围护结构变迁对建筑能耗影响与节能量计算

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1、工业大学毕业设计任务书课题名称围护结构变迁对建筑能耗影响及节能量计算1 / 88毕业设计论文的工作容:（1） 学习DeST软件；（2） 制定研究方案；（3） 建立模型和进行能耗模拟；（4） 节能量计算；（5） 英文翻译。起止时间：2009年2月16日至2009年6月17日共17.5周指 导 教 师签 字系 主 任签 字院 长签 字填写说明：任务书封面请用鼠标点中各栏目横线后将信息填入,字体设定为楷体GB2312、四号字；在填写毕业设计论文容时字体设定为楷体GB2312、小四号字。摘 要 建筑节能在可持续发展中占据越来越重要的地位,为了充分了解影响建筑节能的主要因素和实施建筑节能对实现马市十一五

2、期间节能减排目标的贡献率有多大,本论文进行了相关的研究与探讨。论文的主要容包括：建筑节能相关知识的概述,能耗理论的简介及能耗模拟方法的选择,基本模型的建立及分析,节能量的计算等等。具体容及成果如下：1.在充分了解建筑能耗分析软件DeST的功能、基本原理的基础上,通过DeST建筑能耗软件模拟及一元线性回归方法,研究了围护结构的变迁对于建筑能耗的影响,得到了省四个城市、和马的居住建筑采暖、空调及全年总耗电量的预测方程,通过分析得知：1城市住宅外墙、外窗、屋顶和地面的传热系数与全年空调、采暖及总耗电量都成一次线性关系,相关系数大部分都在0.98以上。2马市住宅外墙、外窗、屋面和地面的变迁对节能目标的

3、贡献率分别为11.97%、21.25%、2.63%和0.05%,总计35.90%,已经实现了围护结构整体节能35%的目标。2.该文通过采信法定机构发布的统计数据,设定十一五期间马市建筑节能工作情景,分析测算了马市十一五期间建筑能耗发展情况、建筑能耗及节能量指标,并计算了该期间实现节能目标的直接经济和环境影响,计算结果表明：1在本文设定的建筑节能情景下,十一五期间马市建筑节能总量为52.90万吨标煤,共节省49831.8万元,共减排54.35万吨二氧化碳、2993.4吨二氧化硫、178.1吨PM10。2 马市十一五建筑节能对马市20XX实现万元GDP能耗比十五期末降低18%以上目标的贡献率为4.

4、18%,二氧化硫排放比十五期末降低10%目标的贡献率为17.56%。关键词：建筑节能 节能量 能耗模拟 贡献率ABSTRACT Building energy efficiency has played more and more important role in sustainable development,it is studied and discussed in this paper so as to understand the main factor that affects energy saving and the contribution ratio of buildin

5、g energy efficiency for Maanshan in 11th Five-Year Plan to the target of energy saving and emission reduction sufficiently. The paper mainly includes:summarizing knowledge about building energy efficiency, the theory of energy consumption is briefly introduced and the choice of energy simulation met

6、hod, building basic model, calculating energy saving quantity, and so on. the specific contents and fruits are as follows:1.Basedonunderstanding functions and basic principle of building energy simulation-analysis software-DeST fully, Using the dynamic energy simulation software ofDeST method, the e

7、ffect of the variance of enclosure structure on the building energy consumption is studied.alsothree multiple linear regression equations which could indicate the relationships among the electricity consumption of air condition ,heating and the sum of both in a whole year for four cities of Anhui pr

8、ovince are achieved. Theresult is as follows: A sublinear relationshipexists between the heat transfer coefficient and the annual electricity consumption of air condition, heating and the sum of both, most of the correlation coefficient is above 0.98. The contribution rate to the energy efficiency g

9、oal reached by the variance of the external wall, external window, roofing and ground in Maanshan is 11.97%、21.25%、2.63% and 0.05% respectively, the total is 35.90%,the target of overall energy-saving 35% is achieved.2. In this paper, the developing situation of building energy consumption, building

10、 energy consumption and energy-saving index for Maanshan in 11th Five Plan are analyzed and calculated through the statistics date published by statutory bodies and pre-setting work scenarios of energy efficiency for Maanshan in 11th Five-Year Plan. The direct economicand environmental effect of the

11、 energy efficiency goal for maanshan in 11th Five-Year Plan is also analyzed and calculated in the paper. Calculating result indicates: Under the pre-setting work scenarios of energy efficiency in this paper, the total energy saving quantity is 52.90 million tons of standard coal,altogether saves 49

12、831.8 million yuan, a total of 54.35 million tons of dioxide emission reduction, 2993.4 tons of sulfur dioxide and 178.1 tons of PM10 emission reduction. Energy efficiency for maanshan in 11th Five-Year Plan payed 4.18% contribution ratio to the target of 18% less energy consumption and 17.56% contr

13、ibution ratio to the target of 10% less sulfur dioxide rejection per 10,000RMB GDP till 2010 compared to 2005 under the pre-setting work scenarios of energy efficiency . Key words: Building energy efficiency;Energy saving quantity; Energy consumption simulation; Contribution ratio.目录第一章绪论11.1 研究背景11

14、.1.2 我国建筑节能工作的迫切性21.1.3 建筑节能政策31.1.4 我国夏热冬冷地区设计指标41.2 研究容的提出和相关概念81.2.1 问题一：围护结构变迁对建筑能耗影响81.2.2 问题二：节能量81.3 研究容和意义91.3.1 研究容和技术路线91.3.2 研究意义111.3.3 论文的结构11第二章能耗分析122.1 能耗分析的背景122.2 能耗分析方法的发展122.2.1 静态能耗分析法132.2.2 动态能耗分析法132.3 能耗分析的目的及意义142.4 能耗模拟软件 DeST的介绍142.4.1 DeST的理论基础152.4.2 DeST软件的使用介绍192.5 本章

15、小结22第三章围护结构变迁对建筑能耗影响分析233.1 前言233.2 研究方法233.2.1 建立模型233.2.2 选用研究工具253.2.3 确定输入参数253.3 外墙热工性能参数变化对建筑能耗影响253.3.1 外墙热工性能参数变化253.3.2 结果与分析283.4 屋面热工性能参数变化对建筑能耗影响313.4.1 屋面热工性能参数变化313.4.2结果与分析323.5 地面热工性能参数变化对建筑能耗影响343.6窗户变迁对建筑能耗影响373.6.1窗户热工性能变化对建筑能耗的影响373.6.2通风次数变化对建筑能耗的影响403.7各围护结构变迁对实现围护结构整体节能35%目标的贡

16、献率433.8本章小结44第四章马市建筑节能的节能量计算454.1建筑能耗测算的基础依据454.1.1基础数据来源454.1.2测算的基准454.2十一五期间建筑节能工作情景设定464.3十一五期间全市民用建筑能耗及建筑量测算474.3.1测算方法474.3.3各类民用建筑能耗强度确定484.3.4 马市十一五期间各类民用建筑能耗指标确定504.4 建筑节能对实现马市十一五节能指标贡献率514.4.1十一五期间马市建筑节能总量计算514.4.2马市建筑节能对十一五末实现节能减排目标的贡献率534.5本章小结55第五章结论与展望565.1结论565.2展望56参考文献58致60附录1翻译原文附录

17、2译文第一章 绪论1.1 研究背景按照国际通行的分类方法,建筑能耗是建筑物建成后,建筑能量系统即建筑采暖、空调、电器、照明和热水供应等的使用过程中,每年消耗的能量折合成一次能总和,也称建筑运行能耗。建筑能耗是一个国家总能耗的重要部分。发达国家建筑能耗占国家总能耗的比例约为30%-40%,中国也达到了25%,局部地区甚至超过了30%,日本达到了36.8%。其中采暖、空调、通风能耗约占2/3左右。CO2的排放量消耗一次能时排放的占总排放量的36.1%随着地球暖化和区域不稳定可能引发的能源危机,能效经济到来的速度正在加快。1.1.1 我国建筑能耗状况1在全世界日益增长的能源消耗中,无论发达国家还是发

18、展中国家,建筑能耗都是国家总能耗中较重大的一项,我国建筑能耗现状不容乐观,统计数字显示,我国城乡430多亿 m的建筑中,达到节能标准的仅占5%左右；即使是新建的建筑,也有90%以上属高能耗建筑,单位建筑面积采暖能耗是发到国家新建建筑能耗的3倍以上。2在全国建设小康社会目标的指引下,我国城市化将加速发展,人民生活水平不断提高,从1996年至20XX我国每年建成房屋达16亿20亿m2见表1.1。有关专家预测：21世纪开始的20年,建筑业仍将迅速发展,估算到2020年底,全国房屋建筑面积为686亿m2。表1.1 全国199620XX新建房屋面积单位：亿 m2年份全国房屋竣工面积城镇新建住宅面积农村新

19、建房屋面积199616.203.958.28199716.614.068.06199817.094.768.00199918.745.598.34200018.205.497.97续表1.1年份全国房屋竣工面积城镇新建住宅面积农村新建房屋面积200118.245.757.29200219.675.987.42在重视建造房屋积累财富的同时,房屋在约100年的使用期间,消耗大量的能源,产生大量的环境负荷。由于我国人口众多,生活条件不断改善,建筑建设规模逐年增加,建筑能耗数量十分巨大,所占全国能源消耗总量的比例也在逐步升高,见表1.2。表1.2 全国199620XX建筑能耗年份全国能源消耗总量Mtc

20、e建筑能耗Mtce建筑能耗所占比例%19961389.5334.724.119971381.7341.424.719981322.1345.726.119991301.2349.026.820001303.0350.426.920011349.1358.026.51.1.2 我国建筑节能工作的迫切性考虑到实际问题,即我国人口众多,能源资源相对缺乏,我国人均能源占有量仅为世界平均水平的40%。20XX的电荒、煤荒、油荒都在预示着同一个问题,中国的资源和环境乃至世界的资源和环境,不能支撑我们按照目前的能源消费方式来高速发展。尽管我国人均用能不及世界平均能耗水平的一半,但能源消费总量已达世界第二。随

21、着我国经济持续快速增长,建设事业发展迅速,到20XX,城镇人均建筑面积将达到26m,农村人均建筑面积将达到30 m.随着人民生活水平的逐步提高,对住宅的舒适度要求也越来越高,采暖和空调设备将不断增加,建筑能耗占总能耗的比例也会越来越大。因而,建筑节能在我国可持续发展中占有重要地位。1.1.3 建筑节能政策1国外建筑节能政策在美国,已经有了成熟的能耗分析软件以及规化的队伍,建筑设计都要进行能耗分析,并且有节能之星标准,这个标准实施已经有10 年了。它比美国标准能源法案要求更加节能30。通过这套标准的实施,在不增加初投资的前提下可以节省30%-50% 的能源消耗和50的建造时间。面对巨大的建筑能耗

22、,能源完全依赖进口的日本政府早在1979 年就颁布了关于能源合理化使用的法律,并于1992年和1999 年先后修订过两次。为了使所制定的法律得以执行,日本政府制定了许多具体可行的监督措施和必须执行的节能标准。并且于1997年11月就提出了20XX的节能目标,其中要求民用部门节能31,它们被细分为：建筑节能11、家电效率的提高节能8、生活习惯改善节能6、住宅节能5、照明效率的提高和高效率化液晶显示的采用等节能2。显然,建筑节能的幅度最大,约占1/3。法国是欧洲第一个制定建筑节能标准的国家,这个标准后来成为欧洲其他各国标准的模式。第一次石油危机发生后的1974 年,法国的第一个新建住宅建筑节能法规

23、出台；1976 年3月,以总理法令形式颁布了非住宅建筑用热能法规,1977 年又对其进行了补充,其适用面覆盖了除体育建筑以外的所有民用建筑、工业或农业建筑；1982 年第二个住宅节能法规出台,提出了在1974 年基础上再节能25的指标；从1980 年起,为了制定更完善的热能使用法规,开始进行一系列的研究和实验,实行了85 新建筑节能远景的研究项目；于1989 年完成了更详尽、更完善的建筑热能使用法规,提出再节能25的要求。目前使用的就是这一法规,其建筑累积节能率为1974年以前的61。芬兰建立了一套叫做能耗认证系统标准；俄罗斯在莫斯科也实行了一种叫做能耗护照的建筑节能规；西德政府于1976 年

24、颁布了建筑节能法；英国于1979年颁布了建筑节能法。2我国建筑节能政策相比之下,我国建筑节能起步较晚。直到1986年,我国才由建设部颁布实施了第一部旨在推动建筑节能工作的行业法规民用建筑节能设计标准采暖居住建筑部分JGJ26-86,节能率要求30%；1995 年12 月,建设部又发布了第二个节能标准民用建筑节能设计标准采暖居住建筑部分JGJ26-95,节能率要求50%；1993 年又出台了一部规旅游旅馆建筑节能设计的旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准GB50189-93。近年来,我国政府对建筑节能作了大量工作。于1998年1月1日起实施的中华人民国节约能源法第三十七条规定建筑物的设计和建造

25、应当依照有关法律、行政法规的规定,采用节能型的建筑结构、材料、器具和产品,提高保温隔热性能,减少采暖、制冷和照明的能耗。由建设部颁布的建筑节能九五计划和20XX规划、建筑节能技术政策规定夏热冬冷地区新建民用建筑20XX开始执行建筑热环境及节能标准。和要求夏热冬冷地区重点城镇在20XX开始成片建筑热环境和节能改造。为了贯彻居住建筑节能由北向南的战略,由建设部发布的国家行业标准夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ134-2001已于20XX10月1日执行。该标准是以改善室热环境为前提,从提高建筑物围护结构的保温隔热性能包括气密性以及提高采暖空调设备的能源利用效率两个方面,对我国夏热冬暖地区居住建

26、筑提出了综合节能50%的目标和要求,其中围护结构所占的比例高达35%。要达到规定目标,新建居住建筑围护结构选用标准和既有建筑围护结构改造是必由之路。因此,建筑围护结构节能技术存在着很大的潜在市场。1.1.4 我国夏热冬冷地区设计指标目前的建筑节能设计标准在保证实现建筑节能目标的前提下,具有一定的灵活性,即提供了两条节能设计达标的途径。一条途径是对建筑设计中的一些参数值如围护结构的热工性能、窗墙面积比、体形系数等进行了规定,即设定了规定性指标,通过规定性指标的强制性条款实现标准的节能要求。另一条途径是给出了建筑节能设计的性能型指标,如建筑物的耗热量、耗冷量指标,采暖年耗电量、空调年耗电量指标等,

27、只要建筑达到了性能性指标的要求即可判定它满足节能标准,即节能建筑。 规定性指标是工程界和有关部门在总结工程实践经验和科学研究成果的基础上,针对有代表性的典型工程条件,对工程的关键参数值作出规定,以标准、规的形式提供给工程设计人员。设计人员在设计时不用再做那些复杂的计算分析,而直接采用规定性指标进行设计。 规定性指标使设计人员摆脱了复杂高深的计算分析,大量节省了时间,在保证工程设计的和理性和成功方面有重大作用。但是规定性指标也有其不足的方面,由于确定规定性指标时,主要考虑普遍情况,规定性指标在一定围是普遍使用的、合理的。但是每一个工程都有其不同于普遍情况的特殊性,规定性指标对适用围的一个具体工程

28、,往往不是最佳的。即按规定性指标很难进行优化设计。另外,在某些特殊条件下,可能出现与规定性指标发生冲突的情况。新的工程技术、材料出现时或对工程有新要求时,最容易发生这种情况。甚至出现规定性指标阻碍技术应用和压抑设计人员创造性的情况。 而性能性指标在保证实现节能目标的前提下,为新技术的采用和具体项目的最优化创造了条件。规定性指标有室热环境的质量指标和建筑物的能耗指标两部分组成,对建筑的体形系数、窗墙面积比、围护结构的传热系数等技术参数不再作硬性规定,设计人员可自行确定具体的技术参数,只要使设计的建筑同时满足室热环境的质量标准和建筑物的能耗指标即可。性能性指标不拘泥于建筑围护结构各个局部的热工性能

29、,而是着眼于总体热工性能是否满足节能标准的要求。图1.1为规定性指标与性能性指标之间的相关性。图1.1 规定性指标和性能性指标1.1.5 围护结构建筑节能研究多年来,因片面地强调降低建筑造价,在建造居住建筑时,建筑围护结构单薄,窗缝隙过大,采暖能耗高。随着我国国民经济的迅速发展,国家对环境保护、节约能源,改善居住条件等问题重视,在节能方面也制定了一批相应的技术法规和标准规。但由于种种原因,热工规、节能标准等在我国三北地区并没有全面实施。目前,我暖居住建筑围护结构保温水平低,热环境质量差,采暖能耗大的状况仍普遍存在,与发达国家气候条件相近的地区相比,我暖建筑围护结构的保温水平仍有较大差距,为此,

30、建设部发布了JGJ26 295 民用建筑节能设计标准 ,自1996 年7 月1 日起实施。目标是在各地1980 年1981 年住宅通用设计耗热量水平基础上节能50%,建筑物约承担30%,供热系统约承担20% 。对于建筑物来说,建筑物耗热量主要由建筑物围护结构的传热量和通过门窗缝隙的空气渗透耗热量部分构成。节能的主要方法是:减少建筑物外表面积和加强围护结构保温,以减少传热耗热量,提高门窗的气密性以减少空气渗透耗热量。此外,围护结构采取节能措施应注意以下问题,首先,在其他条件相同的情况下,建筑物耗热量指标随体形系数的增长而增长。由于近年来要求住宅建筑多样化和房间尽量多对外开窗等原因,建筑物的形体变

31、得复杂,平立面出现过多的凹凸面,其体形系数往往大于0.30,对于体形系数大于0.30 的住宅建筑,采取加强屋顶和外墙保温的做法,以便将建筑物耗热量指标控制在规定水平。其次,窗户面积不宜过大,不同朝向的窗墙面积比不应超过下面的规定：北向0.25,南向0.35,东、西向0.30 。窗户还应采用气密性良好的窗户,其气密性等级在1 层6 层建筑中,窗户每米缝长的空气渗透量不大于2.5m 3/ 。另外,墙体保温时,对围护结构易出现热桥的部位,如混凝土梁、边柱或丁字墙的外柱等应采取有效的保温措施。具体研究如下：1墙体。为达到节能50 %的目标,对外墙的传热系数提出了较高的要求。在框架结构中,加气混凝土砌块

32、加冷桥部位高性能保温材料是一种既经济又可行的外墙保温措施；GRC2聚苯复合墙体等挂板也可作为节能住宅外墙,但其造价高,构造措施不完善,经常出现墙体裂缝。对于大量的承重墙体,单一材料一般不能满足新标准规定的外墙传热要求,需要复合墙体保温,即承重墙体加保温层。根据建筑材料调查,承重墙体应优先选用粉煤灰砌块或蒸压灰砂砖、混凝土空心砌块、粘土多孔砖、页岩砖等。保温层选用外贴或贴聚苯板、憎水树脂膨胀珍珠岩板、硬质岩棉板等作外墙保温材料,采用轻质高效保温隔热材料外贴的构造做法,不仅给居住者提供了良好的居住环境,而且消除了冷桥,对主体结构有保护作用。在采暖地区,优先选用外保温技术,墙体本身可采用各种混凝土空

33、心砌块、非粘土砖、粘土空心砖等,外侧采用轻质高效保温隔热层 及保护层,对于粘土砖墙体也适用。对于楼梯间隔墙或难以外保温的外墙可采用保温,保温层可采用充气石膏板、聚苯板、纸面石膏板等,在暖气散热器后的墙加贴铝箔反射板,也有文献提出在夏热冬冷地区更适合采用保温作法。最近两年夏热冬冷地区节能建筑的外墙构造极少采用在采暖地区现己广泛采用的复合作法,而是或从提高结构层的热阻入手,或采用保温砂浆。在讨论哪一种保温作法更适合此地区之前,有必要先明确此地区有无必要采用复合保温的外墙作法。2屋面。以前大量使用的屋面保温材料为现制110 水泥珍珠岩,由于其厚度较大,施工时不能待其完全干燥后再做防水层,这样将导致保

34、温材料含水率很高,保温隔热性能降低,经冻融作用后屋面易膨胀起鼓,防水层拉开断裂,失去防水作用,使珍珠岩含水率进一步提高,保温性能进一步降低,形成恶性循环。为提高屋面的保温性能,满足新标准的要求,应采用轻质高效、吸水率低、性能稳定的保温材料作屋面的保温隔热层；另外,为使屋面湿气及时排出,可改变屋面的构造,采用倒置屋面等形式。下列两种形式可推广使用：轻质高强、吸水率低的挤塑型聚苯板作为保温隔热材料、卵石作面层的倒铺屋面；用聚苯乙烯泡沫板、水泥聚苯板、硬质岩棉板、憎水型水泥膨胀珍珠岩板代替现制水泥珍珠岩。屋面防晒是建筑热工研究的重要问题,但受到建筑热工界广泛认可的蓄水屋面和种植屋面却很难得到实际应用

35、,较好的情况只是在屋面采用了隔热效果相对不错的复合作法,屋面可采用轻质高效、吸水率低或不吸水的可长期使用,性能稳定的保温材料作为保温隔热层,选用设架空保温层、倒铺屋面、直接铺设保温层等方法,以及改进屋面构造在原有屋面保温层上加设彩色压型钢板坡屋面的方法。屋面的美观形式是现在住宅建筑市场中一个颇引人注意的焦点,所以屋面节能研究的重点是如何把屋面节能融入到屋面的建筑整体设计中去。3窗户。窗户历来都是建筑节能的薄弱环节,在夏季透过窗户的太阳热辐射更是造成此地区夏季被动建筑室过热的主要原因。现在我国的窗户节能设计主要有控制窗墙比、提高窗户的热阻和遮阳三种方法。窗墙比虽然简单易行,但却不能充分反映窗户在

36、建筑节能中的意义。玻璃制造技术的发展已为改善玻璃的热工性能提供了足够的条件。遮阳是改善此地区建筑室热环境的重要措施,相对于过去常见的混凝土遮阳和现在无论是材料还是形式都过于简陋的遮阳,现在迫切需要大量的新型遮阳产品,它们的要简洁、易于调节和形式经过设计。此外,在北方地区,为了提高窗的保温隔热性能,通常采用气密性好、传热系数小的双层窗或单框双玻璃窗,对于既有住宅的空腹钢窗和木窗,采用橡塑密封条改善其气密性,并考虑在原窗的一侧再安装一层保温性能好的新窗。1.2 研究容的提出和相关概念1.2.1 问题一：围护结构变迁对建筑能耗影响在建设部建筑节能九五计划和20XX规划中明确提出建筑节能系指在建筑中提

37、高能源利用效率,建筑节能的重点放在采暖和降温能耗上。规划中明确要求在20XX后新建住宅在1980-1981年住宅通用设计能耗基础上节能50%。在省民用建筑节能设计标准中明确指出建筑围护结构承担35%的节能指标,采暖、空调设备承担15%的节能指标。随着新工艺、新材料的发展,建筑市场上出现了多种节能材料,然而由这些材料构成的围护结构是否达到了建筑节能要求以及不同围护结构热工性能的改善对围护结构节能35%的贡献率还不清楚,这些问题弄不清楚很容易使建筑节能工作走上弯路。因此,本文对这些问题进行了研究分析,得出了相应的结论。1.2.2 问题二：节能量1、节能量的定义节能建筑或节能改造建筑节能量是指以基期

38、建筑能耗值为标准,节能建筑或节能改造建筑的能耗值与之的差值。2、节能量的分类节能建筑或节能改造建筑的节能量包括：建筑和建筑热工设计节能量35%；建筑和建筑热工设计以及采暖空调设备或系统全体的节能量50%。3、各类节能量比例分配根据建设部建筑节能九五计划和20XX规划及民用建筑节能设计标准JGJ26-95的要求,省民用建筑节能设计标准居住建筑部分规定节能建筑通过建筑热工设计和采暖、空调设计,采用有效的综合技术措施,在1980-1981年住宅通用设计能耗水平基础上节能50%。其中围护结构节能占35%,采暖供热系统及空调节能占15%。4、能耗指标建筑热环境能耗指标主要包括：建筑物耗热量、耗冷量指标w

39、/m2；采暖、空调全年总电量指标kwh/m2。其中建筑物耗热量、耗冷量指标综合反映了建筑设计和围护结构热工性能的优越性；采暖、空调全年用电量指标综合反映了建筑设计和围护结构热工性能以及采暖空调设备能效比的合理匹配。1.3 研究容和意义1.3.1 研究容和技术路线1研究围护结构的变迁对建筑能耗的影响1 通过对能耗计算方法的比较,选择计算模拟软件DeST；2模型的建立。根据省气候特征,选取某居住建筑为模拟对象本论文选取了工业大学高层次公寓楼,对其进行全年能耗计算；3对不同热工性能围护结构的能耗水平进行动态模拟,分析了住宅建筑围护结构传热系数变化对建筑能耗的影响；4计算各马地区围护结构变迁对实现围护

40、结构整体节能35%目标的贡献率。2节能量的计算1研究不同年代马市住宅节能设计与改造的节能率的计算；2研究适合于马市住宅节能设计与改造的节能量计算方法；3利用该方法计算出马市十一五建筑节能量； 4利用节能量计算并分析出十一五建筑节能的直接经济和环境影响；5利用节能量计算出马市建筑节能对 十一五期末实现节能减排目标的贡献率。图1.2 研究技术路线1.3.2 研究意义1通过计算各围护结构变迁对实现围护结构整体节能35%目标的贡献率来确定影响建筑能耗的主要因素,从而为既有建筑的节能改造和新建建筑的节能措施提供重要依据。2 通过节能量的数值计算出十一五建筑节能的直接经济和环境影响并定量地分析出马市建筑节

41、能对 十一五末实现节能减排目标的贡献率,从而判定多种节能措施的优越性。1.3.3 论文的结构本论文的结构主要包括以下第一章：绪论。论述本文的研究背景、目的及主要容,综述国外的研究现状。第二章：能耗分析。阐述能耗分析相关知识和建筑能耗模拟软件DeST的结构、原理。第三章: 围护结构变迁对建筑能耗影响分析。主要分析外墙、窗户、屋面和地面等围护结构的变迁对采暖、空调和总耗电量的影响。第四章：建筑节能目标直接经济和环境影响测算。主要研究马市十一五建筑节能对于十一五期间节能减排目标的贡献。第五章：结论与展望。主要对本论文工作的进行归纳与总结。第二章 能耗分析建筑能耗和空调能耗计算最先为美国人Willis

42、.H.Carrier于1911年发表的合理温湿度公式和绝热饱和理论。二次大战前后,稳态传热计算为房间负荷计算的主要方法。1946年美国的C.O.Mackey和L.T.Wight发表了当量温度法,他们用室外气温和太阳辐射的Forier 级数展开式作为墙体导热方程的边界条件求解传热量,再用稳态传热量形式来简化,得出当量温差的概念,并以此为计算负荷,当量温差法此后成为美国和西方国家的主要计算方法。与此同时,在50年代初,联学者提出了谐波分解方程,并用衰减度和延迟时间来表示。谐波法在我国反映很大,作为主要的热工理论分析计算方法一直广泛使用。1967年加拿大的D.G.Stephenson和GP.Mita

43、las发表反应系数法,即为ASHRAE所接纳。由于计算机技术的飞速发展,此方法与计算机的结合产生后来的能耗模拟程序DOE-2。2.1 能耗分析的背景随着经济的飞速发展和人口的持续增长,能源问题已成为先进国家和发展中国家都面临的迫切需要解决的重大课题之一。为节约能量,制定合理的建筑能耗法规,需要对系统进行能耗分析。建筑能耗分析对确定空调全年能耗、比较空调系统设计和运行方案、分析空调设备全年利用率、优选设备容量和合理匹配、确定最佳运行制度、预测运行费用、现有建筑物的节能改造都有着重要意义。根据发达国家经验,建筑能耗在中国社会终端总能耗中所占的比例将逐步提高到35左右,建筑将超越工业等其他行业成为能

44、耗的首位。中国地域辽阔,人口众多,中国的能耗及节能状况对中国乃至世界的能源资源及其结构都有着重要影响。2.2 能耗分析方法的发展建筑能耗分析对建筑设计和空调系统的节能优化,现有建筑的节能改造,空调系统的运行管理有着重要的意义。目前可采用的建筑物能耗分析方法很多,根据所依据的数学模型,可将计算方法分为两大类：一类是建立在稳定传热理论基础上的静态能耗分析法,另一类是建立在不稳定传热理论基础上的动态能耗模拟法。2.2.1 静态能耗分析法静态能耗分析的方法主要有：度日数法、BIN 法、当量峰值小时数法、当量运行小时数法等。静态能耗分析法的基本原理是将供暖期或供暖期中的各旬、各月的耗热量按稳态传热理论进

45、行计算,而不考虑各部分围护结构的蓄热效应。由于供暖期较长,温度的日波动周期也较长,围护结构蓄热对整个供暖期耗热量的影响甚微。它适用于只需知道整个建筑物或单位建筑面积在一个供暖期的耗热量,并不需要详细掌握耗热量随时间变化的具体情况。2.2.2 动态能耗分析法动态能耗评估及建筑节能规和标准的实施需要依靠计算机技术的进步来促进。从60 年代后期开始,加拿大、美国、日本等对计算方法进行了一些研究,已有部分中间成果出现,如美国Carrier 公司的蓄热系数法,加拿大D.G.Stephenson 和G.P.Mitalas 提出的房间反应系数法和传递函数法等。这些成绩为计算机的精确能耗分析提供了有力的数学理

46、论工具。70年代开始,由于计算机及其技术的广泛应用,空调领域中越来越多地开展了系统的动态分析、动态模拟研究,70 年代中末期开始出现了计算建筑物全年逐时能耗的计算机程序。动态能耗分析法的发展大致经历了如下发展过程：出现在70年代中期的建筑能耗模拟程序主要有NBSLD1974 美国、HASP/ACLD/8001日本,它们可以用来求得建筑物的全年逐时能耗；美国加州大学劳伦斯贝克利实验室在美国能源部支持下,于1979 年编制出以NECAP 为负荷程序核心的DOE-2 建筑能耗分析程序和BLAST程序,1981年又发展为DOE2.1 和BLAST3.0；日本建筑设备士协会成立了空调设备模拟研究会和标准

47、模拟程序开发委员会,在东京电力株式会社赞助下花费6 年时间于1985 年完成HASP/ACAD/8501 和HASP/ACSS/8502 能量模拟程序。我国于1982 年完成了设计用建筑物冷热负荷计算方法的课题,开始了我国暖通空调计算方法的变革。1986 年,我国在建筑科学研究院空调研究所组织下完成了BDP/HVAC 暖通空调设计软件包,它包括以传递函数法和谐波反应系数法为基点的两种负荷计算方法,并可完成全套暖通空调设计计算；1990 年,龙惟定教授等人依照市科委的科研课题,完成了一套能进行全年建筑能耗分析的负荷模拟程序HRBLAP；清华同方在美国DOE的基础上改编形成了DeST软件；大学田胜

48、元教授利用日本空调学会赠送的动态负荷计算标准程序HASP/ACLD/8001,根据我国现状进行改编形成了VCD-1动态负荷计算程序,并应用于某工程进行了能耗分析。这些程序多是基于维护结构对外界气象扰动的时域或频域的动态响应,利用房间反应系数或房间热平衡法,求取建筑物的冷、热负荷。近年来,国外在这方面的研究又有了新的发展,更加高级的建筑能耗分析专家系统和能量核心系统也将相继开发。2.3 能耗分析的目的及意义中国在经济上正以前所未有的速度高速发展,国际地位也越来越高,越来越引起世人的瞩目。然而关系到可持续发展的空调系统的能耗分析工作却远远落在后面,这不能不引起我们的注意。建筑能耗分析并不是简单的数

49、值计算,必须综合建筑物可能出现的各种复杂情况,对建筑物进行详细的能耗模拟分析。建筑环境是由室外气候条件、室各种热源的发热状况以及室外通风状况所决定的。建筑环境控制系统的运行状况也必须随着建筑环境状况的变化而不断进行相应的调节,以实现满足舒适性及其他要求的建筑环境。由于建筑环境变化是由众多因素所决定的一个复杂过程,因此只有通过计算机模拟计算的方法才能有效地预测建筑环境在没有环境控制系统时和存在环境控制系统时可能出现的状况,例如,室温湿度随时间的变化、采暖空调系统的逐时能耗以及建筑物全年环境控制所需的能耗。能耗分析是建筑节能设计的必要环节,对建筑设计和空调系统的节能优化,现有建筑的节能改造,空调系

50、统的运行管理有着重要的意义。通过建筑能耗模拟分析技术,能使设计师们更好地处理好建筑围护结构节能与建筑设备节能、单体设备节能与系统节能、建筑节能与室环境品质 以及节能与节电的关系,从而设计出更优更合理的节能建筑。2.4 能耗模拟软件 DeST的介绍随着人们生活水平的提高,对住宅建筑设计的要求也越来越高。同时有越来越多前所未见的复杂的建筑设计方案出现,既要保证房间的舒适性又要保证节能,很多问题已经不能只凭经验来解决,例如合理的选择建筑的围护结构、选择合适的外遮阳、以及各种新技术的采用等。同时,许多新型技术在实际应用中还可能会出现许多预想不到的问题,这些都需要更为详尽的计算来辅助设计。为此,清华大学

51、建筑学院建筑技术科学系建筑环境与设备研究所原清华大学热能系供热、通风与空气调节教研组综合十余年科研成果的结晶,开发出了用于建筑热环境设计模拟分析的软件平台建筑热环境设计模拟工具包DesignersSimulation Toolkit,简称DeST。在DeST 的基础上,针对住宅建筑开发了专用的能耗模拟分析软件：DeST-h。它可用于建筑能耗模拟分析和环境控制系统的设计校核,起到提高设计质量、保证设计可靠性、对如何降低建筑及系统能耗、保证建筑环境质量具有重要的指导作用。2.4.1 DeST的理论基础目前的模拟工具可以划分成两大类：一类是基于功能的,以DOE为主要代表；另一类是基于模声的,以TRN

52、SYS,HVACSIM+,MATLAB为代表。基于功能的模拟工具从满足某种功能要求如计算建筑全年能耗出发来设计模拟系统；基于模块的模拟工具注重于构建系统的灵活性,其特点是采用通用的模块接口和统一的非线性求解核心。DeST是基于功能的模拟软件,在设计时充分考虑了设计的阶段性这一特点,对应设计的不同阶段,提供相应的功能性模块,并根据阶段之间的联系在模块之间建立其相应的关联。其任务是在设计的整个过程中,通过建筑模拟、方案模拟、系统模拟、水力模拟等手段对设计进行校核,并根据模拟数据结果对设计进行验证,从而保证设计的可靠性。图2.1是DeST的整体框架结构示意图。矩形表示各个模块,箭头表示各模块之间的关

53、系。 LightingVentPlusMedphaBShadow EAMBASSchemeAHUCPSDNACABD 图2.1 DeST结构示意图1Medpha 为了反映空气温度、湿度、太阳辐射、风速风向以及天空背景辐射温度等气象参数在建筑热过程中的影响,DeST 建立了利用实测的逐日气象数据模拟生成全年逐时气象数据的气象模型Medpha。Medpha的基础数据来源于我国194个气象台站自建站以来约50年的实测逐日数据包括气温、湿度、太阳辐射、风速风向、日照小时数和大气压力。根据空调负荷计算中的典型年选取方法,Medpha首先选出具有代表性的年份如典型气象年、极高温度年等,之后利用各气象参数的

54、日变化规律,模拟生成逐时的气象数据包括空气温度、湿度、太阳直射辐射、太阳散射辐射、风速风向以及天空背景辐射温度,并以典型气象年作为DeST的全年模拟基础数据。2VentPlus由于自然通风的准确模拟是影响模拟结果的关键因素之一,DeST的自然通风模块既要解决定量计算自然通风,以及考虑自然通风影响建筑负荷的问题,从而指导自然通风的合理设计,实现建筑节能。DeST在计算自然通风时,同时考虑热压和风压的作用,实现热环境参数和流体特性参数相互作用的计算。DeST将自然通风模拟模块VentPlus得到的通风量作为BAS模块中热环境模拟计算的输入,从而准确模拟室热环境。3CABDCABD是DeST的图形化

55、用户界面。CABD是基于AutoCAD开发的用户界面,大大简化描述定义工作和方便设计者的建模,可在WINDOWS操作系统下运行。由于界面开发基于常用的设计绘图软件AutoCAD,而且与建筑物相关的各种数据材料、几何尺寸、扰等通过数据库接口与用户界面相连,因此用户可直接通过界面进行建筑物的描述、修改和统计,也可方便地调用相关模拟模块进行计算。DeST的模拟计算的结果都将以Excel报表的形式输出,方便用户查询和整理。4BShadow在建筑环境的动态模拟过程中,建筑物获得的太阳辐射量的计算是十分重要的影响因素,因此准确模拟建筑环境状况需要深入研究太阳辐射的计算方法。由于建筑之间的相互遮挡、建筑自身

56、的自遮挡以及各种遮阳构件的遮挡都会对建筑物接收的辐射量产生非常大的影响,因此建筑物的太阳辐射得热计算必须考虑这些因素的作用。DeST的建筑阴影计算模块BShadow综合考虑了上述几种遮挡情况,采用集合投影法来计算各表面的阴影面积和形状。通过计算可以得到：1建筑物在不同地点、全年任意时刻的建筑日影分布；2阴影的详细几何信息；3中庭、天井等特殊类型建筑中的光斑分布。5LightingLighting是DeST中负责室采光计算的模块。该模块根据Bshadow模块输出的窗户阴影面积,可以得到各个房间在各种太阳位置和天气情况下的采光系数,根据DeST中Medpha提供的气象数据,即可确定各个房间逐时的自

57、然采光情况下的室照度,结合房间照度设计要求,确定逐时的照明灯具开启情况,作为建筑环境模拟模块BAS的输入。6BASBuilding Analysis & Simulation BAS是建筑物热特性计算的核心模块,可以对建筑物的温度和负荷进行详细的逐时模拟。BAS的核心算法采用基于建筑热平衡的状态空间法,状态空间法是一种在时间上连续、空间上离散的动态模拟计算方法,通过求解房间离散点的能量平衡方程组,可得到房间对各热扰的响应系数,即房间本身的热特性,进而对房间的热过程进行动态模拟。7Scheme 空调系统方案设计是整个空调系统设计过程中的一个重要环节,它衔接着前期的概念设计阶段建筑物热过程分析和后

58、期的详细设计设备选择、官网分析等阶段。随着设计的展开,通过建筑模拟了解建筑物本身的热特性之后,设计人员将进行系统的设计。系统的设计应该至少分成两个层次：方案的设计和设备的选择。设计人员在选择设备之前,首先需要确定采用何种空调方案。空调系统方案模拟分析的目的就是通过模拟手段对方案进行量化的分析,为设计人员提供比较的依据。8DNADuct Network Analysia DNA是DeST中机械通风系统分析模块,机械通风系统模拟可完成风系统设计计算和校核计算。设计计算是已知风道布置、风管长度及各段风量要求确定各段管径和选择风机；校核计算是已知管段的长度、管径以及风机所能提供的压头校核各段风量是否满

59、足要求。在设计计算中所采用的各段风量使设计风量,因此风道的设计也是典型工况设计。对于定风量系统,由于实际运行时风量不发生变化,因此根据典型工况进行设计即可。对于变风量系统,由于管网大部分时间工作在部分负荷下,与设计工况不同,因此在设计变风量系统时,需要进行各种工况的校核。9AHU空气处理设备设计人员在选定需要采用的空调系统方案之后,需要选择合适的空气处理设备的形式和容量。AHU设备校核模拟的目的就是通过模拟手段对设计者提出的空气处理方案进行全年校核,为设备人员的方案提供量化的比较依据。通过对空气处理设备全年运行状况的校核计算,我们可以得到该空气处理设备满足系统需求的小时数,以及处理设备需要的运

60、行能耗,设计者可以明确采用不同的方案会产生的效果,从而达到优化设计和提高设计水平的目的。10CPSCombined Plant Simulation冷热源系统与水系统的方案设计是整个空调系统设计过程中的一个重要环节,它是详细设计中至关重要的容。随着设计的展开,通过空气处理设备的模拟可以获得空调系统对于冷热量的需求,设计人员在选定空气处理方案之后,就需要设计出合适的冷热源形式和冷冻水冷却水系统。冷热源与水系统模拟的目的就是通过模拟手段对各方案进行量化的模拟分析,为设计人员提供比较不同方案的依据。11EAM 经济性评价是暖通空调设计过程中的必要环节,在经济性评价方面,DeST与暖通空调系统的设计过

61、程紧密结合,在不同设计阶段,都尽可能地利用已知信息,准确的预测和评价暖通空调系统的经济性,既能够准确、方便比较设计过程中某一特定方案的经济性,又能评价整个暖通空调工程的经济性,为设计人员进行方案取舍提供依据,尽早排除不经济方案。DeST所需要的气象数据由Medpha产生,其基础是20年的实测数据和随机气象数学模型。目前Medpha可以生成各格式的、194个中国城市的逐时气象参数。计算机辅助建筑描述程序CABD是一个基于ACAD平台的建筑描述界面,设计人员通过它描述建筑物的围护结构几何尺寸,热特性参数以及各种扰的变化情况。在进行具体的建筑模拟时,需要输入各种经验系数例如热量在空间的分布等,这通过经验系数维护程序ECM完成。CABD是DeST的主控界面,它把用户绘制的建筑物的相关数据自动传输给建筑分析模拟模块BAS。BAS的任务对建筑物进行具体的逐时模拟,其数学模型是增强的状态空间法。BAS是一个精确的多空间建筑模拟程序,它负责计算逐时的房间基础室温RBT,在没有任何空调系统影响下的房间温度。逐时的基础室温反映了房间在被动热扰影响的下的热特性。在初步设计阶段,建筑师可以通过基础室温来比较各种因素的影响,如围护结构的材料、朝向、建筑物的