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2.4 建筑节能评价指标及能耗模拟方法

2.4.1 节能建筑的评价指标

建筑节能评价的方法包括访谈调查法、抽样调查法、观察法、文献法、问卷调查法和实验法。国外建筑节能主要运用较完善的评估程序、评估指标、评估方法和评估规范对建筑节能、建筑节能措施及其在建筑环境中对各种活动的实际作用、影响进行客观、公正、科学的评价。

在各国的建筑节能设计标准或规范中,节能建筑的评价指标或方法主要分为 3 类:规定性指标(compulsory index)、性能性指标(performance index)和建立在建筑能耗模拟基础上的年能耗评价指标。

1)规定性指标

规定性指标主要是对各能耗系统,如围护结构的传热系数、体形系数、窗墙面积比和遮阳系数,以及供暖、空调和照明设备最小能效指标等,所规定的一个限值,凡是符合所有这些指标要求的建筑,运行时能耗比较低,都可以被认定为节能建筑。属于此类的参数有围护结构各部位的传热系数 K 或传热热阻 R 、热损失系数 [1] 、空调系统的季节能效比( seasonal energy efficiency ratio,SEER)、供热季节性能系数(heating season performance factor,HSPF)、综合部分负荷值( integrated part load value, IPLV)、能效比( energy efficiency ratio,EER)和性能系数(coefficient of performance,COP)等。

2)性能性指标

性能性指标不具体规定建筑局部的热工性能,但要求在整体综合能耗上满足规定要求,某一节能目标可以通过各种手段和技术措施来实现。它允许设计师在某个环节上有一定的突破,从而给了设计师较大的自由发挥空间,鼓励了创新,满足了设计师在自由设计和建筑节能规范控制两方面的需求。此类指标对于围护结构有总传热值( overall thermal transfer value,OTTV)和周边全年负荷系数(perimeter annual load,PAL)等评价指标,对于空调系统则有空调能源消费系数(coefficient of energy consumption for air conditioning,CEC / AC)等评价指标。日本在建筑设备能效方面有一个完整的指标体系,除了针对空调系统的CEC / AC指标,还有通风能耗系数(coefficient of energy consumption for ventilation,CEC / V)、照明能耗系数(coefficient of energy consumption for lighting,CEC / L)、热水供应能耗系数(coefficient of energy consumption for hot water supply,CEC / HW)和电梯能耗系数( coefficient of energy consumption for elevator,CEC / EV)等指标。

3)年能耗评价指标

年能耗评价指标综合了影响建筑能耗的各个因素,包括围护结构、空调系统和其他建筑设备等。其中,最具有代表性的是ASHARE 90.1 提出的能量费用预算法(能耗准则数)。它根据实际设计的建筑物构造一个标准建筑物(即参考建筑物),然后通过能耗模拟计算软件分别计算设计建筑物的年能耗费用( design energy consumption,DEC)和标准建筑物的年能耗费用(standard energy consumption,SEC),同时引入一个无量纲指标 E , E = DEC / SEC。如果计算结果满足 E ≤1,则认为达到了要求,否则就需要采取一定的节能措施和节能设计方法,按照设计建筑物的现场条件修改设计建筑物,直到上式成立。

商业建筑一般是指商场、写字楼、宾馆和酒店等,舒适性要求高,持续使用时间长,人员密度相对较高,室内各种发热设备多,单位面积能耗高,节能潜力大。现有的商业建筑总能耗指标主要有空调能量消耗系数、全年空调区单位面积电耗指标、用能强度、能耗指标。

①空调能量消费系数(CEC)是由日本提出的建筑物空调系统的节能评价方法,通过比较空调设备(冷热源、冷却塔、风机、水泵等)全年运行的总能源消耗量和通过计算得到的假想的空调负荷全年累计值相比来判断建筑物的节能性能和设备的能源利用效率。

②全年空调区单位面积电耗指标[the annual electricity consumption for air-conditioning each m 2 of the air-conditioned area,AEC],是根据实际的电耗调查数据,拟合得到电耗和相关因素的关系式,包括窗户和墙的面积及传热系数、风机水泵的装机容量和运行方式(一次泵或二次泵、是否变频)、室内人员灯光散热量、室内设定温度等在内。以酒店类建筑为例,调查数据表明,美国为 401 kW·h / m 2 ,加拿大为 688.7 kW·h / m 2 ,英国为 715 kW·h / m 2

③用能强度(energy consumption intensity,EUI),是建筑物单位面积的总能耗指标。以宾馆为例,EUI受宾馆星级、客房入住率、总建筑面积、建造年代、客房数、餐饮用房等多个因素的影响。 EUI可作为能耗评价的一个指标,但是很难由此数值单一地判断能耗的使用情况和节能潜力。

④能耗指标(energy consumption index,ECI),是实际能源消耗和设计能耗的比值。 ECI比AEC和EUI区分详细,具体有 4 个相关的指标,涉及总电耗、总热耗、制冷机电耗、制冷机以外设备电耗 4 项。

商业建筑总能耗评价指标,将确定性负荷和不确定性负荷对能耗的影响结合起来考虑计算,模糊了各个因素的影响。因此,可操作的能耗指标体系和评估方法应区别两类负荷,用定量计算和定性分析相结合的手段进行评价。

2.4.2 建筑能耗模拟及方法

建筑环境是由室外气候条件、室内各种热源的发热状况以及室内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,室内温湿度随时间的变化、供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。建筑模拟主要在如下两方面得到广泛的应用:建筑物能耗分析与优化和空调系统性能分析和优化。

1)建筑能耗模拟

进入 20 世纪 90 年代,模拟技术的研究重点逐渐从模拟建模(simulation modeling)向应用模拟方法(simulation method)转移,即研究如何充分利用现有的各种模型和模拟软件,使模拟技术能够更广泛、更有效地应用于实际工程的方法和步骤,已经在建筑环境等相关领域得到了较广泛的应用,贯穿建筑设计的整个生命周期,包括设计、施工、运行、维护和管理等。主要表现在以下几个方面:①建筑冷/热负荷计算,用于空调设备的选择;②在设计或者改造建筑时,对建筑进行能耗分析;③建筑能耗的管理和控制模式的制订,帮助制订建筑管理控制模式,以挖掘建筑的最大节能潜力;④与各种标准规范结合,帮助设计人员设计出符合当地节能标准的建筑;⑤对建筑进行经济性分析,使设计者对所设计方案在经济上的费用有清楚的了解,有助于设计者从费用和能耗两方面对设计方案进行评估。

详细的建筑能耗模拟软件通常是逐时、逐区模拟建筑能耗,考虑了影响建筑能耗的各个因素,如建筑围护结构、HVAC系统、照明系统和控制系统等。详细的建筑能耗模拟软件按照系统模拟策略可分为两类:顺序模拟法(图 2.15)和同步模拟法(图 2.16)。在顺序模拟法中,首先计算建筑全年冷热负荷,然后计算二次空调设备的负荷和能耗,接着计算一级空调设备的负荷和能耗,最后进行经济性分析。在顺序模拟方法中,每一步的输出结果是下一步的输入参数。顺序模拟法节约计算机内存和计算时间,但是建筑负荷、空调系统和集中式空调机组 3 者之间缺乏联系;如果空调设备满足不了建筑冷热负荷的要求,就会产生错误。在同步模拟方法中,考虑了建筑负荷、空调系统和集中式空调机组之间的相互联系。同步模拟法与顺序模拟法不同,在每一时间段同时对建筑冷热负荷、空调设备和机组进行模拟、计算。同步模拟法提高了模拟的准确性,但需要更多的计算机内存和计算时间。

图2.15 顺序模拟法

图2.16 同步模拟法

建筑能耗模拟软件有许多,但在全世界范围内有影响且可以免费获取的能耗软件只是少数。国外较常用的建筑能耗模拟软件有DOE-2、BLAST、COMBINE、TRNSYS、ESP、HVACSIM+、Energy Plus、SPARK、TRACE等;国内较有影响的建筑能耗模拟软件是清华大学开发的DeST。当然,除了详细的建筑能耗模拟软件,还有相对简单的建筑能耗模拟软件,如美国得克萨斯州大学开发的建筑能耗模拟软件ENERWIN,ENERWIN是用FORTRAN语言编写的,能够评估建筑全年能耗特性。如果是进行系统或方案比较、研究建筑能耗趋势,简单的能耗模拟软件已经足够。

2)各种能耗模拟软件比较

DOE-2.1E适用范围:逐时能耗分析,HVAC系统运行的全生命周期成本(LCC)。它适用于各类住宅建筑和商业建筑,有 20 种输入校核报告、50 种月度或年度综合报告、700 种建筑能耗逐时分析参数,用户可根据具体需要选择输出其中一部分。它是当前最强大的模拟软件,其BDL内核为类似多种软件使用,有非常详细的建筑能耗逐时分析报告,可处理结构和功能较为复杂的建筑。但在DOS下操作界面,输入较为麻烦,需经过专门的培训,对专业知识要求较高。

BLAST适用范围:工业供冷,供热负荷计算,建筑空气处理系统以及电力设备逐时能耗模拟。输入文件可由专门的模块HBLC在Windows操作环境下输入,也可在记事本中直接编辑。基于Windows的友好操作界面、结构化的输入文件,可分析热舒适度、高强度或低强度的辐射换热,以及变传热系数下的能耗分析。对专业知识和工程实际有较深刻的理解才能设计出符合要求的模型。

Energy Plus适用范围:多区域气流分析,太阳能利用方案设计及建筑热性能研究。简单的ASCII输入、输出文件,可供电子数据表做进一步的分析。新版本的Energy Plus(Release 1.0.2)提供了即时的关键词解释,使操作变得更加简单;但对建筑的描述简单,输出文件不够直观,需经过电子数据表做进一步处理。

ENER-WIN适用范围:瞬时热流计算,能耗分析,全生命周期成本分析,非空调区的浮动温度,大型商业建筑。提供一个简单的画板输入建筑的基本布局,建筑围护结构的热工性能,室内逐时温度设定,表格和图像形式的月度、年度能耗报告。图形操作界面,可用紧凑模式的气候资料做替代设计方案的快速测试,有较为合理的缺省值。建筑可超过 98 个分区,提供 20 多种墙、窗类型。但算法较为简单,只有 9 种HVAC系统可供选择。

Energy-10适用范围:方案设计阶段建筑能耗评价,逐时空调能耗分析和照明计算;住宅建筑和小型商业建筑;包含 12 种HVAC系统形式。基于当前方案与标准方案(当前共有 12 种能量效率策略)之间比较的汇总图表(共有 27 种图形表达方式),也可生成详细的报表。该软件易于操作,快速,准确,但由于建筑描述过于简单,一般用于小型建筑[建筑面积小于 10 000 ft 2 (1 ft 2 ≈0.09 m 2 )]和小型HVAC系统。

TRNSIS适用范围:HVAC系统和控制分析,多区域气流分析,太阳能利用方案设计以及建筑热性能研究。基本输出格式为ASCII,包括全生命周期成本、月度、年度能耗报告。频率曲线,绘出预期参数曲线。它是当前最灵活的模拟软件,用户可自定义标准库中没有的组件,强大的帮助系统,可分时段模拟,可直接导入CAD生成的建筑布局作为热工模型的基础。但没有为建筑和HVAC系统设定合理的缺省值,用户必须逐项输入两者较为详细的信息。

HOT2 XP适用范围:能耗模拟,负荷计算,住宅建筑。输入包括建筑特性描述,HVAV系统的详细说明,所消耗的燃料类型。图形和文本两种格式的输出文件,可供电子数据表作进一步处理。图形界面:考虑了热桥的作用,非常详细的空气渗透模型和热损失模型,提供广泛的HVAC系统形式和多种燃料类型。但无法进行多区域HVAC系统的模拟。

SPARK适用范围:复杂布局的住宅建筑和商业建筑的能耗模拟。用符号表示的计算模型(可自定义或者从列表中选取)、系统运行参数和图形输出分析后的结果;能实现复杂的建筑围护结构建模,复杂HVAC系统建模,多样的时间间隔可供选择;图形编辑器简化了对建筑物的描述,预置多种HVAC系统;但需使用者具有较高的电脑操作技巧,并熟悉HVAC系统运行原理。

ESP-r适用范围:可对影响建筑能源特性和环境特性的因素做深入的评估。内置CAD绘图插件,或者直接导入CAD文件,HVAC系统的详细描述。比较接近实际,整体性的评价。可模拟和分析当前比较前沿或创新技术。操作人员需要有较强的专业知识,须对专业知识有较深入的理解。

[1] 规定每度室内外温差单位时间每平方米建筑面积的热损失不超过法定的指标,W/ (m -2 ·℃ )。 cEUz/TBTT03hHWmckpK1qgAm0JDT8C1tG5wKD274F3pBVL7LdwxtU8fFOBeAVR4k

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