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大厦能耗分析论文

大厦能耗分析

摘要

我国建筑总能耗约占社会终端能耗的20.7%。

其中，北方城镇建筑采暖和农村生活用煤约为1.6亿吨标煤/年，占我国2004年煤产量的11.4%；建筑用电和其它类型的建筑用能（炊事、照明、家电、生活热水等）折合为电力，总计约为5500亿度/年，占全国社会终端电耗的27%~29%。

本文将利用能耗模拟软件DeST等工具通过对青岛市香港花园香岛大厦这一具体的项目建立一个能耗分析模拟计算模型，对香岛大厦从建筑规划设计方案、维护结构节能设计、用户行为参数等做出一个耗能评估，主要对墙体材料针、外墙窗墙比、空调系统等对其具体情况提出一些优化的简易方法。

对于这样的能耗分析进行推广，有利于对大范围的城市建筑的能源消耗进行合理优化，降低能源的消耗，促进能源的可持续利用和发展。

关键词：

DEST建筑能耗窗墙比材料

Abstract

China'stotalenergyconsumptionofbuildingenergyconsumptionaccountsforabout20.7%ofthecommunity.Amongthem,thenortherntownsandrurallife,buildingheatingcoalabout1.6milliontonnesofcoal/year,accountingforChina'scoalproductionin2004to11.4%;buildingelectricityandothertypesofbuildingenergy（cooking,lighting,appliances,hotlifewater,etc.）isconvertedintoelectricity,atotalofabout550billionkWh/year,representingtheNationalSocialterminalpowerconsumptionof27%~29%.ThisarticlewillusetheenergysimulationsoftwaretoolssuchasbyDeSTQingdaoBuilding,GardenIslandthisspecificprojecttobuildasimulationmodelforenergyanalysis,buildingontheIslanddesignfromarchitecturalplanning,maintenanceofenergy-savingdesign,userbehaviorparameterstomakeanenergyassessment,themainmaterialontheneedlewall,externalwindowwallratio,air-conditioningsystemoptimizedforitsspecificcircumstancessomesimplemethod.Forsuchenergyanalysistopromote,helponawiderangeofcitybuildingsreasonablyoptimizeenergyconsumption,reduceenergyconsumption,promotesustainableenergyuseanddevelopment.

Keywords:

DESTbuildingenergyconsumptionratioofwindowtowallmaterial

第一章绪论1

1.1论文综述1

1.2论文课题、研究内容3

第二章建筑能耗分析所采用的工具和方法4

2.1工具软件：

Dest-c简介4

2.2建立能耗模型的理论依据6

2.2.1建筑物耗冷量指标构成6

2.2.2围护结构耗冷计算及分析6

2.2.3建筑能耗的模拟计算方法7

第三章香岛大厦能耗模型的建立和分析8

3.1模拟工具8

3.2模拟对象的地理位置、气象条件8

3.3模型的建立以及参数的设置9

3.3.1参数的设置9

3.3.2模型建立11

3.4香岛大厦能耗模拟部分结果15

第四章香岛大厦围护结构比较、分析16

4.1研究不同窗墙比对建筑影响16

4.1.1方案2模拟结果17

4.1.2方案3模拟结果17

4.1.3方案4模拟结果18

4.1.5不同窗墙比方案的结果分析19

不同窗墙比方案计算结果见下表4.420

4.2不同外墙保温层厚度对建筑负荷的影响20

不同的外墙保温层厚度不同，隔热能力各不相同，现选定几种常见外墙材料进行建筑负荷的对比分析。

4.2.1方案1模拟结果21

4.2.2方案2模拟结果22

4.2.3方案3模拟结果24

4.2.4方案4模拟结果25

4.2.5不同外墙保温层材料及不同厚度对建筑能耗的对比分析27

4.3不同外窗类型对建筑负荷的影响27

4.3.1方案一能耗分析结果28

4.3.2方案二能耗分析结果29

4.3.3方案三能耗分析结果30

4.3.4方案四能耗分析结果31

4.3.5不同外窗类型下建筑能耗分析的对比32

第五章结论、总结与建议33

第六章参考文献34

致谢36

第一章绪论

1.1论文综述

当今世界，能源问题已经成为人们日益关注的问题。

中国是世界上人口最多的国家，也是世界上的能源生产和消费大国。

目前，我国的能源产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位，虽然中国资源总量较大，但是人均占有量少，人均能源资源可采储量远低于世界水平,分别是石油11.3%，天然气3.8%，煤51.3%。

经济、能源与环境的协调和可持续发展，是实现我国现代化目标的重要前提，人口过多、资源相对不足是我国面临的巨大挑战。

我国建筑用能的特点是：

（1）建筑规模大：

近几年由于住房制度改革，建筑增长速度快；

（2）建筑热工性能差：

房屋建筑保温、隔热和气密性却很差，由于空气渗透的热量占全部热损失的一半以上，这些建筑需要大量的建造能耗和使用能耗。

（3）采暖效率低：

采暖设备落后，供暖效率低成本高，对环境污染大，同时系统内室温冷暖不匀现象严重。

在建筑能耗中以采暖能耗数量最多。

据北方35个城市的调查统计，有24个城市住宅建筑供暖单位建筑面积的平均耗煤量比1980至1981年住宅通用设计计算耗煤量高出34．8％。

与此同时，供暖期度日数相近的城市，其平均供暖能耗相差达1.2倍。

据统计，我国以供暖空调为主的建筑能耗占全国能耗的10.7％，占供暖地区社会总能耗的21.4％。

目前我国每年新建建筑中，只有10％～15％能达到国家制定的强制性节能标准，80％以上为高耗能建筑；既有的400亿平米建筑中，95％以上是高能耗建筑，单位面积采暖所消耗能源相当于气候条件相近的发达国家的3倍，但热舒适度却不及人家，这是因为我们的建筑围护结构保温隔热性能差，采暖用能的2／3白白跑掉了。

中国正处于房屋建筑的高峰期，预测在未来的15年，还将建成约200亿m2的房屋，数量如此巨大而我国能源状况充分反映了能源发展中存在的问题。

如果再不注重节能降耗问题，这将对社会造成沉重的能源负担和严重的环境污染，制约我国的可持续发展。

我国已经编制和正在编制的居住建筑与公共建筑节能设计标准，通过改善建筑围护结构保温隔热性能，以及提高设备和系统能源利用效率，做到节能50％。

实践证明，新建居住建筑节能投资和既有建筑节能改造成本，约为80～120元／m2，只要采取经济实用、切合实际的节能措施，一般可以通过产生的节能效益在5年左右得到回收。

我国蕴含的节能潜力

我国建筑总能耗约占社会终端能耗的20.7%。

1、北方城镇采暖能耗

我国北方城镇采暖能耗占全国建筑总能耗的36%，为建筑能源消耗的最大组成部分。

单位面积采暖平均能耗折合标准煤为20kg/m2·年，为北欧等同纬度条件下建筑采暖能耗的2~4倍。

能耗高的主要原因有3个。

一是围护结构保温不良。

二是供热系统效率不高，各输配环节热量损失严重。

三是热源效率不高。

由于大量小型燃煤锅炉效率低下，热源目前的平均节能潜力在15%~20%。

2、大型公共建筑能耗

目前我国有5亿m2左右的大型公共建筑。

耗电量为70~300kWh/m2年，为住宅的10～20倍，是建筑能源消耗的高密度领域。

调查结果表明，这类建筑能源浪费现象仍较严重，有很大的节能潜力。

3、住宅与一般公共建筑的非采暖能耗

我国城镇的住宅总面积约为100亿m2。

除采暖外的住宅能耗包括照明、炊事、生活热水、家电、空调等，折合用电量为10~30kwh/m2·年，用电总量约占我国全年供电量的10%。

一般公共建筑总面积约55亿m2，用电总量约占我国全年供电量的8%。

目前这两类建筑的能耗水平低于发达国家，这主要是由于建筑提供的服务水平不高。

由于我国能源费用相对于居民收入偏高，绝大部分城镇住宅的用电水平较低，生活热水用量远小于发达国家水平。

随着生活水平的提高，住宅和一般公共建筑内用户提出了更高的建筑服务水平要求。

此外，近年来在一些大城市出现了一批高档豪华住宅，户均用电水平几倍甚至几十倍于普通住宅，此类高能耗住宅有大幅增长的趋势。

对于能耗原本较低的一般办公建筑进行二次装修和加装中央空调系统，盲目提高建筑内部的“豪华性”，也会造成此类建筑能耗的成倍增长。

4、农村生活能耗

我国农村建筑面积约为240亿m2，总耗电约900亿度/年，生活用标准煤0.3亿吨/年。

目前我国农村的煤炭、电力等商品能源消耗量很低。

根据调查，目前农村建筑使用初级生物质能源的能源利用效率很低，并在陆续被燃煤等常规商品能源所替代。

如果这类非商品能源完全被常规商品能源所替代，则我国建筑能耗将增加一倍。

5、长江流域采暖需求

我国长江流域以往的建筑设计都没有考虑采暖。

目前夏季空调已广泛普及，而建设采暖系统、改善冬季室内热环境的要求也日趋增长。

预计到2020年，长江地区将有50亿m2左右的建筑面积需要采暖。

预计每年将新增采暖煤1亿吨标煤左右，接近目前我国北方建筑每年的采暖能耗总和。

根据发达国家经验，随着城市发展，建筑将超越工业、交通等其它行业而最终居于社会能源消耗的首位，达到33%左右。

我国城市化进程如果按照发达国家发展模式，使人均建筑能耗接近发达国家的人均水平，需要消耗全球目前消耗的能源总量的1/4来满足中国建筑的用能要求。

因此，必须探索一条不同于世界上其他发达国家的节能途径，大幅度降低建筑能耗，实现低碳环保的发展目标，保证城市建设的可持续发展。

1.2论文研究主要内容

本文采用建筑能耗动态模拟分析方法，采用DeST-c软件（商建）版，以青岛市香港花园香岛大厦为例，建立该建筑的能耗模型，模拟计算该建筑全年冷、热负荷状况，分析该建筑的能耗状况、优化潜力。

同时，利用此建筑能耗模型，对建筑外围护结构，窗户材料以及窗墙比等方面提出优化方案，通过模拟结果选择较为合理的节能措施。

第二章建筑能耗分析所采用的工具和方法

2.1工具软件：

Dest-c简介

建筑热环境设计模拟工具包（DeST）是清华大学空调实验室在十余年的科研成果的基础上，研制开发的面向建筑设计者的集成于AutoCAD14上的辅助设计计算软件。

DeST是国内唯一可以对空调系统进行全年逐时模拟分析的软件。

为了实现“分阶段模拟”的目标，DeST在设计和开发中突出了自己的特点。

以自然室温为桥梁，联系建筑物和环境控制系统自然室温指当建筑物没有供暖空调系统时，在室外气象条件和室内各种发热量的联合作用下所导致的室内空气温度。

它全面反映了建筑本身的性能和各种被动性热扰动（室外气象参数，室内发热量）对建筑物的影响。

这样，当分析模拟建筑热性能时，可以立足于建筑，通过精确的建筑模型，模拟计算各室的自然室温，继承和扩充DOE22与ESP2r在建筑描述与模拟分析上的各种优越性。

而在研究空调系统时，又可以以各室的自然室温为对象，把自然室温与建筑特性参数合在一起构成建筑物模块，这样从系统的角度来看，建筑就可以成为若干个模块，与其他部件模块一起，灵活组成各种形式的系统，继承TRNSYS类软件的各种优越性。

这是DeST对建筑与系统解耦的基本方法。

　实际的设计过程包含不同的设计阶段，每个阶段的设计目标和侧重点不同，随着设计的不断深入，信息量扩大但同时可调节性降低。

在不同的设计阶段，已知和未知条件不同，随着设计的展开，各阶段的已知和未知条件也在不断转化，前一阶段的未知因素通过设计成为本阶段的已知条件。

例如，在初步设计阶段，内部发热量和外界气象参数是已知条件，在这些因素作用下建筑物的热特性是未知的；而到了方案设计阶段，建筑物的热特性成为已知因素，设计者需要在此基础上对空调方案进行比较、取舍，并为进一步的设备选择提供依据。

建筑模拟软件的作用是为建筑环境及其控制系统的设计提供辅助分析数据，因此，实际设计过程的特点和逻辑关系应当体现在软件的模拟过程中。

DeST在开发过程中融合了实际设计过程的阶段性特点，将模拟划分为建筑热特性分析、系统方案分析、AHU方案分析、风网模拟和冷热源模拟共5个阶段，为设计的不同阶段提供准确实用的分析。

结果，如建筑热特性的模拟计算提供建筑本体的热特性数据，方案模拟则提供方案设计的模拟分析结果，由此实现建筑环境及其控制系统设计的分阶段模拟。

分阶段模拟对计算模型提出了一定的要求，对于每一个设计阶段而言，上一阶段的设计属于既定的计算条件，而下一阶段的设计尚未进行，相关部件和控制方式未知，因此必须明确后续阶段的计算方法。

由于当前阶段的模拟分析目的是评价这一阶段的设计是否满足要求以及存在哪些问题，并对下一阶段设计提出要求，因此,DeST没有采用DOE22和TRNSYS的“缺省模式”，而采用“理想化”方法来处理后续阶段的部件特性和控制效果，即假定后续阶段的部件特性和控制效果完全理想，相关部件和控制能满足任何要求（冷热量、水量等），这样处理有以下优点：

a）排除后续设计阶段的“缺省模式”对本设计阶段设计效果的干扰突出本设计阶段的模拟分析目的，获得该阶段设计方案的客观评价结果；b）由于采用相同的输入和假设，模拟结果具有可比性和实际的指导意义；c）实现当前阶段的模拟完全不需要下一阶段的设计信息，不给当前阶段的设计工作增加额外的工作量；d）可以得到对下一阶段的需求，为下阶段设计提供有益的信息。

由于建筑物及其环境控制系统都十分复杂，模拟计算的描述和定义工作是非常繁杂的，如果采用文件和表格的方式对建筑及其系统进行描述和定义，不仅工作量巨大，而且很容易出错。

为了简化描述定义工作，DeST开发了图形化的工作界面，所有模拟计算工作都在基于AutoCAD开发的用户界面上进行，其程序可在Windows操作系统下运行。

由于界面开发基于常用的设计绘图软件,而且与建筑物相关的各种数据（材料、几何尺寸、内扰等）通过数据库接口与用户界面相连,因此用户通过界面进行建筑物的描述，以及调用相关模拟模块进行计算都十分方便，也很容易掌握。

DeST还将模拟计算的结果以Excel报表的形式输出，方便用户查询和整理。

尽管DeST的模拟思路是整合建筑环境及其控制系统的各阶段模拟分析工作，但是由于融合了模块化的思想，继承了TRNSYS类软件模块灵活的优点，其计算模块具有较好的开放性和可扩展性，DeST可以作为建筑环境及其控制系统模拟的通用性平台，实现相关模块的不断完善和软件的功能扩展。

[1]

2.2建立能耗模型的理论依据

2.2.1建筑物耗冷量指标构成

建筑物耗冷量指标是指在自然气候条件下，为保持室内设定的温度，单位建筑面积在单位时间内所消耗的需由空调等降温设备提供的冷量，单位为W/m2。

建筑物耗冷量由整栋房屋的屋顶、外墙、地面、外窗和门的传热耗冷量、房间通风换气耗冷量和室内人员、设备、照明等热扰所引起的耗冷量三大部分组成。

其计算公式见下式：

QR=QRT+QINT+QI,R（2.1）

式中:

QR——建筑物耗冷量指标；

QRT—通过围护结构传热耗冷量指标；

QINT—通风换气耗冷量指标；

QI,R—室内人员、设备和照明的耗冷量指标。

2.2.2围护结构耗冷计算及分析

单位建筑面积通过围护结构的传热耗冷量包括屋顶、外墙、外窗和外门传热

形成的传热耗冷量之和，见下式:

QR=Qroof+Qwall+Qwindow+Qdoor（2.2）

式中:

Qroof一屋顶传热耗冷量指标;

Qwall—外墙传热耗冷量指标;

Qwindow—外窗传热耗冷量指标;

Qdoor—外门传热耗冷量指标。

遮阳系数的计算，见式（2.6）:

遮阳系数是对窗户系统来讲的，它指窗户获得的太阳能与玻璃窗在透明、无

遮蔽及其他情况相同时的得热（太阳能）量之比率，它是一个表征窗户系统控制太阳能的一个无量纲值。

为0-1之间的值，值越小，阻挡太阳自接辐射的性能越好。

因此，窗的遮阳系数从严格意义上说是综合遮阳系数，可以将之定义如下:

Ssc=Se.Sf.Mw.Mn（2.6）

式中:

Ssc一窗的综合遮阳系数;

Se—窗玻璃的遮蔽系数;

2.2.3建筑能耗的模拟计算方法

建筑能耗计算和分析是建筑节能工作及节能评价的基础，建筑能耗受当地气

候条件、建筑热环境质量标准、室内空气品质标准、建筑热工性能、采暖空调设

备性能和建筑使用管理情况等诸多方面共同制约。

因此，建筑能耗计算是十分重

要的前提条件。

目前国内外建筑能耗的计算方法主要借助建筑能耗模拟工具（软件）。

建筑能耗模拟工具中建筑物冷、热负荷的计算方法无外乎稳态法和动态模拟法。

①稳态法（简易估算方法）

稳态方法又称稳态简易计算法，该方法以稳定传热为基础，因而计算简单方便。

采暖能耗计算时，由于采暖计算期时间较长，温度的日际波动周期较长，围护结构蓄热对采暖计算期耗热量的影响很小，在采暖计算期可以不考虑围护结构的蓄热影响。

而且一般只需知道建筑物在采暖计算期的单位面积耗热量，并不需要知道耗热量随时间的变化。

因此，稳态计算方法适用于我国采暖区的采暖能耗计算。

稳态法包括：

有效传热系数法、度日法、BIN方法、温度湿频法及满负荷系数法等。

②动态模拟法

动态模拟法以不稳定传热为基础，对各种影响因素考虑较细，得出的结果也比较精确。

动态法主要包括：

反应系数法/传递函数法、有限差分或有限元等数值方法。

目前国内外大多建筑能耗模拟工具均采用此法，用于计算全年8760小时建筑逐时冷热负荷。

建筑能耗模拟软件——主要用于建筑和系统的动态模拟分析，以DOE-2，EnergyPlus和ESP2r等为代表。

这类软件的主要模拟目标是建筑和系统的长周期的动态热特性（往往以h为时间步长），采用的是完备的房间模型和较简单的系统模型及简化的或理想化的控制模型，适于模拟分析建筑物围护结构的动态热特性，模拟建筑物的全年运行能耗，预测建筑热性能和不同围护结构形式对能耗的影响。

第三章香岛大厦能耗模型的建立和分析

3.1模拟工具

Dest-C能耗模拟软件

3.2模拟对象的地理位置、气象条件

青岛地处我国沿海中纬度地区，地理坐标为北纬35°35'-37°09'，东经119°30'-121°00'。

青岛市位于山东半岛东南部，东、南濒临黄海，东北与烟台市接壤，西与潍坊市接壤，西南与日照市接壤。

青岛包含7区5市，总面积10654平方公里，总人口740.9万，其中市区1159平方公里，人口265.43万人。

新区距老市区中心约6公里，面积1.5平方公里。

经过7年多的建设，一个现代化的新城区已经在市区东部拔地而起。

新区现总建筑面积383万平方米。

青岛地处山东半岛东南部，位于东经119°30’～121°，北纬35°35'～37°09'，东南濒临黄海，东北与烟台市毗邻，西与潍坊市相连，西南与日照市接壤。

全市总面积10654平方公里，其中市区1102平方公里，所辖胶州、即墨、平度、胶南、莱西5市9552平方公里。

青岛市采暖季室外计算温度为-6℃，平均温度0.9℃，日平均温度≤5℃的天数为110天，平均相对湿度66%。

夏季室外平均温度28.1℃，最大值31.1℃，波幅在3.0左右。

故规定每年11月15日到次年3月15日为采暖期，每年6月1日到8月30日为空调季。

3.3模型的建立以及参数的设置

3.3.1参数的设置

由于DeST中室外计算参数中没有青岛相关参数，故采用了同青岛地区地理位置及气象条件最为接近的山东莒县地区典型气象年的室外计算参数。

主要参数如下（由Dest软件获得）：

图3.1青岛市全年室外逐时干球温度

这个图表表明了青岛一年内干球温度的变化情况，由图表可知，日干球最低气温出现在一月到2月间

图3.2青岛市各月平均干球温度

表3.1青岛市全年温度分布统计

温度范围

≤-10

-10～-5

-5～0

0～5

5～10

10～15

15～20

20～25

25～30

30～35

＞35

时数

297

867

1323

1179

1050

1317

1507

995

208

图3.5青岛市全年温度分布统计图

表3.1建筑主要功能房间设计参数

房间

最多人数（人/m2）

灯光产热量（W/m2）

最低新风量m3/（人·h）

室温上下限℃

相对湿度上下限

普通办公室

0.1

夏24~26

冬20~22

60%，35%

会议室

0.1

夏24~26

冬16~18

60%，35%

卫生间

0.1

楼梯间、走廊

0.05

空调运行模式：

每天7：

00-20：

00空调开启；其余时间关闭。

采暖季：

11月15日——次年3月15日；

供冷季：

6月1日——8月30日。

3.3.2模型建立

香岛大厦

利用DeST建立模型如下图3.6--3.18所示：

图3.7建筑平面图（第一层）

图3.8建筑立面图（第一层）

图3.9建筑平面图（第二层）

图3.10建筑立面图（第二层）

图3.11建筑平面图（第三层）

图3.12建筑立面图（第三层）

图3.13建筑平面图（第四层）

图3.14建筑立面图（第四层）

图3.15建筑平面图（第五层）

图3.16建筑立面图（第五层）

3.4香岛大厦能耗模拟部分结果

（1）建筑全年逐时冷热负荷曲线如图3.19：

图3.19全年逐时冷热负荷曲线（纵轴坐标：

KW）

由上图可以看出：

建筑全年逐时负荷呈现出随时间波动的变化，中间红色部分是夏季冷负荷，两头蓝色部分是冬季热负荷。

过渡季节负荷很小。

（3）主要参数计算结果：

表3.3主要参数计算结果

由模拟结果可知：

此公共建筑采暖季平均热负荷指标为19.02W/m2；空调季平均冷负荷指标为30.93W/m2。

第四章

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