一种基于全年得失热分析的建筑节能设计方法

摘要

本发明提供一种基于全年得失热分析的建筑节能设计方法。首先确定建筑几何信息和热工计算参数，以及人员、设备和照明功率密度和运行时间等信息；其次对建筑全年的能耗状况进行计算，并针对季节对建筑的得热项和失热项组成进行分项统计；对不同季节的得失热项目进行排序，得到建筑层面以及房间层间的主要得热项和主要失热项；根据排序结果，从建筑层面和房间层面有针对性地提出节能设计策略，并确定这些节能设计策略的优先级别；考察某一季节单项节能设计策略的全年综合收益，若全年综合收益小于零，重新设计建筑方案；若大于零，对多项单项策略进行组合设计，计算不同组合下的建筑全年能耗和节能率状况，确定最具节能潜力的组合工况及其该工况下的节能率水平。

说明书

技术领域

本发明属于建筑节能设计领域，具体涉及一种基于全年得失热分析的建筑节能设计方法。

背景技术

随着我国的城镇化速度的迅猛提升，建筑业的发展需求也在随之增加，势必带来大量的能源消耗，对建筑业的节能减排和低碳发展都是严峻的挑战。

在建筑设计阶段，选择确定合理的设计策略是建筑实现绿色、低能耗乃至零碳目标的关键方向性问题。关于节能设计策略的选择确定，目前运用较为广泛的有Olgyay生物气候图法，Givoni结合温湿度图发展的“气候设计”方法以及Mahoney列表法等。Olgyay提出了可以依照人体热舒适和室外气候条件进行建筑设计的方法，并将这种分析方法用图表表示出来，提出各种设计要素如建筑形式，朝向、开口的位置和尺寸等，使其能够在室外条件不利时给予一定的补偿，最大的局限性在于对人体热舒适的分析是以室外气象参数为基准的，因此适用于室内外气候状况相差不大的房间。而Givoni的方法发展了Olgyay的“生物-气候设计方法”，将夜间通风，遮阳等方式的适用范围均表现在一个温湿度图上，形成一种称为“建筑气候设计分析图”的图表，可采取的节能措施一目了然。Mahoney列表法在考虑人体热舒适时，采用了有效温度法，考虑了不同气候区人们对气候的适应性，建立了气候指标和建筑具体措施之间的关系。

这些方法能够给出被动式节能设计策略的设计建议，但是在使用过程中还存在一定的问题：首先，设计者虽然可以提出相关节能设计策略，但是往往缺乏全年考虑，容易出现“顾此失彼”的情况，针对某一季的设计策略很有可能引起其他季节环境的恶化，造成整体能耗的增加。例如冬季采用附加阳光间的设计，很可能增加夏季的空调能耗，并未达到降低建筑能耗的目的。

其次，设计者虽然可以根据通过软件工具预测设计策略的节能效果，但是往往并不清楚效果产生的原因，无法判断节能策略的优先等级，也无法有针对性地对策略优化改良。

《民用建筑热工设计规范》(GB50176-2016)中提出了保温设计、防热设计、防潮设计、围护结构隔热设计、自然通风设计和建筑遮阳设计的原则。《严寒和寒冷地区地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 26-2018)从严寒和寒冷地区居住建筑的总体布局、体形系数、窗墙面积比和围护结构热工性能参数出发，提出相对应的节能设计措施。该标准主要关注减少冬季失热，注重围护结构保温问题。《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134-2010)标准主要关注夏季隔热问题，《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB55015-2021)提出建筑节能应遵循被动节能措施优先的原则，同时注意加大可再生能源的应用比例。但在这些节能标准中，关于全年节能效果的评价以及节能效果产生的原因等问题都还鲜有涉及。

因此，如何基于全年视角，深入分析能耗产生的原因，提出适宜性的设计策略是当前建筑节能设计的迫切问题。本发明尝试基于建筑全年得失热量分析的方法，获得不同季节建筑各项得失热的多寡级别，提出解决主要矛盾的节能措施；并运用全年综合评价指标，提出基于全年收益最大化的设计策略组合以及不同组合下的全年综合收益指标，以期为建筑设计人员提供便捷有力的分析工具，为建筑节能乃至零碳建筑事业贡献力量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，本发明提供一种基于全年得失热分析的建筑节能设计方法，解决现有技术存在的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于全年得失热分析的建筑节能设计方法，包括如下步骤：

步骤一，确定建筑几何信息、构造信息和材料的热物性参数；确定建筑的室内外计算参数、气象参数以及室内人员、设备和照明功率密度等信息。

步骤二，对全年各季节建筑整体和各个房间的得失热量进行分项计算和统计。得热和失热统计分析项目主要包括：

a.太阳辐射透过玻璃窗的得热；

b.室内外空气温差引起围护结构传热；

c.通风(渗透)引起的得(失)热量；

d.人员、设备、照明得(失)热量；

e.设备系统供给热量；

步骤三，针对不同季节，对步骤二的得失热项目进行排序，得到各个房间及建筑整体的主要得热项和主要失热项。

步骤四，根据排序结果，从建筑层面和房间层面提出针对性的节能设计策略，并确定这些节能设计策略的优先级别。

步骤五，考察某一季节节能设计策略在全年的综合收益。例如冬季节能设计策略在冬季的节能量为q1，在其他季节为q2，全年综合收益Δq

步骤六，对于多项全年综合收益Δq

优选的，其特征在于：

所述步骤二中，冬季与夏季的得热项目与失热项目包括：

太阳辐射透过玻璃窗的得热：

Q

C

其中，Q

室内外空气温差引起围护结构传热：

Q

其中，n为围护结构的编号；Q

通风引起的得(失)热量：

Q

其中，V

人员、设备、照明得(失)热量：

其中，Q

优选的，所述步骤五中，某一季节的全年综合收益，以冬季和夏季为例，按下式计算：

冬季季节能设计策略的全年综合收益Δq

Δq

夏季季节能设计策略的全年综合收益Δq

Δq

这里仅列出冬季和夏季的方法，春季和秋季如果存在过热(冷)的问题，设计策略的提出和全年综合收益的确定参照式(8)和(9)。

其中，q

优选的，所述步骤六中建筑全年节能率：

其中，J为建筑全年节能率，t

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)本发明的设计方法考虑了节能设计策略的全年节能效果，使得节能设计的效果更加明确，完善了现有节能设计评价体系。

(2)本发明的设计方法通过对建筑的夏季和冬季得失热分析，找到主要的得热项和失热项，从而能更有针对性地提出节能设计策略，使得节能设计有据可依，解决主要矛盾。

(3)本发明的设计方法根据得失热量的计算结果确定建筑和不同朝向房间的节能设计策略，考虑了建筑每个房面对的室外热环境的差异，使得建筑节能设计更加精准。

附图说明

图1是本发明的实施例建筑平面图；

图2是本发明的实施例建筑夏季围护结构得热项目示意图；

图3是本发明的实施例建筑夏季不同朝向外窗得热项目示意图；

图4是本发明的实施例建筑冬季围护结构失热项目示意图；

图5是本发明的实施例建筑冬季不同朝向外窗失热项目示意图；

图6是本发明的实施例的不同工况组合下建筑全年节能率示意图。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

本文中的围护结构包括：西墙、北墙、东墙、南墙、西外窗、北外窗、东外窗与南外窗。

本是实施例以吐鲁番一栋居住建筑为例说明本发明的具体应用方法。

建立建筑模型，平面图如图1所示。

步骤一，统计建筑模型的基本信息：窗玻璃净面积；不同朝向墙体和窗户面积；屋顶面积；窗户、墙体和屋顶的传热系数，如表1、表2所示：

表1：建筑模型的基本信息

表2：不同朝向窗户面积

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步骤二，针对典型季节进行得失热计算，这里以冬季与夏季进行为例，根据公式(1)～(7)获得得热项目和失热项目组成并进行分项统计。

首先针对夏季进行室内得失热量的计算并统计，计算结果如表3所示，其中主要的得热项目有由于室内外温差引起的围护结构传热

表3：夏季得失热项目计算与统计

表4：夏季透过不同朝向窗户的太阳辐射得热

表5：夏季不同朝向围护结构得热项目计算与统计

步骤三～步骤四，根据夏季减少得热，增加失热的原则，利用公式(3)计算夏季不同朝向围护结构传热量

从图3，表5可以看出，Q

根据公式(1)可以计算夏季透过不同朝向窗户的太阳辐射得热量，由表4可以得到，南窗，东窗占建筑外窗太阳辐射总得热的70％，可以对两个个朝向的窗户采取遮阳处理，减少透过外窗的太阳辐射得热。

就失热项目而言，夜间通风是失热项，因此可以采取夜间通风措施，降低室温；

步骤二，针对冬季进行室内得失热量的计算并统计，计算结果如表6所示。

表6：冬季得失热项目计算与统计

表7：冬季不同朝向围护结构失热项目计算与统计

步骤三～步骤四，对表6的冬季得失热量计算结果进行排序，Q

根据冬季增加得热，减少失热的原则，从冬季增加得热的角度出发，优先选择被动式太阳能的利用。因为我国处于北半球，南向太阳辐射较强，可以考虑在南向增加附加阳光间，在第二卧室和客厅前增加附加阳光间，附加阳光间设置有集热蓄热体，能够起到利用太阳能，增加热量的效果。

从冬季减少失热的角度出发，根据公式(3)计算冬季不同朝向围护结构得失热量

从图5，表7可以看出，在各个朝向外窗失去的热量中，Q

综合冬季和夏季提出的可供选择的节能设计策略为，①南向附加阳光间(有遮阳处理)；②夜间通风；③对屋顶、西向房间(第一卧室，第二卧室)的西墙、北墙以及东墙采取保温隔热措施；④对南外窗、北外窗、东外窗采取保温隔热的措施。

步骤五，以冬季对该居住建筑采取南向附加阳光间的冬季节能设计措施为例，冬季的节能设计策略会增加夏季能耗。附加阳光间采用凸起式，阳光间进深1.5m，高宽与建筑一致，内窗构造做法与原建筑一致，冬季增加单位建筑面积得热量q1为16.33KWh，夏季增加单位建筑面积得热量q2为26.46KWh,Δq

对该居住建筑模型设计方案进行调整，对附加阳光间进行遮阳处理，再次计算Δq

表8：单项节能设计策略的全年节能率

上述提出的单项节能设计策略不能同时满足不同季节的需求，需要考虑多项节能设计策略的组合情况。表9列举了几种组合工况及其组合工况下的节能率。在全年工况下，节能率从大到小排序为：5>4>3>2>1，说明工况5在有阳光间且设置遮阳的情况下使用，全年节能率最高。其中工况1到工况2的增加幅度最大，这说明附加阳光间(有遮阳处理)和夜间通风是最有效的节能措施。

表9：不同工况下建筑全年节能率

对比本方法和其他相关方法提出节能策略的节能率可以发现，不管是工况2还是工况5，本发明提出策略对应的节能率较其他方法的节能率都有进一步提升。

表10：不同建筑气候分析方法与本方法对比

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