1、建筑节能经济评价第十二章建筑节能技术经济分析第一节建筑能耗分析第二节建筑节能评估体系第三节建筑节能标准第四节目录Contents第五节建筑节能社会环境效益1建筑节能技术经济分析建筑节能技术经济分析12.1.1收益和成本,资金的时间价值能源费用是商用建筑经营管理单位每年最大的支出,仅次于人力资源费。因此无论对哪家单位,建筑能效管理的主要目的之一都是降低建筑物的运行成本,节支增效。一般而言,业主或设施管理人员想要投资一个建筑节能的项目,总是期望收益能大于成本,自己的投入能够在尽可能短的时间内回收。建筑节能项目潜在的收益包括:1)能源费用的节省。2)减小耗能设备的容量从而降低设备投资。3)减少耗能设
2、备的维护费用。4)减少运行管理人员从而降低劳动力开支。5)改善室内环境品质从而提高业主经营的效益。6)销售回收的能量得到的额外收入。7)降低环境污染。但是,在占用一笔资金(本金)作为建筑节能的投入时,必须为使用这笔资金付出一定的代价,这就是利息。占用资金的时间越长,付出的利息就越多。因此,利息就是资金的时间价值。式中Fn本利和;P本金;In利息;n计算利息的周期数。建筑节能技术经济分析利息通常根据利率来计算。利率是在一个计息周期内得到的利息与本金之比,用i表示式中I1在一个计息周期内的利息。在建筑节能技术经济分析中,往往要对项目整个寿命周期内的全部支出和全部收益进行评价。这时,必须要考虑资金的
3、时间价值,而不是简单地把不同时间发生的收支资金相加或相减。要用到资金等值计算公式。(1)一次支付终值公式所谓一次支付,就是所有现金流在一个时间点上一次发生。比如,为了完成一项节能改造项目,向银行贷款P,而在n年后连本(P)带息(i)一次还清,偿还的金额为F。该式与计算复利的公式是一样的。把P称为现值;F为终值;i为折现率。建筑节能技术经济分析如果用函数形式表示就是括号内的部分称为一次支付终值系数,可以査表,自己计算其实也很容易。(2)一次支付现值公式这实际上是已知终值求现值的逆运算。括号内称为一次支付现值系数。(3)等额分付终值公式也可以表述为或建筑节能技术经济分析所谓“等额分付”就是现金的流
4、入和流出在多个时间点上发生,且数额是相等的。比如,物业管理公司每年等额存入一笔设备改造基金A,在存款利率是i的条件下,第n年后可以得到一笔金额为F的基金。同样还有:(4)等额分付现值公式(5)等额分付偿债基金公式(6)等额分付资本回收公式建筑节能技术经济分析式(12-8)很重要。例如,为节能改造投入经费为P,希望节能产生的效益能在n年内将投资回收,那么每年由节能所产生的成本节约不能小于A。如果测算下来节约不到A,那么这个节能改造在经济上就是不合理的。可以把括号内部分记作(A/P,i%,n),称为资金回收系数。这里传递了一个重要信息:一个节能项目不管它技术上有多么先进,但如果不能带来经济上的回报
5、,或者节能的效益不能满足投资者的期望,那么这样的节能项目就不值得去做。建筑节能技术经济分析12.1.2经济评价方法如果不考虑资金的时间价值,可以用静态评价方法。一般而言,静态评价方法只能用于对节能方案的初期评价。而在做项目的可行性研究时,则必须采用考虑资金时间价值的动态评价方法。(1)静态投资回收期所谓投资回收期,就是用项目各年的净收入(各年的收入减去支出)将全部投资收回所需要的期限。静态投资回收期可根据式(12-9)计算。即式中K投资总额;Bt第t年的收入;Ct第t年的支出(不包括投资);NBt第t年的净收入,NBt=Bt-Ct;Tp投资回收期。建筑节能技术经济分析(2)静态投资收益率(回报
6、率)静态投资收益率是指项目在某一正常运行年份的净收益与投资总额的比值。其计算公式为如果R值小于预期回报率,则项目不可行。(3)净现值净现值是动态评价中最主要的指标之一。它把项目寿命周期内每年的现金流按一定折现率折现到同一时间点(通常是期初),在该点的现值累加值就是净现值。其计算公式为式中NPV净现值;CIt第t年的现金流入量;COt第t年的现金流出量;Kt第t年的投资支出;COt第t年除投资外的现金流出量,COt=COt-Kt;n项目寿命年限;i0基准折现率。建筑节能技术经济分析若NPV0,则项目可行;若NPV0,则项目不可行。在多个方案中,NPV越大越好。基准折现率i0又可称为目标收益率,是
7、决策者对资金时间价值的估值。它由三部分组成r1被称为投资的机会成本,即这笔资金如果投资别的项目可能得到的盈利率。基准折现率不能低于机会成本,否则投资该项目就没有意义。机会成本中包含了向银行贷款所付的利息。r2被称为年风险贴水率。由于在做可行性研究时无法预计项目执行期内投资环境、市场环境和项目采用的技术可能会发生的变化,如果有不利的变化就可能导致项目的收入减少,也就是存在一定的风险。为了补偿可能出现的风险,就要考虑一个适当的风险贴水率。也可在保险公司投保以转移风险。r3即年通货膨胀率。因为r1、r2、r3都是很小的数,因此基准折现率可近似表达为建筑节能技术经济分析(4)净年值净年值是指把项目的净
8、现值NPV分摊到寿命周期内各年(从第1年到第n年)所得到的等额年值。其计算公式为式中 NAV净年值;(A/P,i%,n)资金回收系数。若NAV0,则项目可行;若NAV0,则项目不可行。(5)费用现值与费用年值如果比较多个方案,且各方案需要的投资额相同,或多个方案均能满足同样需求,但产出效益无法用货币的价值形态来衡量(比如项目具有环保、教育等社会效益),可以用费用现值或费用年值来评价。建筑节能技术经济分析费用年值AC的计算公式为在多个方案中,费用现值或费用年值最小的方案为最优。(6)内部收益率内部收益率是指净现值为零时的折现率。它也是经济评价的一个重要指标。解下述方程可以得到内部收益率IRR。这
9、是一个高次方程,通常只能用试算法来解。即假定两个折现率i1和i2,i10,而NPV20,则有建筑节能技术经济分析如果IRR大于基准折现率i0,则项目可行。(7)动态投资回收期用试算法解出下面的方程。得到Tp便是动态投资回收期(年)。建筑节能技术经济分析12.1.3项目的寿命周期成本所谓“寿命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)”,是指建筑物或设备从设计、建造、使用直到拆毁的全过程的耗费。即产品“从摇篮到坟墓”的整个生命历程中的耗费。由于建筑物在建造过程中是在短时间内集中支出的,并且这些支出又会体现在售价或租金之中,因此建造成本(即初投资)容易引起人们的重视。而使用过程中的能耗、维
10、护、运行管理等的支出往往是建造成本的数倍,但由于它是分散支出的,因此人们会忽视,造成很多建筑物(或产品)“买得起,用不起”。表12-1就是一幢典型办公大楼的寿命周期成本各组成部分的比例。因此,对于建筑管理者来说,要用价值工程的思想,对建筑物做寿命周期成本分析。而选用节能设备和加强能效管理是降低寿命周期成本的有效措施。建筑节能技术经济分析建筑节能技术经济分析寿命周期成本计算公式实际就是在整个寿命周期里所有支出的净现值。其计算公式为具体到建筑物中,就有式中LCC某一方案总寿命周期成本的净现值;I初投资的净现值;Repl设备更新投资的净现值;Res寿命周期结束时的残值的净现值;E能源费的净现值;W水
11、费的净现值;OMR非燃料的运行、维护和修理费的净现值。建筑节能技术经济分析12.1.4资产增值在房地产估价理论中,一座房产的价值可以用该房产的年净经营收入(Net Operating Income,NOI)去除以房产的资本化率。即式中PV资产价值(Property Value);CR资本化率(Capitalization Ratio)。因此,这种估价方法在国外被称为“收入资本化方法”(Income Capitalization Approach),在我国被称为“收益法”。建筑节能技术经济分析净经营收入NOI应根据估价对象的具体情况计算。出租型房地产的净收益为租赁收入扣除维修费、管理费、保险费和
12、税金。商业经营型房地产的净经营收入为商品销售收入扣除商品销售成本、经营费用、商品销售税金及附加、管理费用、财务费用和商业利润。生产型房地产的净经营收入为产品销售收入扣除生产成本、产品销售费用、产品销售税金及附加、管理费用、财务费用和厂商利润。自用的房地产可以参照有收益的类似房地产的有关资料计算。资本化率CR可以用一些简单方法分析确定。一种是市场提取法,即调查搜集市场上三种以上类似房地产的价格、净收益等资料,用上述收益法计算公式求出资本化率。另一种是安全利率加风险调整值法,以安全利率加上风险调整值作为资本化率。所谓安全利率,是选用同一时期的一年期国债年利率或中国人民银行公布的一年定期存款年利率。
13、而风险调整值应根据估价对象所在地区的经济现状及未来预测、估价对象的用途及新旧程度等确定。一般而言,CR在8%12%。建筑节能技术经济分析在商用建筑中,能源成本显然也是要从营收中扣除的。因此,采取节能措施降低能源成本,可以使建筑资产增值。节约能源费,相当于增加了净经营收入NOI。美国市场转型研究所(IMT)首先提出了上述观点。但是研究人员也认为,要在房地产估价的实践中应用这一方法,还有以下一些障碍要克服:1)房地产估价师缺乏建筑节能方面权威性的信息。因为影响建筑能耗的因素很多。即使能耗数据或能源费账单表明某一建筑降低了能耗,它还必须拿出气象数据和入住率等数据作为佐证。因此必须要有一套完整的评价方
14、法和评价标准。2)房地产估价师缺乏建筑节能技术方面的知识。在房地产估价程序中,也没有要求有建筑能量特性方面的评估要求。3)对节能措施可靠性的怀疑。建筑节能技术经济分析2建筑能耗分析建筑能耗分析12.2.1建筑能耗的构成根据国际惯例,建筑能耗一般是指建筑使用过程中的能量消耗,主要包括供暖、通风、空调、照明、炊事燃料、家用电器和热水供应等方面的能耗。由于通过建筑围护结构散失的能量和供暖制冷系统的能耗在整个建筑能耗中占大部分(各部分能耗大体比例见表12-2),因此世界各国的建筑节能工作主要围绕提高建筑围护结构的保温隔热性能和提高供暖制冷系统效率两个方面展开。但要正确计算出建筑物在一定时期内的能源需求
15、量又是十分困难的。因为建筑物在使用过程中有许多不可预知的情况,影响能耗的因素也十分复杂,难以准确地把握。管理者可以利用过去运行的经验来估计未来的能耗。但必须具备以下条件:1)有详细的运行记录和能耗数据。2)对以往运行做分析。如果没有这些条件,可以用一些简单的估算方法或计算机模拟的方法进行能耗分析。本章将介绍几种常用的方法。建筑能耗分析12.2.2建筑能源装机容量估算建筑暖通空调系统能耗分析可以分成以下三个层次:(1)设计负荷(即装机冷热量)的估算在建筑物调试交工之前,物业管理者应对该工程项目做前期介入。装机冷热量估算的目的是检验设计的系统能否满足建筑物的冷热量需求。建筑所配置的空调供暖系统必须
16、满足最大负荷出现时的需求,即满足最热或最冷日的冷热量需求。(2)运行负荷(即全年或整个空调季的冷热量需求)的估算在建筑物日常运营中,能源费用是最大的开支。管理者必须了解建筑物全年冷热量需求,以便分析其中的节能节支潜力。(3)预测负荷的估算在设计或在做节能改造时,必须掌握所选用的系统或所采用的节能措施是否有效。建筑暖通空调系统装机冷热量和电力装机量的估算(即最初步的能耗分析),可以采用简单的负荷指标方法,也可以采用考虑建筑和运行特点的负荷估算方法。建筑能耗分析1.负荷指标方法负荷指标方法是用单位建筑面积的冷热量作为估算指标的。它是最简单但也是最粗糙的方法,可以将已建大楼的统计数据作为指标。因为影
17、响建筑负荷的因素很复杂,各种建筑的功能、建筑形式、使用方式有很大差别,所以这种负荷指标只能作为参考。上海200幢高层建筑中的调研结果表明,平均装机冷量为127W/m2。这200幢高层建筑的用途分布如图12-1所示。图12-1上海200幢高层建筑用途分布建筑能耗分析上海的高层建筑空调装机冷量根据建筑面积的大小也有所不同。图12-2所示是建筑面积与冷源容量的关系。图12-2建筑面积与冷源容量的关系建筑能耗分析从图12-3中可以发现,建筑面积越大,单位面积空调冷量越小。这是因为大面积的高层建筑中空调使用情况差异很大,也就是说有较大的负荷参差率,高峰冷量并不是将各部分和各房间的高峰负荷简单地叠加。大面
18、积高层建筑投资额较大,因此对围护结构的选材比较讲究,除了注重外观外也考虑其热特性,这也能在一定程度上减小空调装机冷量。图12-3装机冷量与统计幢数建筑能耗分析各种建筑冷热源设备装机容量的参考值,根据建筑物用途、功能确定单位面积的电力设备容量,见表12-3表12-5。注:R为冷热源容量(W),A为建筑面积(m2)。建筑能耗分析建筑能耗分析表12-4和表12-5的数据是20世纪80年代的数据。近年来我国经济高速增长,用电设备增加,在经济比较发达的中心城市,可以参考广东省的专家根据多年对广东各地供用电情况的统计和分析,按广东的经济发展状况和用电需求所推荐的各类建筑综合用电指标,见表12-6。建筑能耗
19、分析2.考虑建筑和运行特点的空调负荷估算方法在做空调负荷估算时,应考虑影响办公楼空调最大负荷的因素:建筑朝向、窗面积、外围护结构隔热保温、有无外遮檐、楼层位置、房间进深、新风量和设计室温等。基本设计条件见表12-7和表12-8。建筑能耗分析建筑能耗分析在不符合基本条件的场合,求出的最大热负荷要进行修正。在表12-7和表12-8的条件下,最大冷热负荷可用下式计算式中q周边区或内区最大冷热负荷(W/m2);q0基准冷热负荷(W/m2);qk因素k的修正冷热负荷(W/m2)。q0是供冷时南向房间、供暖时北向房间在基准设计条件下的最大冷热负荷,包括新风负荷。qk是基准条件以外的修正值。表12-9和表1
20、2-10给出了供暖用和供暖用的q0和qk值。q值为全热热量。按全年计算,建筑物负荷超过该值的危险率为2.5%。在表12-9和表12-10中:建筑能耗分析建筑能耗分析1)外围护结构隔热的大、中、小是指表12-11所给出的传热系数。根据窗墙比的不同取不同的值。根据传热系数的值进行内插或外插取修正负荷。2)外遮阳板挑出1m。建筑能耗分析3)房间进深是指从外围护结构到内区隔墙的距离。而楼角房间则由下式求出房间当量进深。即4)在做修正时,如果朝向、窗面积率、照明机器发热、在室人员数、房间进深、新风量和室温等数值与表中数据不同可以用内外插值法求出。除了表12-9和表12-10中的修正之外,还应根据空调分区
21、情况和预热时间等做其他修正。建筑能耗分析空调不分区时,用下式做修正式中Q空调不分区时的最大热负荷(W);qp、qi由式(12-22)计算得到的周边区、内区的最大负荷(W/m2);Ap由窗开始进深5m的假想周边区地板面积(m2);Ai假想周边区以外的房间地板面积(m2)。周边区空调机主要承担围护结构负荷时,用以下两式做修正。供暖用供冷用式中Q主要承担围护结构负荷的周边区空调设备的最大冷热负荷(W);qpn按式(12-22)计算得到的北向周边区最大热负荷(W/m2);lp外墙长度(m)；qp、qi由式(12-22)计算得到的周边区、内区的最大冷热负荷(W/m2)。建筑能耗分析如果预热预冷时间不是1
22、h,则由上述方法得到的最大冷热负荷须乘以表12-12中的修正系数。如果空调系统中采用全热换热器,则根据全热换热器的热回收效率,相应扣减新风量的比例。对银行、百货商店、超级市场、旅馆、餐厅、酒吧、公民会馆、图书馆、医院、剧场等其他公共和商用建筑,也设定了一些统一的基准设计条件,见表12-13。建筑能耗分析12.2.3用温度频率法(BIN方法)做建筑能耗分析所谓BIN参数,即某一地区室外空气干球温度逐时值的出现频率。建筑物空调供暖系统的容量是根据设计负荷(或称高峰负荷)选定的。但设计负荷在一年中出现的机会很少,多数时间处于部分负荷状态下。BIN方法首先根据某地气象参数,统计出一定温度间隔的温度段各
23、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。表12-14是上海地区2间隔、24h运行的BIN参数。根据空调系统运行情况,还可以做出10h运行、12h运行的BIN参数。表12-15是南京地区8:0018:00运行(不包括节假日)的BIN参数。建筑能耗分析建筑能耗分析一般而言,对于旅馆和酒店,用24h BIN参数;而对办公楼,则用10h或12h BIN参数。在BIN参数中找出四个与建筑能耗有关的代表温度:(1)高峰冷负荷温度(Peak Cooling)Tpc该地区最高温度段的代表温度(中点温度),上海地区为36。(2)中间冷负荷
24、温度(Intermediate Cooling)Tic该地区需要供冷的最低温度段的代表温度(中点温度),一般在2225。(3)中间热负荷温度(Intermediate Heating)Tih该地区开始供暖的温度段的代表温度(中点温度),一般在514。按我国供暖期的规定,也可定在5或8。对于要求较高的建筑(如高星级宾馆或医院),该温度应设得高一些。(4)高峰热负荷温度(Peak Heating)Tph该地区最低温度段的代表温度(中点温度),上海地区为-6。建筑能耗分析假定建筑围护结构形成的负荷、新风、渗透风负荷都与室外干球温度有着线性关系,则可以得到以下一组关系式:1)日射负荷:式中SCL7月份
25、和1月份的平均日射负荷(W/m2),分别记作SCL7和SCL1;n建筑物所有外窗的朝向数;MSHGFi朝向i 7月份和1月份的最大日射得热因数(W/m2);AGi朝向i的窗总面积(m2);SCi朝向i的遮阳系数;CLFTi朝向i 24h日射冷负荷系数之和;FPS7月份和1月份的月平均日照率;t空调系统运行小时数(h);Aac建筑物的空调面积(m2)。建筑能耗分析假定SCL与室外气温T之间存在如下的线性关系式中2)围护结构热传导负荷:热传导负荷由两部分组成:通过屋面、墙体、玻璃窗由温差引起的稳定传热部分;通过屋面、墙体由投射在外表面上的日射引起的不稳定传热部分。这两部分可分别用式(12-26)和
26、式(12-27)来计算。即式中TCL、THL分别为夏季、冬季由温差引起的传导负荷(W/m2);n建筑物的传导表面数;Ai第i个表面(或玻璃窗)的面积(m2);Ki第i个表面的传热系数W/(m2);T室外气温();TR室内设定温度()。建筑能耗分析式中TSCL7月份和1月份由日射形成的传导负荷,分别记作TSCL7和TSCL1;CLTDS7月份和1月份由日射形成的墙体冷负荷温差(),可査阅有关手册;KC墙体外表面颜色修正系数,可査阅有关手册。利用式(12-27)可建立在TSCL与T之间的线性关系。即式中建筑能耗分析3)内部发热量形成的负荷:式中AU平均使用系数,按空调期和非空调期各小时内部负荷占最
27、大内部负荷的比例分别进行平均;CLImax设备和照明的最大负荷或房间内最大人数时的人体散热;HF单位换算系数。4)渗透风、新风负荷:显热负荷潜热负荷式中V新风量或渗透风量(m3/h);d对应于各温度频段的室外空气含湿量(g/kg)。建筑能耗分析BIN气象参数除了统计各温度段出现的小时数外,还应给出对应的各小时湿球温度的平均值。用该频段的中点温度与平均湿球温度,便可得到该频段的代表含湿量d值。在新风和渗透风负荷计算中,如果空调系统没有加湿器,则可以忽略冬季潜热负荷,在Tpc和Tic之间的夏季潜热负荷应按各频段分别计算。建筑能耗分析12.2.4用度-日法做建筑能耗分析人们通常用语言来表述冷热的感觉
28、。比如,人们说“今天很冷”,就意味着今天的室外气温较之人能感到舒适的室内温度低得多,也意味着这一天的供暖能耗会比较大;人们说“今天很热”,就表明今天的空调冷量需求会很大,也表明由于空调的大量开启,这一天的供电负荷会形成高峰。可以用“度-日”数值来量化冷热的程度。常用的有供暖度日数(Heating Degree Day,HDD),指在供暖期中,室外逐日平均温度低于室内温度基数的度数之和。即式中HDD供暖度日数(d或dd);n供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,也有取15.6(60F);tm,i第i天的室外日平均温度()。建筑能耗分析简化统计方法可按下
29、式确定式中tm供暖期室外平均温度()。例如,某一天室外日平均气温为6,则这一天的供暖度日数HDD=12dd。同样,还有空调度日数(Cooling Degree Day,CDD),指在供冷期中,室外逐日平均温度高于室内温度基数的度数之和。即式中,各项符号的意义同上。我国夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准中规定tR=26。tR的取值是一件比较复杂的事情。因为并不是说室外气温一旦低于tR便马上开启供暖,很多情况下室内发热量(如照明、人体和设备)和日射得热量足以抵消热损失。而室内设定温度也不一定是18。因此又定义了一个平衡温度tbal,对于某个室内设定温度ti,当室温达到tbal时,得热qgain正好等
30、于热损失。建筑能耗分析即式中Ktot建筑的总热损失系数(W/)。式中A建筑面积(m2);qH各地供暖期耗热量指标(W/m2);te各地供暖期室外平均温度()。因此可以得到平衡温度tbal为当室外气温降低到tbal以下时需要供暖。这里的得热qgain值(特别是太阳辐射)必须按计算周期取平均值。供暖度日数HDD可以表示为建筑能耗分析因此,建筑全年供暖能耗可以用下式计算式中H供暖系统效率。用空调度日数做供冷能耗分析比供暖更困难。因为在整个供暖季外窗基本都是关闭的,空气渗透量也是基本恒定的。但在供冷季,实际上当平衡温度tbal在某个温度tmax之下时可以用开窗或全新风运行来供冷(图12-4)。图12-
31、4供冷起始温度建筑能耗分析因此,建筑全年供冷能耗可以用下式计算式中CDD(tmax)是以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;C空调系统的效率。但即使做了这样的改变,供冷能耗计算仍然存在一些不定因素,例如空调夜间停止运行、不同的空调控制方式等都会对能耗有影响。因此美国ASHRAE建议对供冷能耗分析最好用以小时气温为基础统计得到的“度时数”(Cooling Degree Hours,CDH)计算。对于建筑管理者而言,可以根据运行经验和运行数据的积累应用度-日法做能耗分析。建筑能耗分析第一步,用过去每月的供暖空调系统能耗数据建立起与相应月份的度日数之间的关系
32、。将能耗数值作为纵坐标,度日数作为横坐标,可以得到能耗与度日数的关系,如图12-5所示。从图12-5中可以看出,能耗点的分布基本上呈线性规律。因此,第二步可以将这些散点回归成直线。用Excel软件很容易做回归,并得出相应的直线方程(图12-6)。图12-5能耗与度日数的关系图12-6能耗与度日数的直数关系建筑能耗分析有时能耗点的分布可能比较分散,回归后的方差会比较大、相关系数比较小,但只要建筑管理者能确信自己的计量仪表是准确的,就可以忽略这些误差。由此得出的直线称为目标特性线(target characteristic line)。第三步,继续不断地将每月(或每星期)的能耗值标注到图上。这些点
33、应该十分接近目标特性线。当然,如果有某种意外情况或异常因素的影响,也会使能耗点远远偏离目标特性线。第四步,用目标特性线做运行能耗的分析。如图12-7所示,对应于度日数a,正常的能耗值应该是b,但实际值却是c,远高于正常值。这时,管理者需要分析原因,看是不是控制系统的失灵或某些设备效率的衰减。建筑能耗分析图12-7异常能耗值12.2.5用计算机模拟方法做建筑物能耗分析由于信息技术的迅速发展,为建筑能耗分析提供了强有力的工具。从20世纪70年代的全球石油危机之后,建筑能耗模拟越来越受到重视,同时随着计算机技术的飞速发展,使得大量复杂的计算成为可能。因此在全世界出现了一些建筑能耗模拟软件。建筑模拟方
34、法是研究建筑能耗特性和评价建筑设计的有力工具。它可以解决很多复杂的设计问题,并将建筑能耗进行量化,通过改变某些设计优化建筑的能源特性。建筑模拟的结果(图12-8)包括:建筑能耗数据;室内环境状况;设备和系统特性。图12-8建筑能耗模拟的主要部分建筑能耗分析建筑模拟软件一般包括四个部分:建筑模型;暖通空调系统模型;暖通空调设备模型;控制系统模型。目前国际上使用的建筑能耗分析软件很多,本节仅简要介绍国际上有一定权威性建筑能耗分析软件:美国的DOE-2和我国的DeST。1.美国DOE-2软件20世纪70年代能源危机之后,由美国能源部支持,能源部所属的劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berk
35、eley National Laboratory,LBNL)、咨询计算局(Consultants Computation Bureau,CCB)、阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,ANL)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory,LANL)共同开发出DOE-2的建筑能耗分析软件。美国能源部的初衷是推动建筑节能工作的开展,因此这个软件的名称其实就是能源部的缩写。建筑能耗分析DOE-2是一个在一定的气象参数、建筑结构、运行周期、能源费用和暖通空调设备条件下,逐时计算能耗和计算居住及商用建筑能源费用的软件。它用For
36、tran语言编成,能够在各种计算机(从巨型计算机到微型计算机)上运行。用DOE-2软件,设计者可以迅速选择改善建筑能耗特性、保持室内舒适性的建筑参数。图12-9和图12-10所示分别是DOE-2的软件结构图和程序框图。图12-10DOE-2程序框图图12-9DOE-2软件结构图建筑能耗分析(1)建筑描述语言处理器(BOL Processor)建筑描述语言处理器将使用者的任意格式的输入数据转换成计算机认可的格式。处理器还要计算出墙体的热反应系数以及房间的热反应权系数。在DOE-2的早期版本中,建筑描述语言(Building Description Language,BDL)是它的一大特色。DOE
37、-2将建筑构件变量直接用英语单词或词组来表示,从而简化了冗长繁杂的输入。但这一特色毕竟带有DOS操作系统时代的烙印。时至今日,DOE-2的新版本在数据输入方面还没有明显改进。这也就限制了它的进一步推广。(2)负荷模拟子程序(LOADS)假定对象房间处于用户设定的室内温湿度状态条件下,LOADS逐时计算供暖和供冷的显热和潜热负荷。LOADS会从气象资料数据库中读取当地的逐时气象参数和太阳辐射数据。而用户要设定室内人员、照明和设备的运行时间表。建筑能耗分析(3)暖通空调系统模拟子程序(HVAC)HVAC子程序分成两部分:SYSTEMS子程序处理二次系统;PLANT子程序处理一次系统。SYSTEMS
38、计算空气侧设备(如风机、盘管和风道)的特性,根据房间的新风需求、设备运行时间表、设备控制策略以及恒温控制器的设定点,修正由LOADS计算出的恒温负荷。SYSTEMS的输出是风量和盘管负荷。PLANT计算锅炉、冷水机组、冷却塔和蓄热槽等设备在满足二次系统盘管负荷时的状态。为了计算建筑的电力和燃料耗量,PLANT必须考虑一次设备的部分负荷效率。(4)经济分析子程序(ECON)ECON子程序用来计算能源费用。它也可以用来比较不同建筑设计的成本-效益,计算已建建筑节能改造所能产生的经济效益。(5)气象参数(Weather Data)一个地区的气象参数应包括室外干球温度、湿球温度、大气压、风速和风向、云
39、量以及太阳辐射。DOE-2提供了世界各国的一部分全年气象参数,其中包括我国的北京、上海、南京、成都、西安、哈尔滨、香港和乌鲁木齐8个城市的全年气象参数。建筑能耗分析(6)数据库(Library)DOE-2提供建筑材料的各种性能数据,包括墙体材料、分层墙体构造和窗。由于DOE-2在人机界面方面的局限,使许多民营研究机构和商业公司以DOE-2为核心进行二次开发,给它加上易于操作的界面投入商业化经营。美国能源部和劳伦斯伯克利国家实验室看来对此并不反对,因为这毕竟有利于建筑节能事业的发展。一部分经二次开发的产品见表12-16。建筑能耗分析其他一些国家也将DOE-2结合到本国的商用建筑设计、分析软件之中
40、。例如欧盟的COMBINE软件、芬兰的RIUSKA软件。与此同时,在美国能源部的支持下,LBNL也在致力于改进DOE-2。在DOE-2.1E版本的基础上,推出DOE-2.2版。新版本仍保留DOE的核心程序,但在人机交互界面、数据库等做了很大的改善和充实。例如,增加了气象参数自动生成、建筑描述的三维图形界面等功能。由于DOE-2软件经过多次实测验证,在美国的应用有不俗的业绩,加上强大的开发和技术支持背景,因此逐渐被世界各国所接受,成为最具权威性的建筑能耗分析软件。美国和其他一些国家的建筑节能国家标准,都是用DOE-2软件作为技术支持。我国夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ 1342010)
41、在编制中也大量引用了DOE-2的计算成果。建筑能耗分析2.面向设计的建筑能耗分析软件DeST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(Desingers Simulation Toolkit),目的是把模拟分析技术引入工程设计之中,为设计人员提供全面有力的帮助。DeST的主要特点在于充分考虑了设计的阶段性,根据设计的不同阶段采用不同的模拟方法,并且在不同的模拟模块之间建立数据连接。DeST充分考虑了设计人员的设计思路,用户只需很短时间就可以熟悉掌握。DeST适用操作系统为Windows系列,整个软件全面提供图形界面。在
42、PII300上计算一个有84个房间的建筑全年逐时室温只需要10min。建筑能耗分析DeST主要由以下模块组成:1)全年逐时气象数据处理模块Medpha(Meteorlogical Data Producer for HVAC analysis)。它包含我国193个主要城市的气象数据。Medpha采用可视化界面,用户可以方便地在我国地图上选取城市,也可以通过一个城市列表进行选择。输出格式可以根据用户的要求进行调整,生成不同类型的全年逐时气象数据。所有的气象数据是基于我国国家气象局对193个城市20年的实测数据通过随机算法模拟计算生成的。因此,Medpha是具有独立知识产权的软件。2)建筑分析模拟
43、模块BAS(Building Analysis and Simulation)。BAS是DeST的建筑模拟核心,采用“状态空间法”对整个建筑物多房间的热特性进行详细的模拟计算。用户可以选择全自动运行或者单独运行其中某个模块(如建筑结构分析、太阳辐射计算以及基础室温计算等)。建筑能耗分析3)计算机辅助建筑描述模块CABD(Computer Aid Building Description)。与国外模拟软件(DOE-2和TRNSYS)相比,CABD是采用CAD方式描述建筑最早、最成熟的程序。为了使建筑描述和实际的设计过程相一致,DeST提供基于ACADR14的建筑描述界面。4)空调系统方案模拟模块
44、Scheme(HVAC Scheme Simulation)。空调方案模拟是DeST中的一个重要模块,通过模拟在不同空调方案下建筑物的性能,对各种空调方案(分区、系统类型、运行方式等)的效果进行验证,并对选择空气处理装置提出详细的需求。5)全工况选择空气处理室模块ACSel。ACSel模拟在全工况下设备的运行状态,通过空调方案分析计算出全年逐时的机组回风状态、要求的送风状态、送风量和室外空气状态,ACSel自动找出最小能耗的处理过程,并且与具体的设备数据库相连,根据每一个小时下的工况对各种空气处理装置进行校验。建筑能耗分析6)风机、管道网络分析模块DNA/PNA(Duct/Pipe Netwo
45、rk Analysis)。DNA在分析风道和管网时采用“可及性分析”的模拟方法,即对于逐时要求的风量,通过模拟计算判断该管网是否能够实现风量分配,同时计算出每个时刻管网各处的压降和风机要求的压头,从而计算出风机所有的工况点,为选择风机提供依据。7)变风量末端的噪声分析模块NLA(Noise Lever Analysis of VAV terminal)。8)CPO模块是在确定了空气处理装置之后,根据要求的水温水量对冷冻机进行全工 况的校验。9)设备数据库EDB(Equipment Database)。10)基于知识库的经验数据维护模块 ECM(Experience Coefficients M
46、anagement)。建筑能耗分析3建筑节能评估体系建筑节能评估体系12.3.1建筑节能评估体系的组成及其相互关系评估体系是反映和评价建筑节能效果的依据,是由若干单项指标组成的整体。建筑节能综合评估体系是由相互关联、相互制约、不同层次的指标群构成的一个有机整体,能较全面反映该地区居住建筑节能设计内涵的基本特征。评价指标不完全等同于节能设计指标。节能设计分项指标过于具体,而且各指标相对独立,缺乏有效的关联,无法进行建筑各部分能耗直接的平衡分析;节能设计综合指标计算方法繁杂,不能得到有效的应用。评价指标将是节能分项指标的综合和对节能综合指标的简化。借鉴欧美等国家的成熟经验,结合我国现阶段的社会、经
47、济发展水平,我国的建筑节能评估体系应包括以下内容:1)计算建筑特定时间段内的总能耗量。用于对现有民用建筑或商业建筑的能量利用效率进行分析和评估。2)计算建筑外围护结构的传热系数、窗户的渗透系数、挑檐等的遮阳系数。用于检测建筑外墙传热系数、外窗密封性能是否达到标准或规范的要求。3)计算室内气流的流动状况、室内空气的温湿度分布状况,得出室内环境的舒适度评价指数。用于评价建筑的室内空气品质。4)计算不同自然采光方案和人工照明方案组合下的室内光环境指数。用于评价室内光照是否达到规定的标准。5)计算系统周期运行能耗、寿命周期成本。用于经济效益分析。6)通过对室外干、湿球温度的分析计算,太阳活动对建筑热工
48、状况的影响,确定最合适的室外气象设计参数和最有效的太阳能利用方案。建筑节能评估体系7)根据对当地气象条件、建筑周围环境和建筑维护结构的分析,给出可再生能源的利用方案;或者对已有的再生能源利用方案做出评估。包括是否可利用再生能源降低建筑能耗需求,是否可利用再生能源提高建筑能耗系统效率,或对利用其他更高级的再生能源(如氢能)做投资回报分析、寿命周期成本分析等。8)将计算结果量化为我国现有的建筑节能相关标准规范所规定的指标,并与标准规范相比较,最后给出建筑的节能率和节能评估报告书。建筑节能评估体系12.3.2建筑节能评估体系应遵守的原则1)科学性原则:指标概念必须明确,具有一定的科学内涵,能够较客观
49、地反映复合系统内部结构关系。2)可行性原则:指标内容应简单明了,有较强的可比性,而且易于获取,便于操作。3)层次性原则:建筑节能评价是一个复合的大系统,可分解为若干子系统,因此,建筑节能综合评价指标体系通常由多个层次的指标构成。4)完备性原则:要求指标体系覆盖面较广,能够比较全面地反映影响节能综合指标的各种因素。5)主导性原则:建立指标时应尽量选择那些有代表性的综合指标。6)独立性原则:度量建筑节能效果的指标往往存在信息上的重叠,所以要尽量选择那些具有相对独立性的指标。建立指标时,上述各项原则既要综合考虑,又要区别对待。对各项原则的把握标准,不能强求一致。建筑节能评估体系12.3.1建筑节能评
50、估的主要内容建筑节能评估从建设项目的时间顺序来讲,主要分事前、事后两个阶段。事前主要指在建筑物的设计阶段,根据设计方案进行数值模拟,计算预估出建筑物的能耗。事后主要指在建筑物落成使用之后,现场测试以及根据现场测试数据进行数值模拟,确定建筑物的能耗。事前进行节能效率预估,主要是为了便于监督,从源头抓好节能工作,发现问题可以及时改进,避免造成既成事实,稳步推进建筑节能。事前节能效率预估的方法是选定一种模拟软件,输入建筑结构,输入建筑材料和建筑构件物理参数,输入设备类型的性能参数,输入当地气象资料、使用条件,即可算出能耗结果。有了这一结果,可以定出指标。便于对比,便于管理;由此可以判断待建的建筑物是
