建筑能耗的模擬與分析

建筑能耗的模擬與分析摘要：目前，在緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源短缺矛盾的各種途徑中，建筑節(jié)能被認(rèn)為是最直接有效的方式。建筑節(jié)能是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要組成部分，辦公建筑由于其能耗比較高、節(jié)能潛力大更是建筑節(jié)能的重點(diǎn)。建筑設(shè)計(jì)過程的節(jié)能考慮十分重要，建筑能耗模擬也正對(duì)建筑設(shè)計(jì)過程中的節(jié)能決策發(fā)揮著越來越重要的作用。在這種背景下，建筑能耗模擬技術(shù)作為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中強(qiáng)有力的工具，得到了前所未有的重視。關(guān)鍵詞：建筑能耗；模擬軟件；能耗模擬與分析的應(yīng)用正文首先談一下建筑能耗的概念。建筑能耗有兩種定義方法：廣義建筑能耗是指從建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全過程能耗。狹義的建筑能耗，即建筑的運(yùn)行能耗，就是人們?nèi)粘Ｓ媚?，如采暖、空調(diào)、照明、炊事、洗衣等的能耗，他是建筑能耗中的主導(dǎo)部分。隨著經(jīng)濟(jì)收入的增長(zhǎng)和生活質(zhì)量的提高，建筑消費(fèi)的重點(diǎn)將從"硬件（裝修和耐用的消費(fèi)品）〃消費(fèi)轉(zhuǎn)向"軟件（功能和環(huán)境品質(zhì)）〃消費(fèi)，因此保障室內(nèi)空氣品質(zhì)所需的能耗（空調(diào)、通風(fēng)、采暖、熱水供應(yīng)）將會(huì)迅速上升。而在建筑能耗中，空調(diào)能耗又占有主要比例，約為2/3左右。建筑能耗與工業(yè)能耗、農(nóng)業(yè)能耗及交通運(yùn)輸能耗共稱為民生能耗，我國空調(diào)能耗占有總能耗的22%左右。建筑能耗包括室內(nèi)能耗、新風(fēng)能耗、附加能耗。室內(nèi)能耗包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗、空氣滲透能耗、室內(nèi)熱源散熱形成的能耗。具體的計(jì)算可參照《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行計(jì)算?？照{(diào)區(qū)的建筑能耗，應(yīng)根據(jù)所服務(wù)空調(diào)區(qū)的同時(shí)使用情況、空調(diào)系統(tǒng)的類型及調(diào)節(jié)方式，按各空調(diào)區(qū)逐時(shí)能耗的綜合最大值或各空調(diào)區(qū)能耗的累計(jì)值確定，并應(yīng)計(jì)入各項(xiàng)有關(guān)的附加能耗。各空調(diào)區(qū)逐時(shí)能耗模擬的綜合最大值，是從同時(shí)使用的各空調(diào)區(qū)逐時(shí)能耗相加之后得到的數(shù)列中找出最大值；各空調(diào)區(qū)能耗的累計(jì)值，即找出各空調(diào)區(qū)逐時(shí)能耗的最大值并將它們相加在一起，而不考慮它們是否同時(shí)發(fā)生。建筑環(huán)境是由室外的氣候條件、室內(nèi)的各種熱源的發(fā)熱狀況以及室內(nèi)外通風(fēng)狀況所決定的。建筑環(huán)境控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況也必須隨著建筑環(huán)境狀況的變化而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)滿足舒適性以及其它要求的建筑環(huán)境。由于建筑環(huán)境的變化是由眾多因素所決定的一個(gè)復(fù)雜過程，因此只有通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的方法才能有效地預(yù)測(cè)建筑環(huán)境在沒有環(huán)境控制系統(tǒng)時(shí)和存在環(huán)境控制系統(tǒng)時(shí)可能出現(xiàn)的狀況。建筑能耗模擬除了需要建筑設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)氐氖彝鈿庀筚Y料也是非常重要的信息。建筑能耗模擬是全年8760h逐時(shí)的動(dòng)態(tài)模擬，因此需要逐時(shí)的氣象數(shù)據(jù)。建筑能耗模擬所需要的氣象參數(shù)包括太陽輻射、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、云量、大氣壓力等約10到13種數(shù)據(jù)。模擬往往采用典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)。典型氣象年的數(shù)據(jù)可以根據(jù)過去多年的氣象數(shù)據(jù)，通過一定的方法建立。模擬軟件是建筑能耗模擬的工具?，F(xiàn)在有許多個(gè)大型工程中得到應(yīng)用。不同類型的模擬軟件，各個(gè)軟件有各自的特點(diǎn)，并且面對(duì)眾多的模擬軟件，要進(jìn)行比較和做出選擇并還在不斷的發(fā)展。有些模擬軟件計(jì)算詳細(xì)精確，但是不容易。選擇軟件時(shí)首先要考慮清楚所要解決的問使用起來很復(fù)雜，要求的專業(yè)知識(shí)較高，它們?cè)谶^去通常用于研究目的，例如DOE-2,BLAST,ESP-r,TRN-SYS和Energy-Plus。這些詳細(xì)的建筑能耗模擬軟件通常是逐時(shí)、逐區(qū)模擬建筑能耗，考慮了影響建筑能耗的各個(gè)因素，如建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、HVAC系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。在建筑物壽命周期分析（LCC）中，建筑能耗模擬軟件可對(duì)建筑物壽命周期的各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，包括設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)、管理。另外還有一些相對(duì)簡(jiǎn)單的軟件，例如Energy-10，ENER-WIN和EnergyScheming等。這些軟件可以進(jìn)行建筑全年能耗的評(píng)估，用于系統(tǒng)方案的比較選擇。在國內(nèi)，清華大學(xué)的建筑能耗模擬軟件Dest影響較大，并已經(jīng)在幾個(gè)大型工程中得到應(yīng)用。面對(duì)眾多的模擬軟件，要進(jìn)行比較和做出選擇并不容易。選擇軟件時(shí)首先要考慮清楚所要解決的問題，軟件并非功能越強(qiáng)大就越好，因?yàn)檫@種軟件往往更昂貴，并且由于使用復(fù)雜而更易出錯(cuò)。另外要考慮軟件使用的成本，包括培訓(xùn)、計(jì)算機(jī)資源等。建筑能耗模擬的主要應(yīng)用之一是建筑物能耗預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)優(yōu)化。對(duì)于一個(gè)建筑物來說，建筑造型及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)它的能耗有決定性的影響。它們直接影響到建筑物與室外環(huán)境的熱量傳遞、自然通風(fēng)、自然采光，而與這些相關(guān)的負(fù)荷占建筑采暖通風(fēng)空調(diào)負(fù)荷的70%以上。因此，不同的建筑設(shè)計(jì)形式將導(dǎo)致很大的能耗差別。但是建筑設(shè)計(jì)形式對(duì)能耗的影響是復(fù)雜的，很難簡(jiǎn)單地進(jìn)行判斷。例如加大外窗的面積可以增加自然采光，冬天可以增加太陽輻射熱量，減少采暖能耗，但夜晚又會(huì)增加向室外的傳熱，增大采暖能耗；夏季還會(huì)增加室內(nèi)的得熱量，增大空調(diào)的能耗。這樣要判斷建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)劣必須依靠計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)能耗模擬。目前，國內(nèi)已經(jīng)有越來越多的人開始利用建筑節(jié)能技術(shù)耗模擬技術(shù)來分析建筑設(shè)計(jì)與能耗的關(guān)系。魏玲等人利用建筑能耗模擬分析了窗戶對(duì)建筑能耗的影響，得到了減少南京地區(qū)全年空調(diào)建筑物由熱傳遞及太陽輻射引起的窗戶能耗的3條措施。陳紅兵等人利用軟件研究了天津地區(qū)窗戶對(duì)建筑能耗的影響。周孝清等人利用DOE-2軟件對(duì)廣州一辦公樓的不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了能耗模擬，提出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。劉洋等人利用Energy-Plus軟件對(duì)天津某住宅小區(qū)的建筑能耗進(jìn)行了模擬，并與實(shí)測(cè)結(jié)果比較，肯定了對(duì)Energy-Plus建筑設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。曹毅然等人利用DEST軟件模擬分析了上?；炷疗鰤K別墅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能及其對(duì)建筑物能耗的影響，并給出了節(jié)能的方案。吳靖杰等人在一個(gè)節(jié)能住宅單體設(shè)計(jì)過程前期運(yùn)用DOE-2進(jìn)行建筑能耗模擬，并以計(jì)算結(jié)果為指導(dǎo)，結(jié)合實(shí)際做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。空調(diào)系統(tǒng)的性能預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)優(yōu)化也是建筑能耗模擬的主要應(yīng)用之一。目前空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一般通過計(jì)算出最大的冷負(fù)荷來確定設(shè)備容量和數(shù)量。但實(shí)際上空調(diào)系統(tǒng)要運(yùn)行在各種氣候條件和室內(nèi)使用方式下，它大部分運(yùn)行時(shí)間不是在最大負(fù)荷而是在部分負(fù)荷下運(yùn)行。這些部分負(fù)荷工況的特點(diǎn)不同，使得空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中常常出現(xiàn)問題。如果能在空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)能耗模擬，了解可能出現(xiàn)的各種工況，在設(shè)計(jì)中就可以選擇合理的系統(tǒng)形式，確定合適的設(shè)備容量和數(shù)量，采取有效的控制方案，從而使設(shè)計(jì)優(yōu)化。另外，建筑能耗模擬對(duì)于建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施也發(fā)揮重要作用。美國的DOE-2是目前最精確的動(dòng)態(tài)模擬軟件，它參與了許多國家的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)制定。我國頒布的《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》在制定過程中，也采用了DOE-2進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算。另外，在評(píng)估一個(gè)設(shè)計(jì)方案是否滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，同樣少不了模擬軟件的幫助。結(jié)論：建筑能耗雖然只占整個(gè)中國的能耗消耗的一小部分，但對(duì)于整個(gè)大中國來說，這一部分分也不是一個(gè)小數(shù)字，通過對(duì)建筑能耗的模擬與分析，建立合理的建筑節(jié)能體系，不僅可以使建筑更節(jié)能，緩解能源危機(jī)，好的