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法律状态
2018-01-23
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G01M99/00 授权公告日:20131023 终止日期:20161201 申请日:20101201
专利权的终止
2013-10-23
授权
授权
2011-08-10
实质审查的生效 IPC(主分类):G01M99/00 申请日:20101201
实质审查的生效
2011-06-15
公开
公开
技术领域
本发明涉及建筑节能领域，具体涉及一种被动式太阳能采暖建筑的节能性能评价方法。
背景技术
1、被动式太阳能采暖简介
建设节约型社会，大力发展地域性“节能省地型住宅”，以缓解能源紧张趋势，调节人、建筑与自然环境和资源的和谐关系已成为我国的基本国策。按建设部统计资料，在目前经济水平下，城镇居住建筑运行能耗已超过全国能源消费总量的25％。我国人口数量巨大，国土与资源有限，再小的消耗乘上13亿人就是巨大的量，再大的产量和储量被13亿人除就是很小的量。对于具体的一栋建筑物，其能耗的数量并不大：北方地区普通采暖建筑每平方米的年采暖能耗大约25-40公斤标准煤，但对于全国超过200多亿平方米的采暖建筑，能耗量是惊人的。具体到每个公民，每年用于建筑中的能耗量也是很有限的，但13亿人的总能耗量可以占到国民经济总能耗的三分之一。同时，我国幅员辽阔，地区差异十分显著，从南到北，从东到西，气候条件、地理环境、自然资源、城乡建设与经济发展、生活水平与社会习俗等都有着巨大的差异，造成了对居住建筑的不同需求。针对不同地域社会经济技术发展水平、气候与自然环境条件、采暖与降温方式和建筑用能结构，系统地从居住建筑形态、空间组织、构造体系、技术集成、太阳能等可再生能源利用的途径等方面研究如何通过建筑设计的方法提高居住建筑热环境质量，实现大幅度节约能耗，是全面提高建筑节能水平的必由之路，对于提高我国整体节能水平具有极其重要的现实和长远意义。
2.被动式太阳能采暖建筑性能评价方法的引入
为节约我国北方采暖地区(严寒、寒冷气候区)居住建筑采暖能耗，建设部于1986年颁布了我国第一部建筑节能设计标准——《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-86)，并于1995年12月发布修订稿。其节能目标为“节能50％”，是指在1980～1981年当地住宅通用设计的基础上节约50％的采暖能耗。该标准给出了各城市建筑围护结构应达到的保温水平，在建筑进行设计时应该遵循这些指标。如果建筑某项指标不能达到标准要求时，可以对建筑的“耗热量指标”以及“耗煤量指标”进行计算，如果建筑的耗热量指标小于该地区耗热量指标的限制值，即可判断该建筑满足节能50％的要求。
在《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》中，建筑“耗热量指标”在一定程度上考虑了太阳辐射热量对室内环境的影响，例如，针对透明和不透明围护结构，采用“围护结构传热系数修正系数”对传热系数进行修正。各地区各个朝向的修正系数有不同的取值。该标准中给出了典型城市不同朝向典型围护结构状况下的修正系数取值表，但是，该表格仅给出了8个典型城市两种玻璃类型情况下外墙、屋顶和外窗的修正系数值。这使得计算结果的准确性受到很大程度的制约。首先，北方地区城市之间气候有显著差异，表中未列出的其它城市的修正系数值不易确定；另外，随着新材料新技术的不断涌现，玻璃类型也越来越丰富，对太阳辐射的透过性能也有很大差异，仅给出两种类型玻璃的修正系数会带来使用过程中的诸多问题。
针对实施过程中面临的各种问题，中华人民共和国住房与城乡建设部对《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-86)进行了修订，并于2010年3月18日发布了《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ26-2010)，原标准同时废止。在这个标准中，建筑围护结构热工性能的判断仍然是以建筑的“耗热量指标”来评价，只是对“耗热量指标”的计算方法进行了修正。其中，关于太阳辐射对不透明围护结构(屋顶和外墙)的影响仍然采用“传热系数修正系数”来考虑；关于太阳辐射对透明围护结构(外窗、外门等)的影响不再采用传热系数修正系数的方法，而是分别计算通过外窗的温差传热和透过透明围护结构部分的太阳辐射得热。引入了“太阳辐射修正系数”来考虑窗户的太阳辐射透过性能。但是，鉴于太阳辐射透过不同类型玻璃的计算复杂性，标准中仅给出了3mm标准玻璃PVC(或木窗)以及铝合金窗的太阳辐射修正系数值，当设计建筑的玻璃及窗框材料与标准中不同时，难以准确获得通过透明围护结构的太阳辐射量。
由此可见，我国现行的节能标准中，关于太阳辐射对室内环境的影响这个问题，处理方法是比较粗略的。尤其是当建筑采用了一些太阳能集热构件，例如集热蓄热墙和附加阳光间时，太阳能对室内的贡献更是无法定量获得。然而，在我国大部分地区、特别是北方地区，有着丰富的太阳能资源，利用太阳能这种可再生能源采暖达到既提高室内热环境质量，又降低建筑能耗的目的，是一种非常重要的可持续发展策略。当建筑设计人员有意识的在建筑中设计一些太阳能集热构件并注重相应的保温、蓄热性能时，普通的建筑就可以成为积极利用太阳能的“被动式太阳能建筑”。设计优良的太阳能建筑，可能仅需要很少量的其他热源提供的热量，有些甚至能做到不需要常规能源。对于这类建筑的热工性能评价，准确获得其太阳能的贡献率是首要的前提条件。然而，由前面的分析可知，普通节能建筑的热工性能评价方法在太阳辐射问题的处理上是比较简单粗略的，不适合用于太阳能建筑的评价，研究适合太阳能建筑节能性能评价的方法是非常必要和迫切的。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种被动式太阳能采暖建筑的节能性能评价方法，该方法对建筑进行被动式太阳能采暖性能评价，克服了现行的建筑节能设计标准节能性能计算方法中对于太阳辐射考虑粗略的不足，达到在提高室内热环境质量的同时降低建筑能耗的目的。
首先，本发明涉及的主要概念术语如下：
辅助耗热量指标(Eaux)
本发明采用辅助耗热量指标Eaux作为评价建筑节能性能的依据。辅助耗热量的提法与我国《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(以下简称《节能标准》)中的建筑物“耗热量指标”有相似之处，但具体含义不同。《节能标准》中的建筑物耗热量指标的定义是在采暖期室外平均温度条件下，为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内消耗的、需由室内采暖设备供给的热量。而本发明中建筑的辅助耗热量指标指的是建筑物利用被动式太阳能采暖后，为达到室内设计温度由其他辅助供暖系统(如主动式太阳能、集中供暖等常规方式)提供的热量。由此可以看出，该指标将太阳能作为采暖方式之一，强调太阳能对减少建筑采暖用能的作用。
太阳能采暖建筑特征参数(Solar gain，简称为SG)
太阳能建筑特征参数是建筑非集热部件的负荷情况与太阳能集热系统面积的比值，它在一定程度上反映了太阳能得热量和建筑失热量之间的关系。
被动式太阳能采暖节能指标(Solar Energy Saving简称为SES)
本发明的方法在获得建筑辅助耗热量指标的过程中引入了中间变量：被动式太阳能采暖节能指标SES。SES是评判太阳能集热系统性能的参数，通过SES可以方便快捷的求出建筑的辅助耗热量指标，被动式太阳能采暖节能率SES通过查SG-SES关系曲线获得。
集热方式
被动式太阳能采暖是指不需要耗能太阳能设备系统就能运行的太阳能采暖。这种采暖方式主要是在建筑设计中利用建筑布局、建筑构造与材料的设计和选用有效吸收、蓄存和分配太阳能。按照吸收、蓄存和分配方式的不同，被动式太阳能采暖的集热方式有直接受益式(direct gain systems)、集热蓄热墙式(thermal storage wall systems)和附加阳光间式(sunspace system)三种。其中，直接受益式是一种直接利用南向窗接受太阳辐射能的被动式太阳能系统；集热蓄热墙式是指用设置带玻璃外罩的实体墙进行太阳能收集和蓄存的集热方式；附加阳光间式是实体墙式和直接受益式集热方式的混合变形，阳光间附加在采暖房间外面，分为室外过渡空间和室内活动空间，其公共墙是集热蓄热墙。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案：
一种被动式太阳能采暖建筑节能性能评价方法，其特征在于，该方法对采用1种集热方式的建筑进行被动式太阳能采暖性能评价，包括如下步骤：
步骤一：用常规方法采集以下基本建筑信息：
建筑面积A0，m2；建筑体积V，m3；各朝向外窗及外墙部位以及具有外太阳能集热部件的外围护结构面积Ai，m2；
步骤二：用常规方法采集以下基本气象和节能计算参数：
室内设计计算温度tn，℃；采暖期室外平均温度te，℃；空气比热容Cp，kJ/(kg·℃)；换气次数n，次/h；空气密度ρa，kg/m3；有效面积系数Xm，无量纲常数建筑；各部位传热系数Ki，W/(m2·K)；
步骤三：通过式1计算被动式太阳能采暖建筑特征参数SG：
式中，i为围护结构的编号；m为建筑外围护结构的编号总数；j为具有太阳能集热部件的围护结构的编号总数；Ai为围护结构i的面积，m2；Ki为围护结构i的平均传热系数，W/(m2·K)；n为房间每小时的换气次数，次/h，取1.0次/h；V为建筑体积，m3；ρa为室外空气平均密度，kg/m3；cp为空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)，在常温范围内取1.005；Ag为太阳能集热系统中集热窗的面积，m2；Xm为集热系统的有效透光面积系数，为集热窗可透光面积与不可透光面积的比值；C为集热窗玻璃的污垢遮挡系数，取0.9。
步骤四：通过常规方法得到被动式太阳能采暖建筑特征参数SG与被动式太阳能采暖节能指标SES的关系曲线图，即SG-SES关系曲线；并根据步骤三得到的被动式太阳能采暖建筑特征参数SG的值查得建筑的被动式太阳能采暖节能指标SES；
步骤五：通过式2计算被动式太阳能建筑的辅助耗热量指标Eaux：
式中，Eaux为建筑物的辅助耗热量指标，W/m2；SES为被动式太阳能采暖节能指标；A0为设计建筑的建筑面积，m2；tn为室内设计计算温度，℃；te为采暖期室外平均温度，℃，其它符号意义同前。
对于采用t种不同集热方式的建筑进行被动式太阳能采暖建筑性能评价，取1≤t≤3，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)用常规方法采集以下基本建筑信息：
建筑面积A0，m2；建筑体积V，m3；各朝向外窗及外墙以及具有太阳能集热部件的外围护结构的面积Ai，m2；
2)用常规方法采集以下基本气象和节能计算参数：
室内设计计算温度tn，℃；采暖期室外平均温度te，℃；空气比热容Cp，kJ/(kg·℃)；换气次数n，次/h；空气密度ρa，kg/m3；有效面积系数Xm，无量纲常数建筑；各部位传热系数Ki，W/(m2·K)；
3)通过式3和式4得到每种集热方式的集热系统的净投影面积Apt以及总的净投影面积An总：
Apt＝Agt·Xmt·Ct (式3)
Ap总＝∑Apt (式4)
式中，Agt为太阳能集热系统中每种集热方式的集热窗面积，m2，Xmt为不同集热方式的太阳能集热系统的有效透光面积系数；Ct为不同方式的太阳能集热窗玻璃的污垢遮挡系数，均取0.9；1≤t≤3；
4)通过式5计算被动式太阳能采暖建筑特征参数SG(Solar gain，简称SG)
(式5)
式中，i为围护结构的编号；m为建筑外围护结构的编号总数；j为具有太阳能集热部件的围护结构的编号总数；Ai为围护结构i的面积，m2；Ki为围护结构i的平均传热系数，W/(m2·K)；n为房间每小时的换气次数，次/h，取1.0次/h；V为建筑体积，m3；ρa为室外空气平均密度，kg/m3；cp为空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)，在常温范围内取1.005；Ap总为不同太阳能集热方式的净投影面积的加和。
5)通过常规方法得到每种集热方式的被动式太阳能采暖建筑特征参数SG与被动式太阳能采暖节能指标SES的关系曲线，即每种集热方式下的SG-SES关系曲线；并根据步骤5)得到的被动式太阳能采暖建筑特征参数SG的值分别查得不同集热方式下建筑的被动式太阳能采暖节能指标SESt；按式6根据集热窗面积比例加权得到总的被动式太阳能采暖节能指标SES总：
SES总＝∑(SESt×Apt)/Ap总 (式6)
6)通过式7计算被动式太阳能建筑的辅助耗热量指标Eaux：
(式7)
式中，Eaux为建筑物的辅助耗热量指标，W/m2；SES总为总的被动式太阳能采暖节能指标；A0为设计建筑的建筑面积，m2；tn为室内设计计算温度，℃；te为采暖期室外平均温度，℃，其它符号意义同前。
本发明的有益效果如下：
1、该评价方法是针对太阳能采暖建筑的评价方法，综合考虑建筑中采用直接受益式、集热蓄热墙式及附加阳光间式太阳能集热部件以后的节能性能，这是国家现行节能标准所不能做到的。另外，本发明虽然是针对太阳能建筑的评价方法，但也可用于普通建筑的节能性能评价，具有广泛的适用性。
2.该方法将复杂的太阳辐射计算简化为可供查询的图表，大大降低了使用者的工作难度。使用者只需根据基本的建筑信息和简单的气象信息就能够获得所设计太阳能建筑的节能性能，且这种对使用者而言的简化是以不损失计算的准确度为前提的。研究人员可利用常规方法根据不同地区、不同窗户、不同玻璃类型详细计算不同情况下的太阳能得热量，并得到成SG-SES曲线以便查用。而国家标准中，仅考虑了1种玻璃类型2种窗框材料情况下的太阳辐射得热量。
3.根据SG值查得的SES值是反映建筑太阳能部件集热性能的重要指标，从这个指标可以反映设计建筑太阳能集热性能的优劣，即太阳能对建筑节能的贡献率。这使设计人员有了明确的参考指标，能更好的进行太阳能建筑设计。
4.该方法操作过程简单明了，非专业人士即可操作，方便快捷。
附图说明
图1是拉萨市直接受益窗单层、单框双玻窗的SG-SES关系曲线。
图2是拉萨市直接受益窗双层、双玻窗的SG-SES关系曲线。
图3是拉萨市无通风口集热蓄热墙的SG-SES关系曲线。
图4是拉萨市有通风口集热蓄热墙的SG-SESF关系曲线。
图5是拉萨市附加阳光间的SG-SES关系曲线。
图6是林孜地区直接受益窗单层、单框双玻窗的SG-SES关系曲线。
图7是林孜地区直接受益窗双层、双玻窗的SG-SES关系曲线。
图8是林孜地区无通风口集热蓄热墙的SG-SES关系曲线。
图9是林孜地区有通风口集热蓄热墙的SG-SES关系曲线。
图10是林孜地区附加阳光间的SG-SES关系曲线。
图11是实施例中待评价建筑标准层一个单元平面示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明的被动式太阳能采暖建筑节能性能评价方法，对采用1种集热方式的建筑进行被动式太阳能采暖性能评价，具体包括如下步骤：
步骤一：用常规方法采集以下基本建筑信息：
建筑面积A0，m2；建筑体积V，m3；各朝向外窗及外墙部位以及具有外太阳能集热部件的外围护结构面积Ai，m2；
步骤二：用常规方法采集以下基本气象和节能计算参数：
室内设计计算温度tn，℃；采暖期室外平均温度te，℃；空气比热容Cp，kJ/(kg·℃)；换气次数n，次/h；空气密度ρa，kg/m3；有效面积系数Xm，无量纲常数建筑；各部位传热系数Ki，W/(m2·K)；
步骤三：通过式1计算被动式太阳能采暖建筑特征参数SG：
式中，i为围护结构的编号；m为建筑外围护结构的编号总数；j为具有太阳能集热部件的围护结构的编号总数；Ai为围护结构i的面积，m2；Ki为围护结构i的平均传热系数，W/(m2·K)；n为房间每小时的换气次数，次/h，取1.0次/h；V为建筑体积，m3；ρa为室外空气平均密度，kg/m3；cp为空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)，在常温范围内取1.005；Ag为太阳能集热系统中集热窗的面积，m2；Xm为集热系统的有效透光面积系数，为集热窗可透光面积与不可透光面积的比值；C为集热窗玻璃的污垢遮挡系数，取0.9。
步骤四：通过建筑能耗动态模拟等常规方法得到被动式太阳能采暖建筑特征参数SG与被动式太阳能采暖节能指标SES的关系曲线图，即SG-SES关系曲线；并根据步骤三得到的被动式太阳能采暖建筑特征参数SG的值查得建筑的被动式太阳能采暖节能指标SES；
步骤五：通过式2计算被动式太阳能建筑的辅助耗热量指标Eaux：
式中，Eaux为建筑物的辅助耗热量指标，W/m2；SES为被动式太阳能采暖节能指标；A0为设计建筑的建筑面积，m2；tn为室内设计计算温度，℃；te为采暖期室外平均温度，℃，其它符号意义同前。
对于采用t种不同集热方式的建筑进行被动式太阳能采暖建筑性能评价，取1≤t≤3，具体包括如下步骤：
1)用常规方法采集以下基本建筑信息：
建筑面积A0，m2；建筑体积V，m3；各朝向外窗及外墙以及具有太阳能集热部件的外围护结构的面积Ai，m2；
2)用常规方法采集以下基本气象和节能计算参数：
室内设计计算温度tn，℃；采暖期室外平均温度te，℃；空气比热容Cp，kJ/(kg·℃)；换气次数n，次/h；空气密度ρa，kg/m3；有效面积系数Xm，无量纲常数建筑；各部位传热系数Ki，W/(m2·K)；
3)通过式3和式4得到每种集热方式的集热系统的净投影面积Apt以及总的净投影面积Ap总：
Apt＝Agt·Xmt·Ct (式3)
Ap总＝∑Apt (式4)
式中，Agt为太阳能集热系统中每种集热方式的集热窗面积，m2，Xmt为不同集热方式的太阳能集热系统的有效透光面积系数；Ct为不同方式的太阳能集热窗玻璃的污垢遮挡系数，均取0.9；1≤t≤3；
4)通过式5计算被动式太阳能采暖建筑特征参数SG：
式中，i为围护结构的编号；m为建筑外围护结构的编号总数；j为具有太阳能集热部件的围护结构的编号总数；Ai为围护结构i的面积，m2；Ki为围护结构i的平均传热系数，W/(m2·K)；n为房间每小时的换气次数，次/h，取1.0次/h；V为建筑体积，m3；ρa为室外空气平均密度，kg/m3；cp为空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)，在常温范围内取1.005；An总为不同太阳能集热方式的净投影面积的加和。
5)通过建筑能耗动态模拟方法等常规方法得到每种集热方式的被动式太阳能采暖建筑特征参数SG与被动式太阳能采暖节能指标SES的关系曲线，即每种集热方式下的SG-SES关系曲线；并根据步骤5)得到的被动式太阳能采暖建筑特征参数SG的值分别查得不同集热方式下建筑的被动式太阳能采暖节能指标SESt；按式6根据集热窗面积比例加权得到总的被动式太阳能采暖节能指标SES总：
SES总＝∑(SESt×Apt)/Ap总 (式6)
6)通过式7计算被动式太阳能建筑的辅助耗热量指标Eaux：
(式7)
式中，Eaux为建筑物的辅助耗热量指标，W/m2；SES总为总的被动式太阳能采暖节能指标；A0为设计建筑的建筑面积，m2；tn为室内设计计算温度，℃；te为采暖期室外平均温度，℃，其它符号意义同前。
在实际应用过程中，SG-SES的关系曲线通过常规方法得到。发明人在研究过程中，运用了建筑能耗动态模拟的方法对太阳能资源丰富的拉萨和林芝地区为例进行了SG-SES的关系曲线的计算和绘制。通过对当地居住建筑的实地调研发现，4单元5层的居住建筑在当地是非常常见的居住建筑形式，所以在计算过程中以此建筑为典型建筑，利用热量平衡原理对此太阳能建筑的得失热量进行了计算，分别得到各地区不同集热方式下的SG-SES关系曲线，如图1-图10所示，具体过程如下：
式8为太阳能建筑的热平衡方程式，式中包括太阳能建筑的各种得热项和失热项。这些热量可以采用手算的方法获得，也可以采用能耗模拟软件(如DOE-2，Energyplus或Dest)进行能耗模拟获得。由式8可以获得典型太阳能建筑为达到室内设计温度所需要的太阳能以外辅助热量Qaux，typ；然后根据式9整理和统计出不同SG值对应的SES的值，从而绘制成SG-SES的关系曲线图以备查用，如图1至图10所示；
(式8)
式中，Qaux，typ为典型太阳能建筑为达到室内设计温度所需要的太阳能以外辅助热量，KJ/(m2·d)；Qp集热系统每平米净投影面积的日辐照量，KJ/(m2·d)；tn，typ为典型太阳能建筑的室内设计计算温度，℃；te，typ为典型太阳能建筑所在地区采暖期室外平均温度，℃；Qls为集热部件的传热损失；Qob为集热部件以外的其他围护结构所接收太阳辐射导致的房间得热量，KJ/d；Qin为室内人员、照明及设备所产生的内部的热量，KJ/d。其它参数如Ai、Ki等与式1中符号含义相同，只是需要采用典型太阳能建筑的相应值。
本发明的方法的具体应用：
下面以一栋采用被动式太阳能集热系统的居住建筑为例说明本发明的具体应用方法。集热方式采用了两种：直接受益式和附加阳光间式。
拉萨市一栋4单元5层的居住建筑，层高为3.0m，该建筑为南北朝向，建筑单元平面如下图11所示。该建筑各部位围护结构的传热系数如表2所示。该建筑每单元一梯两户，户型呈对称布置，在该建筑中每户有两个南向房间，其中一个房间采用了直接受益式太阳能集热系统，窗户为单层塑钢窗。另一房间采用了附加阳光间式太阳能集热系统，阳光间窗户亦为单层塑钢窗，相关尺寸见图11所示。其他计算参数如表1所示：
表1示例建筑耗热量指标计算用参数
首先对示例建筑各部位面积进行统计，并按照本发明的步骤进行，计算结果如表2所示，计算过程中需要查图1和图5，即拉萨市直接受益窗单层、单框双玻窗SG-SES关系曲线和附加阳光间SG-SES关系曲线。
表2示例建筑耗热量指标计算过程
从表1、表2可以得出，对于待评价的建筑，南向的附加阳光间和集热蓄热墙可以达到的太阳能供暖指标SES总为0.42，除了被动式太阳能供暖以外，要达到室内18℃的温度，还需要为该建筑单位平米面积提供18.75W其他形式的辅助热量。
本发明克服了建筑节能设计标准中对太阳辐射的考虑粗略，不适合太阳能采暖建筑性能的评价的缺陷，对于采用若干种集热方式的建筑进行节能性能评价，使得评价结果更加科学合理。
机译： 建筑节能性能早期改造的经济评价方法
机译： 建筑节能性能计算支持装置，建筑节能性能计算支持方法及计算机程序
机译： 建筑节能性能计算支持装置，建筑节能性能计算方法和计算机程序
