建筑能耗分析方法的研究与实例

计算出 SCL7( 1) ，认为 SCL 与温度成线性关系， 有:
SCL = M·( T － Tph) + SCL1 比例系数 M 为:
M = SCL7 － SCL1 Tpc － Tph
这样处理的实质是找出某朝向 7 月和 1 月最
大日射得热因数 D j max ，用最大日射得热因数乘以 平均冷负荷系数及日照率得到冷负荷，再找到 1 月
和 7 月的代表温度，用所得冷负荷与温度对应即得 到两个点，认为负荷与温度的关系满足这两点决定 的直线关系。这样处理与实际情况不符，计算结果 会偏离实际。 3. 2 改进措施
ASHRAE TC － 4. 7 改进了 BIN 方法，将全年 太阳辐射的影响归结为温度的线性关系，用日照率 修正天气状况，从而克服了以上缺陷。我国设计人 员提出的改进方法称为温湿辐射频数法，即 THRF 法。新方法是在承认 BIN 方法思路的基础上，找 到温度与负荷更多点的对应关系，用这些点找出温 度与负荷的统计关系。具体步骤是: 先得到逐日最 大日射得热因数 D j max ，乘以逐时冷负荷系数得到 透过玻璃窗日射负荷与温度的全年逐时详细关系， 用日射负荷因数 Cf 表示。再按朝向统计不同温度 下日射负荷的平均值，得出温度与冷负荷的实用关 系。与原 BIN 方法不同的是，该方法还统计了温 度段内各个朝向的日射负荷因数，用以详细计算透 过玻璃窗的日射负荷。此方法详细考虑了温度、含 湿量、辐射形成负荷的计算问题，新 THRF 法较原 来的 BIN 方法，理论更严谨、更符合实际情况。下 面以实例说明温湿辐射频数法的原理及方法。
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ห้องสมุดไป่ตู้
能
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2012 年第 4 期 ( 总第 355 期)
3 温频法
温频法( BIN 方法) 是美国 ASHRAE ( 美国采
暖、制冷、空调师协会) 提出的计算方法。所谓 BIN
参数，即某一地区室外空气干球温度逐时值的出现
频率。BIN 方法首先根据某地气象参数，统计出一
呼和浩特 乌鲁木齐
西宁 兰州 银州 延安 西安 太原 石家庄 北京 包头 酒泉 大同 唐山 秦皇岛 天津 青岛 济南 郑州 洛阳 徐州 南京 上海 合肥 南昌 武汉 长沙 贵阳 拉萨
年供暖期总天数 /d 182 177 171 152 131 166 162 162 133 146 131 102 137 114 126 163 156 162 129 135 120 110 103 100 93 96 77 56 72 18 59 32 20 143
供暖度日数 / dd 5132 4938 4497 3587 2541 4017 4293 3451 2766 3168 2672 1724 2822 2109 2470 3928 3497 3758 2580 2754 2340 1881 1782 1660 1469 1574 1155 801 1080 239 856 432 262 2503
平板玻璃) 的最大日射得热量; Fi—朝向 i 的窗面 积，m2 ; n—外窗朝向数，定值; C Z —朝向 i 玻璃窗 综合遮挡系数，建筑情况确定情况下为定值; t—空
调系统日运行时数; C di—朝向 i 24 h 的日射冷负 荷系数和; FPS—7 月份( 1 月份) 的平均日照率; A—建筑物空调面积，m2 。
建筑能耗模拟框图如图 1 所示。
图 1 建筑能耗模拟框图
目前国际上比较流行的建筑能耗模拟分析软 件 有: 美 国 劳 伦 斯 伯 克 利 国 家 实 验 室 开 发 的 DOE － 2，用于居住和商用建筑的能量特性分析; 美 国纽约能源供应协会开发的 EA － OUI，主要用于 建筑模拟、节能分析、节能改造优化、投资分析等; 美国能源部开发的 Energy Plus，主要用于建筑能耗 特性模拟和负荷计算; 美国开利公司软件中心开发 的 HAP，主要用于能量特性、负荷计算、能耗模拟、 暖通空调设备的选型等。我国清华大学建筑技术 科学系经过 10 余年的努力，根据国内的实际情况， 逐步开发出一套面向设计人员的设计用模拟工具 DeST( Desinger' s Simulation Toolkit ) ，目的是把模 拟分析技术引入工程设计之中，为工程设计人员提 供实用有效的帮助。
是指在采暖期中，室外逐日平均温度低于室内温度
基数的度数之和，即:
n
∑ HDD = ( tR － tm，i ) i =1
式中: HDD—采暖期度日数，℃·d 或 dd; n—采
暖期天数或计算天数，d; tR—室内温度基数，℃ ，我 国一 般 取 18℃ ，国 外 取 18. 3℃ ( 65F ) ，也 有 取
2) 计算出各温度下负荷之后，乘以相应的频 数可得该温度下的能耗，即:
Q' = CL ( Ti) ·ni 3) 再累计求和就得需要统计的总温度范围内 的总能耗为:
∑ Q = C L ( Ti ) ·ni
计算结果如表 3 所示，累计的温度范围为22 ～ 35℃ 。
4) 将能耗项累计得到南向玻璃窗总能耗为 50. 191M J / m2 ，空调房间透过玻璃窗日射总能耗为 45172M J。
早期的温频法对负荷和温度的关系只找到了
两个点，认为透过玻璃窗的日射负荷与温度的关系
满足这两点确定的直线关系。这种计算方法过于
粗略: 一方面日射负荷与温度不是简单的直线关
系; 另一方面在确定两点时，负荷所对应的代表温
度的选取主观因素很大，缺乏客观标准。
原有 BIN 法计算透过玻璃窗日射负荷有:
SCL7( 1)
由于我国缺少专业的能耗分析队伍，而大型的 能耗分析程序较为复杂，没有经过培训或详细斟酌 难以完成计算，而且稍有不慎极易出错，且缺乏我 国自主开发的逐时气象数据。因此，详细的能耗计 算方法目前在国内没有得到普及适用，简便的能耗 计算方法在国内更容易推广。简便的能耗计算方 法有 度 日 法、温 频 法、当 量 满 负 荷 运 行 时 间 法 等。
定温度间隔的温度段各自出现的小时数，然后分别
计算在不同温度频段下的建筑能耗，并将计算结果
乘以各频 段 的 小 时 数，相 加 便 可 得 到 全 年 的 能 耗
量。
BIN 方法按频数计算能耗，简便直观，易于被
工程技术 人 员 接 受，在 我 国 得 到 了 较 为 广 泛 的 应
用。
3. 1 原 BIN 法计算日射负荷过程
tmax )
+ ( tmax － tbal ) ·Nmax］
式中: CCD ( tmax ) —以 tmax 为基准的供冷度日
数; Nmax —供冷季中室外气温升高到 tmax 以上的天 数; ηc—空调系统的效率。
表 1 全国部分城市采暖度日数( 基准温度 18℃)
地方 齐齐哈尔
哈尔滨 长春 沈阳 大连
15. 6℃ ( 60F) ; tm，i—第 i 天的室外日平均温度，℃ 。 同样还有空调度日数，指在供冷期内，室外逐
日平均温度高于室内温度基数的度数之和，即:
n
∑ CDD = ( tm，i － tR) i =1
我国一般取 tR = 26℃ 。为了计算精确，还定义
了以平衡温度 tbal ，对于某个室内设定温度 ti ，当温
度达到 tbal 时，得热 q gain 正好等于热损失。
tbal
=
ti
－
q gain K tot
式中: K tot —建筑的总热损失系数，W / ℃ 。
建筑全年采暖能耗有:
QH
=
K tot ·HDD( ηH
tbal )
式中: ηH—采暖系统能耗。
我国有齐全的度日数资料，可由住房和城乡建
设部颁发的《民用建筑设计标准》查出，按 18℃ 基
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建筑能耗分析方法的研究与实例
李晓山 ( 中国水利水电第十三工程局有限公司，天津 300384)
摘要: 建筑能耗分析是建筑节能和建筑能效管理的基础。在分析常用建筑能耗分析方法的基础上，对 比了计算机模拟法、度日法、温频法三种方法的优缺点，并简要介绍一些改进措施，使计算结果更符合 实际情况，为建筑能耗计算及节能措施研究提供有益的参考。 关键词: 能耗分析; 计算机模拟法; 度日法; 温频法; 温湿辐射频数法 中图分类号: TM111. 19 + 5 文献标识码: A 文章编号: 1004 － 7948( 2012) 04 － 0034 － 04 doi: 103969 / j． issn． 1004 － 7948． 2012． 04． 010
本文主要介绍计算机模拟计算法、度日法、温 频法，并简 要 分 析 各 自 优 缺 点 以 及 现 有 的 改 进 措 施。
1 计算机模拟计算法
建筑模拟方法是研究建筑能耗特性和评价建 筑设计的常用工具，它可以解决很多复杂的设计问 题，并将建筑能耗进行量化。
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、控制系统等。在 建筑物周期分析中，建筑能耗模拟软件可对建筑物 寿命周期的各个环节进行分析，包括设计、施工、运 行、管理。建筑能耗模拟软件应用领域包括建筑冷 热负荷计算、建筑能耗特性分析、建筑能源管理、控 制系统设计等。
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但是每种方法都存在着一些问题，各国的暖通设计 人员都在 努 力 完 善 这 些 方 法，使 其 更 接 近 实 际 情 况。
2 度日法
人们通常用语言来表述冷热的感觉，度日法可
以用度日数值来量化冷热的程度。采暖度 － 日数
某市一空 调 房 间 以 南 向 玻 璃 为 例，空 调 面 积 A r = 900m2 ; 单层钢窗，窗户面积 F = 60m2 ，5mm 茶色玻璃，浅蓝布帘内遮阳 。
1) 考虑玻璃类型、内遮阳及窗户有效面积，选 择玻璃窗综合遮挡系数 CZ = 0. 75。单位空调面积 日射负荷为:
C L ( Ti ) = F·C Z ·C f ( Ti ) / A r = 60 × 0. 75 × C f ( Ti) /900 = 0. 05C f ( Ti ) 代入各温度下的日射负荷 因数( 见表 2) ，即得不同温度时的日射负荷。
引言
当前，社会经济的可持续发展，要求暖通空调 ( HVAC) 的设计更加合理、高效。HVAC 系统的优 化设计，必须以全年能耗分析为基础。建筑能耗分 析是建筑节能和建筑能效管理的基础。
目前普遍使用的建筑能耗计算方法分为详细 计算法和简化计算法。国内外有不少的能耗计算 方法，这些方法在国内还没有得到普及使用。简化 的能耗计算方法主要有度日法、温频法、当量满负 荷运行时间法等。
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温度 T /℃
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
频数 n /h
404 460 375 333 269 211 187 159 123 81 43 21 7 2
度日数不太适合计算冷耗，因为需要制冷时， 太阳辐射对室内外温差影响显著，显然单纯考虑温 差作用的度日数法计算冷耗时有很大的误差。日 本进行建筑审批所使用的全年冷热负荷系数 PAL 计算中，采用了扩张度日数法，此方法考虑了新风 负荷、辐射负荷、室内热源负荷的计算，既能计算供 暖负荷，又能较好的计算供冷能耗。
n
∑ Fi·D j max ·C Z ·C di ·FPS
= i=1
t·A r
式中: SCL7( 1) —7 月 份 ( 1 月 份) 平 均 日 射 负
荷，W / m2 ; D j max —某朝向 7 月份 ( 1 月份) 最大日
射得热因数，W / m2 ，为在特定的内、外表面对流放
热系数条件下，得出通过标准玻璃( 3mm 普通常用
准温度计算出数据。表 1 所示为我国部分城市的
采暖度日数。
根据分析，影响理论基准温度的因素很多，只
用一个基准温度计算度日数是不够的，应用变基准
温度计算度日数，可提高计算准确性。
在供冷季，有时候可以通过开窗来使室内温度
降低，所以做供冷分析比做供暖分析复杂。供冷能
耗用下式计算:
Qc
=
K tot［CDD( ηc