热原理、复杂的计算工具(程序)及繁琐的输入过程,需要专门学习。使用程序时输入量大和繁琐,输出信息多,难以看懂。此外在一般建筑设计时采用动态模拟软件的成本也较高,难以普及推广。简易计算评价方法具有使用方便灵活的特点,但有些指标与建筑能耗之间缺乏联系,也不保证这些指标与建筑耗能量的线性关系,加之有些指标的计算结果与精确的模拟计算值之间的误差较大。此外,在进行建筑节能计算和评价时,同一地区还存在使用相同的围护结构设计,由于建筑体形系数的差异,有的建筑符合节能要求,有的建筑不满足节能要求,目前的节能评价指标难以解决这个矛盾。因此建筑耗能计算和评价方法仍然需要推陈出新,逐步完善。

[1]王立雄.建筑节能[M].北京:中国建筑工业出版社,2004:2-53.

[2]朱昌廉.住宅建筑设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,1999:15-27.

[3]沈致和.住宅节能原理与设计[M].合肥:安徽科学与技术出版社,2006:3-48.

[4]贾 磊.谈节能建筑的设计[J].山西建筑,2009,35(4):259-260.

[5]李德英.建筑节能技术[M].北京:机械工业出版社,2006:126-225.