围护结构热工性能的权衡计算软件说明.docx

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围护结构热工性能的权衡计算软件说明

围护结构热工性能的权衡计算

―――软件说明

当进行围护结构热工性能权衡计算时，需要应用动态计算软件。

由中国建筑科学研究院建筑物理研究所开发的建筑能耗动态模拟分析计算软件，适用于办公建筑及其它各类公共建筑的建筑节能设计达标评审。

其计算内核为美国劳伦斯伯克力国家实验室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory）开发的DOE-2程序，可以对建筑物的采暖空调负荷、采暖空调设备的能耗等进行全年8760小时的逐时能耗模拟。

在标准宣贯和使用过程中，大量采取能耗分析软件的主要原因在于：

标准对性能化设计方法的要求以及权衡判断（Trade-off）节能指标法的引入。

首先，在标准中设置了两种指标来控制节能设计，第一种指标称为规定性指标，第二种指标称为性能性指标。

规定性指标规定建筑的围护结构传热系数、窗墙比、体形系数等参数限值，当所设计的建筑能够符合这些规定时，该建筑就可判定为符合《标准》要求的节能建筑。

规定性指标的优点是使用简单，无需复杂的计算。

但是规定性指标也在一定程度上限制了建筑设计人员的创造性。

性能性指标的优点在于突破建筑设计的刚性限制，节能目标可以通过调整围护结构的热工性能等措施来达到。

也就是说性能性指标不规定建筑围护结构的各种参数，但是必须对所设计的整栋建筑在标准规定的一系列条件下进行动态模拟，单位面积采暖空调和照明的年能耗量不得超过参照建筑的限值。

因此使用性能性指标来审核时需要经过复杂的计算，这种计算只能用专门的计算软件来实现。

同时，从实际使用情况来看，近年来公共建筑的窗墙面积比有越来越大的趋势，建筑立面更加通透美观，建筑形态也更为丰富。

因此，传统建筑设计中对窗墙面积比的规定很可能不能满足本条文规定的要求。

须采用标准第4.3节的权衡判断（Trade-off）来判定其是否满足节能要求。

图B-1公建标准权衡判断（Trade-off）评价流程

一、能耗分析计算原理

建筑物的传热过程是一个动态过程，建筑物的得热或失热是随时随地随着室内外气候条件变化的。

因此，为了较准确地计算采暖空调负荷，并与现行国标保持一致，需要采用动态计算方法分析建筑能耗及影响其大小的因素。

动态计算方法有很多，DOE-2用反应系数法来计算建筑围护结构的传热量。

反应系数法是先计算围护结构内外表面温度和热流。

由一个单位三角波温度扰量的反应计算出围护结构的吸热、放热和传热反应系数，然后将任意变化的室外温度分解成一个个可迭加的三角波，利用导热微分方程可迭加的性质，将围护结构对每一个温度三角波的反应迭加起来，得到任意一个时刻围护结构表面的温度和热流。

反应系数的计算可以参考专门的资料或使用专门的计算程序，有了反应系数后就可以利用下式计算第n个时刻，室内从室外通过板壁围护结构的传热得热量HG（n）

式中：

tz（n-j）——第n-j时刻室外综合温度；

tr（n-j）——第n-j时刻室内温度；

当室内温度tr不变时，此式还可以简化成：

式中，K是板壁的传热系数。

在计算思路上，DOE-2是一种正向思维，即根据室外气象条件，围护结构情况，计算出室内温度以及室内得热量。

对要控制室内热环境的房间，由选定的采暖空调系统根据室内负荷情况提供冷（热）量，以维持室温在允许的范围内波动。

DOE-2的计算过程是一个动态平衡的过程，后一时刻室内的温度、冷热负荷、以及采暖空调设备的耗电量要受前一时刻的影响。

程序根据输入的建筑情况和室内设定温度值的要求，动态计算出建筑物的全年能耗情况，并以各种表格形式输出。

二、Doe2IN应用程序的使用

用户运用Doe2IN应用程序进行建筑物的能耗计算，首先应明确Doe2IN所要求的工作：

遵循Doe2IN应用程序的约定，以Doe2IN定义的输入方式，对将要进行能耗计算的建筑物进行描述——输入建筑物的构成。

Doe2IN进行建筑物的能耗计算，按照下面的顺序进行：

图B-2Doe2IN建筑物能耗计算流程

从流程图可以看出，Doe2IN进行建筑物能耗计算的三个步骤中，需要用户参与的只是第一步。

如果用户正确地完成了建筑物构成的输入工作，其余的工作都由Doe2IN应用程序完成；同时只要用户的输入是准确的，计算结果也将是准确的。

流程图中的第一步建筑物的构成包括三部分信息：

建筑物的基本数据、围护结构构成、建筑物的空调系统划分等其它计算参数的设定。

这三部分的信息需要用户输入按照Doe2IN规定的顺序进行输入。

建筑物的基本数据：

建筑物所处城市、建筑物所用到的材料、建筑物的门窗、建筑物的外墙板、内墙板、地面板、楼板、屋顶板的分层构造。

这四类数据的输入都是在相应的对话框中进行，输入较为简单。

建筑物围护结构的输入：

这一步中需要用户依次输入建筑物的一般信息、建筑物的楼板与屋顶、建筑物的房间、建筑物外墙上的窗户或遮阳。

运用Doe2IN应用程序对一个建筑物进行能耗计算时，这一步的输入是最为重要的一个环节。

虽然实际工程中建筑物形式的复杂多变将导致输入工作量的增加，但只要用户遵循Doe2IN应用程序的约定，充分利用Doe2IN提供的简化命令，将极大地提高输入工作的效率。

关于这部分的输入方法与技巧请参见Doe2IN使用手册中给出的详细说明。

建筑物空调系统划分等计算参数的设定：

划分建筑物的空调系统、设定建筑物的室内负荷强度、照明时间表、采暖空调系统的运行时间表。

实际上这几项参数中需要用户操作的只有第一项划分系统，划分系统在Doe2IN提供的采暖空调系统划分对话框中进行，操作非常简单；而后面三项参数使用Doe2IN提供的缺省值即可，一般情况下并不需要用户输入，除非用户要自行设定相应的参数数值。

三、Doe2IN应用程序界面介绍

应用程序的操作菜单主要包括工程文件管理、界面窗口设置、建筑物数据输入、计算结果输出几类，其中最为常用的是输入和输出两项，在这两个下拉菜单中包括了应用程序的所用命令选项。

用户可使用自定义的构造模板，将“构造模板.doe”工程文件中的构造种类替换为当地常用的构造、门窗，并更改其中的城市为当地所处于城市、这样新建一个工程时，可以在这个模板的基础上新建，省去重复的操作。

在进行任何一个建筑物的输入之前，建议用户先读建筑图：

对建筑物的构造形式、各层平面布局、剖面构成有一个总体的把握，之后绘制标准楼层的楼板输入草图，以这张草图为后面的输入依据，

1.读建筑图绘制楼板输入草图

根据建筑物的平面图绘制楼板输入草图时，进行了一定的简化，这种简化对建筑物能耗的计算结果影响不大。

在对话框中“选择城市”列表框中选择建筑物所处城市（用鼠标左键单击省份或直辖市前的“+”，将在列表框中展开辖区内的城市列表），城市的城市名称、纬度、经度、海拔、时区、气象数据等参数将自动显示在列表框左侧对应窗口中。

2.选择建筑材料

点击工具条中“材料”按钮或选中输入菜单中对应选项，将弹出“建筑材料”对话框。

3.选择建筑门窗

点击工具条中“窗户”按钮或选中输入菜单中对应选项，将弹出建筑窗户对话框。

点击对话框“序号”窗口的向上或向下箭头，将序号调到相应数值；在窗列表框内双击所用窗户名称，选中窗户的名称、传热系数、窗宽、窗高、遮蔽系数等参数将显示在对应编辑窗口中。

4.输入建筑构造

点击工具条中“构造”按钮或选中输入菜单中对应选项，将弹出多层构造对话框。

先确定围护结构的构造种类数，并逐个输入每种构造。

5.输入建筑物一般信息

点击程序主界面右侧工具条中的建筑按钮，弹出“围护结构一般信息”对话框。

目前，Doe2IN输入建筑外形采用手工输入方式。

6.输入楼板/屋顶

点击程序主界面右侧工具条中的楼板按钮，弹出楼板对话框。

在这个对话框中将完成本算例建筑物的所有楼板/屋顶输入，完成这个对话框的输入之后，建筑物围护结构构成的输入就基本完成了。

本对话框的输入要借助于前面的房间楼板划分草图进行。

程序对楼板的输入采用了逐层、逐块的输入方式，因此按照下面的步骤输入楼板，这里基本选择绘图模式的楼板输入方法，只是对当前楼层的第一块楼板采用了输入坐标的输入方式，其它各块楼板都是依据上一块楼板的位置在楼板平面视图中直接绘制的，同时运用了镜像复制、楼层拷贝简化命令。

7.顶层屋顶的生成

将顶层楼板拷贝到（建筑物总层数+1）层楼板，之后对这层楼板执行整层转屋顶命令，应用程序将自动生成建筑物的平屋顶。

8.划分房间

为了完成建筑物的不同房间的能耗计算，需要对建筑物的每个楼层划分房间：

确认每块楼板归属的房间、此房间的属性、用户对此房间计算结果的处理要求。

应用程序确认房间是以楼层为单位进行的，用户可以对当前的一层或几层楼层的各块楼板进行归属房间的确认

9.确认并检查建筑物房间构成状态

按照本算例的输入步骤，当用户完成建筑物楼板的输入、划分房间并确认每一块楼板的房间归属之后，应用程序会自动依据这些信息，自动生成建筑物所有房间的围护结构构成。

如果用户的输入是规范正确的，应用程序生成的各个房间的构成也将是正确的；而如果输入出错，将导致房间构成的生成出错，使得建筑物能耗计算不能正常进行；因此在完成楼板输入、房间划分操作之后，应用程序要求用户对各个房间的构成状态进行确认检查，对其中可能出现的错误进行处理，并将确认的结果反馈给应用程序。

如果某个房间围护结构的构成出错，需要用户进行添加或删除围护结构构成的操作。

每次要对一个房间的构成进行修改之前，都要先定位到此房间：

在房间平面视图中用鼠标左键点击这个房间的显示区域，之后就可以进行添加或者删除操作了。

10.外墙加窗

按照前面介绍的步骤完成围护结构楼板的输入、划分房间、确认房间状态之后，应用程序将自动生成建筑物的所有墙体，并在输入墙体中的窗户以及窗户的遮阳。

11.划分系统

点击菜单条中“输入\房间属性”，确定各房间属性。

在“输入\日作息时刻表”中，确定内热扰和设定温度的运行模式。

点击应用程序主界面右侧工具条中按钮，将弹出采暖空调系统设定对话框。

输入建筑物空调系统划分、采暖空调设备能效比等参数。

12.建筑模型显示

当上述所有步骤结束后点击“输出建筑描述文件”和“显示建筑物的模型”菜单命令条，可以输出3维建筑模型。

13.计算与结果输出

按照前面的步骤完成本算例建筑物构成的输入之后，就可以运用Doe2IN应用程序进行建筑物能耗的动态模拟计算，并且完成建筑物能耗计算结果的输出与打印。

实际上模拟计算结果非常丰富，用户可以依据实际工程的需要进行计算结果的摘要。

上述例子是一个典型政府办公建筑的模型，同样用Doe2IN软件对复杂办公楼进行建模。

对于非规则形体建筑可以用各种形状楼板进行拼接组合成复杂形状。

对于中庭或跃层式建筑，可以将该部分楼板设置成“虚拟楼板”。

随着进一步完善，Doe2IN今后可以方便地对球形或旋转曲面外形进行输入，并提供更多的空调系统和冷热源形式，满足公共建筑功能和系统复杂性问题。