建筑能耗計算與評價方法分析

張 瑋

0 引言

建筑節能,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到節約能源、減少能耗的目的。據了解,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達國家的1/3左右。預計到2020年年底,全國住宅建筑面積將新增250億m2～300億m2,如果延續目前的耗能狀況,每年將消耗1.2萬億kWh電和4.1億t標準煤,接近目前全國建筑能耗的3倍。建筑節能已是迫在眉睫。

建筑耗能計算與評價方法是建筑節能工作的基礎,建筑能耗受當地氣候條件、建筑熱環境質量、圍護結構熱工性能、空調采暖設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:一類是建立在非穩定傳熱理論基礎上的動態逐時模擬法,這類方法對各種因素考慮較細,需要當地的典型年氣象參數;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,圍護結構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構的蓄熱影響,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,所以可以用穩態傳熱計算。然而,空調能耗的簡易計算不能建立在穩態傳熱的基礎上,因此又研究出以動態傳熱為基礎,分解各參數,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聯盟合作開發,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,采用反應系數法計算建筑物的采暖空調負荷及耗電量的程序。DOE-2用傳遞系數的方法,假定室內溫度為常數,計算建筑的冷熱負荷,可以確定系統和設備的逐時能耗值。

DOE-2的應用比較成熟和普及,目前我國夏熱冬冷和夏熱冬暖地區的建筑節能設計進行動態計算時大都采用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的計算需要經過專業培訓,計算人員要有建筑熱工、暖通空調及計算機的專業基礎,而且對建筑物的資料輸入比較嚴密,所以對大部分設計人員來說存在不少困難。

1.2 DeST模擬計算軟件

建筑熱環境設計模擬工具包DeST是由清華大學建筑學院建筑技術科學系開發的用于建筑熱環境設計模擬分析的軟件,該軟件采用“全工況分析”,對建筑的熱環境、設備的性能進行全年逐時動態模擬分析,該軟件又是分階段的模擬工具,對空調系統的設計過程,分建筑設計階段、系統方案設計階段、設備選擇階段、輸配系統設計階段進行模擬。DeST也是根據各地三十年氣象參數建立標準氣象年,作為室外氣象條件。

1.3 OTTV方法

美國采暖通風與空調協會(ASHRAE)最早提出建筑圍護結構總傳熱量指標OT TV(Overall Thermal Transfer Value)的概念。在亞洲,新加坡依據ASHRAE標準90～75和90 A～80 A,結合新加坡的氣候條件和工程實際,1979年最先采用OTTV作為圍護結構的綜合指標。20世紀80年代～90年代初東南亞聯盟的一些國家,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能標準。同時,澳大利亞和中亞如牙買加、象牙海岸也使用OTTV作為節能設計的標準。

1.4 EHTV 法

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

夏熱冬暖地區的建筑節能設計標準已采用規定性指標及性能性指標進行節能設計,EHTV法簡化了能耗計算方法,適用于性能性指標的設計。基準EHTV指標則創新地解決了受規劃要求、地形、使用條件等限制的各種體形建筑節能控制指標相同帶來的矛盾,明確建筑節能設計的關鍵是提高圍護結構的保溫隔熱水平及設備能效比。

1.5 等價開窗率和平均熱傳透率法

等價開窗率定義為:建筑物圍護結構各方向經太陽輻射得熱、遮陽、通風修正后的開窗面積,與建筑外圍護結構總面積的比值。“等價”的概念是以太陽輻射得熱為基準,控制開窗率來減少室內得熱,因此等價開窗率代表圍護結構的遮陽性能。對于宿舍類建筑,因為空調及室內使用情況復雜,有的使用中央空調,有的使用窗式機或分體機,有的不使用空調,空調耗能量難以預測。因此,使用代表圍護結構遮陽性能的等價開窗率和代表圍護結構隔熱性能的平均熱傳透率作為節能設計指標。等價開窗率指標的特點是考慮了通風的影響,但不足的是,等價開窗率和平均熱傳透率為孤立的參數,缺少內在聯系。

1.6 其他方法

1)有效傳熱系數法。我國寒冷地區采暖居住建筑的建筑節能耗熱量的計算采用有效傳熱系數法,采暖耗熱量指標包括圍護結構傳熱耗熱量、空氣滲透耗熱量、內部得熱。

2)圍護結構性能參數法。ASHRAR90.1-1999標準為多層住宅節能設計標準,采用的就是圍護結構性能參數的方法。雖然是簡化的計算方法,但仍然難以理解和應用。

3)采暖年耗電指數法。JGJ 75-2003夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準,參照關島的圍護結構性能參數的方法,提出空調采暖年耗電指數的方法。該方法除圍護結構的參數外,考慮了換氣次數對能耗的影響,空調采暖年耗電指數為無量綱數,它與空調采暖年耗電量基本成正比。

2 結語

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。目前我國節能設計標準中采用的能耗計算方法不同。其中,動態計算方法涉及較深的傳熱原理、復雜的計算工具(程序)及繁瑣的輸入過程,需要專門學習。使用程序時輸入量大和繁瑣,輸出信息多,難以看懂。此外在一般建筑設計時采用動態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,但有些指標與建筑能耗之間缺乏聯系,也不保證這些指標與建筑耗能量的線性關系,加之有些指標的計算結果與精確的模擬計算值之間的誤差較大。此外,在進行建筑節能計算和評價時,同一地區還存在使用相同的圍護結構設計,由于建筑體形系數的差異,有的建筑符合節能要求,有的建筑不滿足節能要求,目前的節能評價指標難以解決這個矛盾。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。

[1]王立雄.建筑節能[M].北京:中國建筑工業出版社,2004:2-53.

[2]朱昌廉.住宅建筑設計原理[M].北京:中國建筑工業出版社,1999:15-27.

[3]沈致和.住宅節能原理與設計[M].合肥:安徽科學與技術出版社,2006:3-48.

[4]賈 磊.談節能建筑的設計[J].山西建筑,2009,35(4):259-260.

[5]李德英.建筑節能技術[M].北京:機械工業出版社,2006:126-225.