[必看]：[必看]：夏热冬冷地区居住建筑节能设计软件的开发及其应用

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中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所 赵志安 邱相武
摘要 为贯彻国家有关节约能源、环境保护的法规和政策，改善夏热冬冷地区居住建筑热环境，提高采暖和空调的能源利用效率，建设部于2001年7月颁布了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134-2001,并于2001年10月1日起实施，为达到节能50%的目标，该标准对建筑和建筑热工节能设计和节能综合指标作了详尽的规定. 为配合该标准的实施，结合当地地域特点和经济情况，一些省市相继出台了一些地方标准，并已开始在工程中应用。本文结合编制夏热冬冷地区居住建筑节能设计软件过程中遇到的问题和计算实例,提出了解决问题的方法 ,分析了容易忽视的参数及其对计算结果的影响.

关键词 夏热冬冷 居住建筑 节能设计

为了更好地贯彻执行《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》,为标准的检验提供计算工具,开发了夏热冬冷地区居住建筑节能设计软件,通过开发过程和对工程实例的计算,对影响计算结果的一些参数进行了分析.
与采暖居住建筑节能设计标准相比，其计算复杂程度大大增加，该标准在检查围护结构的传热特性时，考虑朝向、窗墙比和当地室外气象条件，对于外围护结构，除满足热工设计规范外，还要满足对传热系数和热惰性指标的要求，当某些参数不符合标准的要求时，必须进行全年耗电量计算，因此，有时无法完全用手工完成标准的检验工作，要完成标准的全过程检验，必须有与标准相配套的工具，以利于标准的贯彻执行。为此，我们开发了一套适合夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准的计算工具，面向建筑专业和暖通专业。在开发和使用过程中，也遇到了一些实际问题，本文针对这些问题进行探讨。
1 节能标准在执行过程中遇到的问题
气象资料不足一直是影响暖通专业进行系统分析的障碍，涉及本标准的参数有冬季最冷月室外平均气温、采暖度日数HDD18和空调度日数CDD26、全年8160小时的典型气象年数据。
1.1 冬季最冷月室外平均气温
该值是否高于5ºC是标准划分北向外窗在不同窗墙比条件下，传热系数最高限制的指标，该标准没有提供相关城市的冬季最冷月室外平均气温，目前，能够找到该参数的标准和规范是《民用建筑热工设计规范》，但由于该规范发布较早，有些在夏热冬冷标准中出现的城市在热工规范中并没有规定，而《采暖通风与空气调节设计规范》的附录二中，只有最冷月平均相对湿度，而没有最冷月平均空气温度。
1.2 采暖度日数HDD18和空调度日数CDD26
该值是判定建筑物能耗指标的重要数据，度日数不同，要求的耗电量指标不同，当用耗电量判定时，其值直接影响建筑节能设计是否达标。在热工设计规范中，只规定了设计计算用采暖期度日数，而在夏热冬冷节能标准中，规定了部分城市的采暖度日数HDD18和空调度日数CDD26，由于热工设计规范规定的是采暖期的采暖度日数HDD18，夏热冬冷节能标准中规定全年的采暖度日数HDD18，因而两者并不相等，节能标准中没有规定的城市，只能取其邻近城市的参数。
1.3 全年分析计算用典型气象年资料，按照标准规定，当某个围护结构的热工指标不满足标准要求时，应进行建筑物的节能综合指标计算。要进行全年能耗分析，典型气象年资料必不可少，现在，标准编制组提供的气象资料是依据美国提供的中国部分地区的气象资料整理而成，提供的城市数量与目前各省市的城市分区相比，数量不够。
1.4 关于基础气象资料的建议，随着建筑节能工作的加强，能耗分析已成为工程设计的第一步，而典型气象年资料又是最原始的基础资料，其值对计算结果影响较大，如有全国典型气象年数据，每个人计算的外部条件都相同，便于计算结果相互比较，上述所列的3个问题，也将因韧而解。
在气象数据中，室外温度和太阳辐射强度是关键数据，以前国家气象局公开发表的全国地面气象记录报表所提供的数据，往往是每四小时一个数据，直接使用，不能满足要求，可对数据进行整理处理，将室外温度用简单的插值法确定（要考虑最大值、最小值），其结果比用最小二乘法整理还合理，太阳辐射强度不能直接用插值法确定，可采用由云量和云的类型计算确定。全国地面气象记录报表没有云层类型数据，但一些地方台站的云层类型和云量资料较全。按照数据共享条例，以为社会服务为目的、非盈利的部列课题，可与气象台数据共享，无需支付费用，所以，暖通典型气象年数据的编制已具备条件.我们也曾经进行过产生典型气象年数据的尝试。

2 夏热冬冷地区的特点及几个建筑和建筑热工参数的取值对能耗的影响
夏热冬冷地区分布较广，夏季最高温度差异较大，有的地方属于海洋性气候，有的地方比较炎热，冬季气温虽然较北方暖和，但冬季低温时间长短也有差别。标准规定在能耗分析时，假设全年采暖和空调，因此不同地区采暖和空调能耗所占比例不同，由于控制指标是以全年能耗为基准，所以在设计时，应使采暖和空调耗电量值之和最小为目标。
在全年模拟时，冬季和夏季都按不稳定传热计算围护结构的传热，考虑温度波动，考虑房间蓄热的影响，与控制方式有关，所以和空调设计负荷计算考虑的重点不同，不仅要考虑影响夏季负荷的因素，还要考虑影响冬季负荷的因素，有些因素对于冬季和夏季的影响完全不同，在计算设计负荷时可以忽略的因素，在标准的耗电量计算分析时，不能忽略，有些参数的影响效果不同于对设计负荷的影响，以下对三个影响参数进行分析。
外围护结构的日射吸收系数越小，夏季设计负荷越小，但在全年耗电量分析时，它对计算结果的影响，不同季节影响效果是不同的，日射吸收系数越小，夏季负荷耗电量越小，但由于围护结构外表面对日射的吸收减少，在冬季会使房间得热量减小，采暖耗电量增加。
外遮阳的输入比较麻烦，在设计负荷计算时，从计算安全角度和简化输入考虑，往往忽略它，但在节能计算时，建议输入它，它有利于减小夏季耗电量，但在冬季它不利于太阳射线进入房间，使得冬季日射得热减少，冬季能耗增加，对于不同地区，由于采暖时间长短不同，其对全年耗电量的影响不同。
内围护结构（包括地面、搂板、间隔墙、内门窗等）的输入，在设计负荷计算时,一般不输入内围护结构, 但在节能计算时必须输入内围护结构各层材料的热物性，内围护结构各层材料的热物性的输入不能忽略,以准确考虑房间的蓄热特性.
为了定量分析这些容易忽视的参数对全年耗电量的影响,对某一工程实例进行了比较计算,该工程为一高层住宅，地处上海市，建筑高度78.3米，二十七层，总建筑面积11176m2,外墙内保温，保温材料为30mm厚聚苯颗粒保温浆料，主体材料为250mm厚钢筋混凝土；点式建筑。
外墙日射吸收系数对计算结果的影响，以外墙ρ=0.8为基准值，变化外墙日射吸收系数，其它条件不变，当ρ=0.9时，采暖耗电量减少2%，空调耗电量增加3.2%，总耗电量几乎不变；当ρ=0.5时，采暖耗电量增加7.6%，空调耗电量减少9.1%，总耗电量变化不到1%;可见对于上海这样的既需要采暖又需要空调的地区，且按标准规定的条件计算，采暖和空调耗电量数量级相同，外墙日射吸收系数对总能耗的影响不明显。如果计算时，外墙材料的日射吸收系数不详，可取ρ=0.8估算。
将内保温改为外保温，当ρ=0.9和ρ=0.8时，分析结果和内保温相似。
外遮阳板的影响，在ρ=0.8时，取水平遮阳板进深为0.8m,无侧遮阳板时，采暖耗电量增加7.4%,空调耗电量减少13.6%,总耗电量减少不到1%左右；当两侧有遮阳板，板进深为0.8m时，采暖耗电量增加12.3%,空调耗电量减少22% ,总耗电量减少1.2%左右。由此可见外遮阳板采暖和空调耗电量有较大影响，但对总耗电量的影响不像对采暖和空调耗电量那样大,这就引出了一个问题,在设计中如何设置固定遮阳设施,从降低能耗角度考虑,活动外遮阳设施更合理,可以根据季节调整。
内墙材料的影响，以内墙为砖墙作为参考，和内墙为聚苯颗粒保温砂浆比较，采暖耗电量减少8.1%,空调耗电量减少3%，总耗电量减少6.2%,可见内墙材料对耗电量的影响不可忽略。
以上分析是以上海气象资料为计算依据，对于其他城市，具体数值会有所不同.在设计计算时，如某些参数值不确定，由于事先并不知道其值对计算结果的影响大小，可在一定范围内分别取值试算，然后分析其对计算结果的影响，对影响较小的参数可取常规值，而对那些影响较大的参数，取值应比较慎重。
因此,为使计算结果准确,应特别注意与设计负荷计算的差别,不要忽视那些按照传统算法，对设计负荷没有影响的因素, 根据工程情况,正确输入这些参数.

3 能耗分析的计算方法、计算条件及内定参数
按照标准规定,计算方法采用响应系数法, 本软件的计算采用DOE,在节能综合指标计算时,按如下条件:
居室室内设计计算温度,冬季全天为18ºC;夏季全天为26ºC;室外气象计算参数采用典型气象年;采暖和空调时,换气次数为1.0次/h;采暖、空调设备为家用气源热泵空调器,空调额定能效比取2.3,采暖额定能效比取1.9;室内照明得热为每平方米每天0.014kWh,室内其他得热平均强度为4.3W/ m2.
要进行分析计算,除上述计算条件外, 还需要补充一些参数,这些参数对于计算是必不可少的参数,主要有家具量、显热和濳热比、房间类型的描述参数,这些参数在程序中为默认参数,对于居室, 显热和濳热比为1:0.391, 对于厨房卫生间, 显热和濳热比为1: 0.605; 家具类型为轻型,家具量按13.50/m2地板面积计算,房间类型按600.0kg/m2地板面积考虑.

4 软件的主要功能简介
夏热冬冷地区居住建筑节能设计的应用对象立足于建筑专业的和暖通专业,尽量避免出现过多的暖通专业词汇,按物理意义选择参数,如墙体、门等.可完成建筑和建筑热工节能设计,自动计算建筑物的体形系数,各朝向的窗墙比,检查各种围护结构的传热系数和热惰性指标是否满足标准的要求,按照<<民用建筑热工设计规范>>进行热工验算,可根据目前已发布的各省的实施细则进行计算.当某些参数不满足标准的要求时,自动调用DOE程序进行空调和采暖全年耗电量计算,检查是否满足标准对耗电量的要求,给出计算书和节能设计是否达标的结论.
5 结论
5.1 为了提升设计水平，便于节能设计规范的执行和计算结果的可比，制定典型气象年数据非常必要，否则，标准的执行会遇到障碍；现在已具备编制典型气象年数据的条件。
5.2 夏热冬冷地区居住建筑节能综合指标计算，不同于传统的设计负荷计算，在计算输入时，必须注意那些在设计负荷计算中，不考虑的影响因素。
5.3 内围护结构的蓄热特性，对计算结果有较大影响,在节能设计计算时,应尽量准确输入。
5.4 对于上海地区，就本工程而言,在节能设计计算中,外围护结构的日射吸收率对采暖和空调耗电量之和的影响不大，在资料不全时，可以取常规值。
5.5对于上海地区，外遮阳板分别对采暖和空调耗电量的影响很大，虽然在标准规定的计算条件下, 外遮阳板分别对采暖和空调耗电量之和的影响不大,但在实际工程中,当不采暖时,减少空调耗电量的效果非常突出.由于活动外遮阳设施,可根据季节调整,其节能效果更好.