張 瑋

0 引言

建筑節(jié)能,就是在滿足居住舒適性要求的前提下,合理使用能源,不斷提高能源利用效率并達(dá)到節(jié)約能源、減少能耗的目的。據(jù)了解,目前我國住宅建筑使用的能耗約占全國總能耗的26%,同時建筑能源利用率僅為發(fā)達(dá)國家的1/3左右。預(yù)計到2020年年底,全國住宅建筑面積將新增250億m2～300億m2,如果延續(xù)目前的耗能狀況,每年將消耗1.2萬億kWh電和4.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤,接近目前全國建筑能耗的3倍。建筑節(jié)能已是迫在眉睫。

建筑耗能計算與評價方法是建筑節(jié)能工作的基礎(chǔ),建筑能耗受當(dāng)?shù)貧夂驐l件、建筑熱環(huán)境質(zhì)量、圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、空調(diào)采暖設(shè)備性能和使用管理等諸多因素的共同制約。建筑能耗的計算方法分為兩大類:一類是建立在非穩(wěn)定傳熱理論基礎(chǔ)上的動態(tài)逐時模擬法,這類方法對各種因素考慮較細(xì),需要當(dāng)?shù)氐牡湫湍隁庀髤?shù);還有一類計算方法是簡易計算法。計算采暖能耗時,由于采暖計算期時間較長,溫度的日際波動周期較長,圍護結(jié)構(gòu)蓄熱對采暖計算期耗熱量的影響很小,在采暖計算期可以不考慮圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱影響,而且,一般只需知道建筑物在采暖計算期的單位面積耗熱量,并不需要知道耗熱量隨時間的變化,所以可以用穩(wěn)態(tài)傳熱計算。然而,空調(diào)能耗的簡易計算不能建立在穩(wěn)態(tài)傳熱的基礎(chǔ)上,因此又研究出以動態(tài)傳熱為基礎(chǔ),分解各參數(shù),建立起簡化公式進行能耗計算的一些方法。

1 幾種常用的建筑能耗計算與評價方法

1.1 DOE-2模擬計算軟件

DOE-2軟件由美國勞倫斯伯克力國家實驗室和James J.Hirsch聯(lián)盟合作開發(fā),得到美國能源部和電力研究所的支助,是大眾化的建筑能耗模擬計算程序。1994年推出DOE-2.1E版,采用反應(yīng)系數(shù)法計算建筑物的采暖空調(diào)負(fù)荷及耗電量的程序。DOE-2用傳遞系數(shù)的方法,假定室內(nèi)溫度為常數(shù),計算建筑的冷熱負(fù)荷,可以確定系統(tǒng)和設(shè)備的逐時能耗值。

DOE-2的應(yīng)用比較成熟和普及,目前我國夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計進行動態(tài)計算時大都采用DOE-2軟件,而且DOE-2也是進行建筑能耗研究分析的主要程序手段。但DOE-2的計算需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn),計算人員要有建筑熱工、暖通空調(diào)及計算機的專業(yè)基礎(chǔ),而且對建筑物的資料輸入比較嚴(yán)密,所以對大部分設(shè)計人員來說存在不少困難。

1.2 DeST模擬計算軟件

建筑熱環(huán)境設(shè)計模擬工具包DeST是由清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)系開發(fā)的用于建筑熱環(huán)境設(shè)計模擬分析的軟件,該軟件采用“全工況分析”,對建筑的熱環(huán)境、設(shè)備的性能進行全年逐時動態(tài)模擬分析,該軟件又是分階段的模擬工具,對空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計過程,分建筑設(shè)計階段、系統(tǒng)方案設(shè)計階段、設(shè)備選擇階段、輸配系統(tǒng)設(shè)計階段進行模擬。DeST也是根據(jù)各地三十年氣象參數(shù)建立標(biāo)準(zhǔn)氣象年,作為室外氣象條件。

1.3 OTTV方法

美國采暖通風(fēng)與空調(diào)協(xié)會(ASHRAE)最早提出建筑圍護結(jié)構(gòu)總傳熱量指標(biāo)OT TV(Overall Thermal Transfer Value)的概念。在亞洲,新加坡依據(jù)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)90～75和90 A～80 A,結(jié)合新加坡的氣候條件和工程實際,1979年最先采用OTTV作為圍護結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo)。20世紀(jì)80年代～90年代初東南亞聯(lián)盟的一些國家,印度尼西亞、馬來西亞、菲律賓、巴基斯坦和泰國參照新加坡的形式,制定了自己的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。同時,澳大利亞和中亞如牙買加、象牙海岸也使用OTTV作為節(jié)能設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 EHTV 法

建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱量指標(biāo)(Envelop Heat Transfer Value)是單位建筑面積通過各圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量。EHTV指標(biāo)中考慮了外墻、外窗、屋面的溫差傳熱及太陽輻射熱作用,也包括了圍護結(jié)構(gòu)在動態(tài)熱作用下的蓄熱和放熱影響。EHTV簡化計算的基礎(chǔ)是將這些動態(tài)熱作用分解為等效溫差、標(biāo)準(zhǔn)窗太陽輻射得熱等參數(shù),而且系統(tǒng)地提出外遮陽系數(shù),簡化了建筑遮陽對外窗太陽輻射得熱的計算方法。

夏熱冬暖地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)已采用規(guī)定性指標(biāo)及性能性指標(biāo)進行節(jié)能設(shè)計,EHTV法簡化了能耗計算方法,適用于性能性指標(biāo)的設(shè)計。基準(zhǔn)EHTV指標(biāo)則創(chuàng)新地解決了受規(guī)劃要求、地形、使用條件等限制的各種體形建筑節(jié)能控制指標(biāo)相同帶來的矛盾,明確建筑節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵是提高圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱水平及設(shè)備能效比。

1.5 等價開窗率和平均熱傳透率法

等價開窗率定義為:建筑物圍護結(jié)構(gòu)各方向經(jīng)太陽輻射得熱、遮陽、通風(fēng)修正后的開窗面積,與建筑外圍護結(jié)構(gòu)總面積的比值?！暗葍r”的概念是以太陽輻射得熱為基準(zhǔn),控制開窗率來減少室內(nèi)得熱,因此等價開窗率代表圍護結(jié)構(gòu)的遮陽性能。對于宿舍類建筑,因為空調(diào)及室內(nèi)使用情況復(fù)雜,有的使用中央空調(diào),有的使用窗式機或分體機,有的不使用空調(diào),空調(diào)耗能量難以預(yù)測。因此,使用代表圍護結(jié)構(gòu)遮陽性能的等價開窗率和代表圍護結(jié)構(gòu)隔熱性能的平均熱傳透率作為節(jié)能設(shè)計指標(biāo)。等價開窗率指標(biāo)的特點是考慮了通風(fēng)的影響,但不足的是,等價開窗率和平均熱傳透率為孤立的參數(shù),缺少內(nèi)在聯(lián)系。

1.6 其他方法

1)有效傳熱系數(shù)法。我國寒冷地區(qū)采暖居住建筑的建筑節(jié)能耗熱量的計算采用有效傳熱系數(shù)法,采暖耗熱量指標(biāo)包括圍護結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量、空氣滲透耗熱量、內(nèi)部得熱。

2)圍護結(jié)構(gòu)性能參數(shù)法。ASHRAR90.1-1999標(biāo)準(zhǔn)為多層住宅節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),采用的就是圍護結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的方法。雖然是簡化的計算方法,但仍然難以理解和應(yīng)用。

3)采暖年耗電指數(shù)法。JGJ 75-2003夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),參照關(guān)島的圍護結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的方法,提出空調(diào)采暖年耗電指數(shù)的方法。該方法除圍護結(jié)構(gòu)的參數(shù)外,考慮了換氣次數(shù)對能耗的影響,空調(diào)采暖年耗電指數(shù)為無量綱數(shù),它與空調(diào)采暖年耗電量基本成正比。

2 結(jié)語

我國地域遼闊,氣候分布差異很大,可以說覆蓋了地球上的各種氣候特點。目前我國節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中采用的能耗計算方法不同。其中,動態(tài)計算方法涉及較深的傳熱原理、復(fù)雜的計算工具(程序)及繁瑣的輸入過程,需要專門學(xué)習(xí)。使用程序時輸入量大和繁瑣,輸出信息多,難以看懂。此外在一般建筑設(shè)計時采用動態(tài)模擬軟件的成本也較高,難以普及推廣。簡易計算評價方法具有使用方便靈活的特點,但有些指標(biāo)與建筑能耗之間缺乏聯(lián)系,也不保證這些指標(biāo)與建筑耗能量的線性關(guān)系,加之有些指標(biāo)的計算結(jié)果與精確的模擬計算值之間的誤差較大。此外,在進行建筑節(jié)能計算和評價時,同一地區(qū)還存在使用相同的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計,由于建筑體形系數(shù)的差異,有的建筑符合節(jié)能要求,有的建筑不滿足節(jié)能要求,目前的節(jié)能評價指標(biāo)難以解決這個矛盾。因此建筑耗能計算和評價方法仍然需要推陳出新,逐步完善。

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