圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能及權(quán)衡計(jì)算-軟件說明.doc

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圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的權(quán)衡計(jì)算 ――― 軟件說明 當(dāng)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能權(quán)衡計(jì)算時(shí)，需要應(yīng)用動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件。由中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑物理研究所開發(fā)的建筑能耗動(dòng)態(tài)模擬分析計(jì)算軟件，適用于辦公建筑及其它各類公共建筑的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)評(píng)審。其計(jì)算內(nèi)核為美國(guó)勞倫斯伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）開發(fā)的DOE-2程序，可以對(duì)建筑物的采暖空調(diào)負(fù)荷、采暖空調(diào)設(shè)備的能耗等進(jìn)行全年8760小時(shí)的逐時(shí)能耗模擬。 在標(biāo)準(zhǔn)宣貫和使用過程中，大量采取能耗分析軟件的主要原因在于：標(biāo)準(zhǔn)對(duì)性能化設(shè)計(jì)方法的要求以及權(quán)衡判斷（Trade-off）節(jié)能指標(biāo)法的引入。 首先，在標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置了兩種指標(biāo)來控制節(jié)能設(shè)計(jì)，第一種指標(biāo)稱為規(guī)定性指標(biāo)，第二種指標(biāo)稱為性能性指標(biāo)。規(guī)定性指標(biāo)規(guī)定建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、窗墻比、體形系數(shù)等參數(shù)限值，當(dāng)所設(shè)計(jì)的建筑能夠符合這些規(guī)定時(shí)，該建筑就可判定為符合《標(biāo)準(zhǔn)》要求的節(jié)能建筑。規(guī)定性指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單，無需復(fù)雜的計(jì)算。但是規(guī)定性指標(biāo)也在一定程度上限制了建筑設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性。性能性指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)在于突破建筑設(shè)計(jì)的剛性限制，節(jié)能目標(biāo)可以通過調(diào)整圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能等措施來達(dá)到。也就是說性能性指標(biāo)不規(guī)定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)，但是必須對(duì)所設(shè)計(jì)的整棟建筑在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一系列條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，單位面積采暖空調(diào)和照明的年能耗量不得超過參照建筑的限值。因此使用性能性指標(biāo)來審核時(shí)需要經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，這種計(jì)算只能用專門的計(jì)算軟件來實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)，從實(shí)際使用情況來看，近年來公共建筑的窗墻面積比有越來越大的趨勢(shì)，建筑立面更加通透美觀，建筑形態(tài)也更為豐富。因此，傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中對(duì)窗墻面積比的規(guī)定很可能不能滿足本條文規(guī)定的要求。須采用標(biāo)準(zhǔn)第4.3節(jié)的權(quán)衡判斷（Trade-off）來判定其是否滿足節(jié)能要求。 圖B-1 公建標(biāo)準(zhǔn)權(quán)衡判斷（Trade-off）評(píng)價(jià)流程 一、能耗分析計(jì)算原理 建筑物的傳熱過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，建筑物的得熱或失熱是隨時(shí)隨地隨著室內(nèi)外氣候條件變化的。因此，為了較準(zhǔn)確地計(jì)算采暖空調(diào)負(fù)荷，并與現(xiàn)行國(guó)標(biāo)保持一致，需要采用動(dòng)態(tài)計(jì)算方法分析建筑能耗及影響其大小的因素。 動(dòng)態(tài)計(jì)算方法有很多，DOE-2用反應(yīng)系數(shù)法來計(jì)算建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量。反應(yīng)系數(shù)法是先計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面溫度和熱流。由一個(gè)單位三角波溫度擾量的反應(yīng)計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸熱、放熱和傳熱反應(yīng)系數(shù)，然后將任意變化的室外溫度分解成一個(gè)個(gè)可迭加的三角波，利用導(dǎo)熱微分方程可迭加的性質(zhì)，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)每一個(gè)溫度三角波的反應(yīng)迭加起來，得到任意一個(gè)時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度和熱流。 反應(yīng)系數(shù)的計(jì)算可以參考專門的資料或使用專門的計(jì)算程序，有了反應(yīng)系數(shù)后就可以利用下式計(jì)算第n個(gè)時(shí)刻，室內(nèi)從室外通過板壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱得熱量HG（n） 式中：tz(n-j)——第n-j時(shí)刻室外綜合溫度； tr(n-j)——第n-j時(shí)刻室內(nèi)溫度； 當(dāng)室內(nèi)溫度tr不變時(shí)，此式還可以簡(jiǎn)化成： 式中，K是板壁的傳熱系數(shù)。在計(jì)算思路上，DOE-2是一種正向思維，即根據(jù)室外氣象條件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況，計(jì)算出室內(nèi)溫度以及室內(nèi)得熱量。對(duì)要控制室內(nèi)熱環(huán)境的房間，由選定的采暖空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷情況提供冷（熱）量，以維持室溫在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。DOE-2的計(jì)算過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程，后一時(shí)刻室內(nèi)的溫度、冷熱負(fù)荷、以及采暖空調(diào)設(shè)備的耗電量要受前一時(shí)刻的影響。程序根據(jù)輸入的建筑情況和室內(nèi)設(shè)定溫度值的要求，動(dòng)態(tài)計(jì)算出建筑物的全年能耗情況，并以各種表格形式輸出。 二、Doe2IN應(yīng)用程序的使用 用戶運(yùn)用Doe2IN應(yīng)用程序進(jìn)行建筑物的能耗計(jì)算，首先應(yīng)明確Doe2IN所要求的工作：遵循Doe2IN應(yīng)用程序的約定，以Doe2IN定義的輸入方式，對(duì)將要進(jìn)行能耗計(jì)算的建筑物進(jìn)行描述——輸入建筑物的構(gòu)成。 Ⅰ 建筑物基本數(shù)據(jù) 城市、材料、門窗、構(gòu)造 Ⅱ 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu) 一般信息、樓板與屋頂、房間、窗戶 Ⅲ 建筑物空調(diào)系統(tǒng)劃分等計(jì)算參數(shù) 輸入建筑物的構(gòu)成 （通過Doe2IN提供的Windows標(biāo)準(zhǔn)對(duì)話框輸入完成） 建筑物能耗模擬計(jì)算 （DOE-2程序完成） 生成并輸出計(jì)算結(jié)果 （Doe2IN及其它Windows應(yīng)用程序完成） Doe2IN進(jìn)行建筑物的能耗計(jì)算，按照下面的順序進(jìn)行： 圖B-2 Doe2IN建筑物能耗計(jì)算流程 從流程圖可以看出，Doe2IN進(jìn)行建筑物能耗計(jì)算的三個(gè)步驟中，需要用戶參與的只是第一步。 如果用戶正確地完成了建筑物構(gòu)成的輸入工作，其余的工作都由Doe2IN應(yīng)用程序完成；同時(shí)只要用戶的輸入是準(zhǔn)確的，計(jì)算結(jié)果也將是準(zhǔn)確的。 流程圖中的第一步建筑物的構(gòu)成包括三部分信息：建筑物的基本數(shù)據(jù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成、建筑物的空調(diào)系統(tǒng)劃分等其它計(jì)算參數(shù)的設(shè)定。這三部分的信息需要用戶輸入按照Doe2IN規(guī)定的順序進(jìn)行輸入。 ① 建筑物的基本數(shù)據(jù)：建筑物所處城市、建筑物所用到的材料、建筑物的門窗、建筑物的外墻板、內(nèi)墻板、地面板、樓板、屋頂板的分層構(gòu)造。 這四類數(shù)據(jù)的輸入都是在相應(yīng)的對(duì)話框中進(jìn)行，輸入較為簡(jiǎn)單。 ② 建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輸入：這一步中需要用戶依次輸入建筑物的一般信息、建筑物的樓板與屋頂、建筑物的房間、建筑物外墻上的窗戶或遮陽。 運(yùn)用Doe2IN應(yīng)用程序?qū)σ粋€(gè)建筑物進(jìn)行能耗計(jì)算時(shí)，這一步的輸入是最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。雖然實(shí)際工程中建筑物形式的復(fù)雜多變將導(dǎo)致輸入工作量的增加，但只要用戶遵循Doe2IN應(yīng)用程序的約定，充分利用Doe2IN提供的簡(jiǎn)化命令，將極大地提高輸入工作的效率。關(guān)于這部分的輸入方法與技巧請(qǐng)參見Doe2IN使用手冊(cè)中給出的詳細(xì)說明。 ③建筑物空調(diào)系統(tǒng)劃分等計(jì)算參數(shù)的設(shè)定：劃分建筑物的空調(diào)系統(tǒng)、設(shè)定建筑物的室內(nèi)負(fù)荷強(qiáng)度、照明時(shí)間表、采暖空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間表。 實(shí)際上這幾項(xiàng)參數(shù)中需要用戶操作的只有第一項(xiàng)劃分系統(tǒng)，劃分系統(tǒng)在Doe2IN提供的采暖空調(diào)系統(tǒng)劃分對(duì)話框中進(jìn)行，操作非常簡(jiǎn)單；而后面三項(xiàng)參數(shù)使用Doe2IN提供的缺省值即可，一般情況下并不需要用戶輸入，除非用戶要自行設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)數(shù)值。 三、Doe2IN應(yīng)用程序界面介紹 應(yīng)用程序的操作菜單主要包括工程文件管理、界面窗口設(shè)置、建筑物數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算結(jié)果輸出幾類，其中最為常用的是輸入和輸出兩項(xiàng)，在這兩個(gè)下拉菜單中包括了應(yīng)用程序的所用命令選項(xiàng)。 用戶可使用自定義的構(gòu)造模板，將“構(gòu)造模板.doe”工程文件中的構(gòu)造種類替換為當(dāng)?shù)爻Ｓ玫臉?gòu)造、門窗，并更改其中的城市為當(dāng)?shù)厮幱诔鞘?、這樣新建一個(gè)工程時(shí)，可以在這個(gè)模板的基礎(chǔ)上新建，省去重復(fù)的操作。 在進(jìn)行任何一個(gè)建筑物的輸入之前，建議用戶先讀建筑圖：對(duì)建筑物的構(gòu)造形式、各層平面布局、剖面構(gòu)成有一個(gè)總體的把握，之后繪制標(biāo)準(zhǔn)樓層的樓板輸入草圖，以這張草圖為后面的輸入依據(jù)， 1. 讀建筑圖繪制樓板輸入草圖 根據(jù)建筑物的平面圖繪制樓板輸入草圖時(shí)，進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，這種簡(jiǎn)化對(duì)建筑物能耗的計(jì)算結(jié)果影響不大。 在對(duì)話框中“選擇城市”列表框中選擇建筑物所處城市（用鼠標(biāo)左鍵單擊省份或直轄市前的“+”，將在列表框中展開轄區(qū)內(nèi)的城市列表），城市的城市名稱、緯度、經(jīng)度、海拔、時(shí)區(qū)、氣象數(shù)據(jù)等參數(shù)將自動(dòng)顯示在列表框左側(cè)對(duì)應(yīng)窗口中。 2. 選擇建筑材料 點(diǎn)擊工具條中“材料”按鈕或選中輸入菜單中對(duì)應(yīng)選項(xiàng)，將彈出“建筑材料”對(duì)話框。 3. 選擇建筑門窗 點(diǎn)擊工具條中“窗戶”按鈕或選中輸入菜單中對(duì)應(yīng)選項(xiàng)，將彈出建筑窗戶對(duì)話框。 點(diǎn)擊對(duì)話框“序號(hào)”窗口的向上或向下箭頭，將序號(hào)調(diào)到相應(yīng)數(shù)值；在窗列表框內(nèi)雙擊所用窗戶名稱，選中窗戶的名稱、傳熱系數(shù)、窗寬、窗高、遮蔽系數(shù)等參數(shù)將顯示在對(duì)應(yīng)編輯窗口中。 4. 輸入建筑構(gòu)造 點(diǎn)擊工具條中“構(gòu)造”按鈕或選中輸入菜單中對(duì)應(yīng)選項(xiàng)，將彈出多層構(gòu)造對(duì)話框。先確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造種類數(shù)，并逐個(gè)輸入每種構(gòu)造。 5. 輸入建筑物一般信息 點(diǎn)擊程序主界面右側(cè)工具條中的建筑按鈕，彈出“圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般信息”對(duì)話框。目前，Doe2IN輸入建筑外形采用手工輸入方式。 6. 輸入樓板/屋頂 點(diǎn)擊程序主界面右側(cè)工具條中的樓板按鈕，彈出樓板對(duì)話框。 在這個(gè)對(duì)話框中將完成本算例建筑物的所有樓板/屋頂輸入，完成這個(gè)對(duì)話框的輸入之后，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的輸入就基本完成了。本對(duì)話框的輸入要借助于前面的房間樓板劃分草圖進(jìn)行。程序?qū)前宓妮斎氩捎昧酥饘印⒅饓K的輸入方式，因此按照下面的步驟輸入樓板，這里基本選擇繪圖模式的樓板輸入方法，只是對(duì)當(dāng)前樓層的第一塊樓板采用了輸入坐標(biāo)的輸入方式，其它各塊樓板都是依據(jù)上一塊樓板的位置在樓板平面視圖中直接繪制的，同時(shí)運(yùn)用了鏡像復(fù)制、樓層拷貝簡(jiǎn)化命令。 7. 頂層屋頂?shù)纳? 將頂層樓板拷貝到（建筑物總層數(shù)+1）層樓板，之后對(duì)這層樓板執(zhí)行整層轉(zhuǎn)屋頂命令，應(yīng)用程序?qū)⒆詣?dòng)生成建筑物的平屋頂。 8. 劃分房間 為了完成建筑物的不同房間的能耗計(jì)算，需要對(duì)建筑物的每個(gè)樓層劃分房間：確認(rèn)每塊樓板歸屬的房間、此房間的屬性、用戶對(duì)此房間計(jì)算結(jié)果的處理要求。應(yīng)用程序確認(rèn)房間是以樓層為單位進(jìn)行的，用戶可以對(duì)當(dāng)前的一層或幾層樓層的各塊樓板進(jìn)行歸屬房間的確認(rèn) 9. 確認(rèn)并檢查建筑物房間構(gòu)成狀態(tài) 按照本算例的輸入步驟，當(dāng)用戶完成建筑物樓板的輸入、劃分房間并確認(rèn)每一塊樓板的房間歸屬之后，應(yīng)用程序會(huì)自動(dòng)依據(jù)這些信息，自動(dòng)生成建筑物所有房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。 如果用戶的輸入是規(guī)范正確的，應(yīng)用程序生成的各個(gè)房間的構(gòu)成也將是正確的；而如果輸入出錯(cuò)，將導(dǎo)致房間構(gòu)成的生成出錯(cuò)，使得建筑物能耗計(jì)算不能正常進(jìn)行；因此在完成樓板輸入、房間劃分操作之后，應(yīng)用程序要求用戶對(duì)各個(gè)房間的構(gòu)成狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)檢查，對(duì)其中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行處理，并將確認(rèn)的結(jié)果反饋給應(yīng)用程序。 如果某個(gè)房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成出錯(cuò)，需要用戶進(jìn)行添加或刪除圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的操作。每次要對(duì)一個(gè)房間的構(gòu)成進(jìn)行修改之前，都要先定位到此房間：在房間平面視圖中用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊這個(gè)房間的顯示區(qū)域，之后就可以進(jìn)行添加或者刪除操作了。 10. 外墻加窗 按照前面介紹的步驟完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)樓板的輸入、劃分房間、確認(rèn)房間狀態(tài)之后，應(yīng)用程序?qū)⒆詣?dòng)生成建筑物的所有墻體，并在輸入墻體中的窗戶以及窗戶的遮陽。 11. 劃分系統(tǒng) 點(diǎn)擊菜單條中“輸入\房間屬性”，確定各房間屬性。在“輸入\日作息時(shí)刻表”中，確定內(nèi)熱擾和設(shè)定溫度的運(yùn)行模式。點(diǎn)擊應(yīng)用程序主界面右側(cè)工具條中 按鈕，將彈出采暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定對(duì)話框。輸入建筑物空調(diào)系統(tǒng)劃分、采暖空調(diào)設(shè)備能效比等參數(shù)。 12. 建筑模型顯示 當(dāng)上述所有步驟結(jié)束后點(diǎn)擊“輸出建筑描述文件”和“顯示建筑物的模型”菜單命令條，可以輸出3維建筑模型。 13. 計(jì)算與結(jié)果輸出 按照前面的步驟完成本算例建筑物構(gòu)成的輸入之后，就可以運(yùn)用Doe2IN應(yīng)用程序進(jìn)行建筑物能耗的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，并且完成建筑物能耗計(jì)算結(jié)果的輸出與打印。實(shí)際上模擬計(jì)算結(jié)果非常豐富，用戶可以依據(jù)實(shí)際工程的需要進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的摘要。 上述例子是一個(gè)典型政府辦公建筑的模型，同樣用Doe2IN軟件對(duì)復(fù)雜辦公樓進(jìn)行建模。對(duì)于非規(guī)則形體建筑可以用各種形狀樓板進(jìn)行拼接組合成復(fù)雜形狀。對(duì)于中庭或躍層式建筑，可以將該部分樓板設(shè)置成“虛擬樓板”。 隨著進(jìn)一步完善，Doe2IN今后可以方便地對(duì)球形或旋轉(zhuǎn)曲面外形進(jìn)行輸入，并提供更多的空調(diào)系統(tǒng)和冷熱源形式，滿足公共建筑功能和系統(tǒng)復(fù)雜性問題。