基于人体热适应模型的建筑节能率计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及建筑节能领域，具体涉及一种基于人体热适应模型的建筑节能率计算 方法。
【背景技术】
[0002] 目前，中国现行建筑节能计算方法是根据不同气候区、不同建筑类型的建筑节能 设计标准，如《严寒、寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26)、《夏热冬冷地区居住建筑节 能设计标准》（JGJ134)、《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ75)和《公共建筑节能 设计标准》(GB50189)等为依据，每部标准以节能率计算为建筑节能目标。建筑节能率是指 在保证同样室内环境要求基础上，现有建筑全年能耗与基准建筑全年能耗的比值。基准建 筑是指20世纪80年代初期建造的建筑作为比较能耗的基础，称为"基准建筑"。由于建筑 节能率难以通过直接检验能耗获得，因此，建筑节能率计算是以间接强制性指标计算替代， 只要强制性指标计算满足要求，就是节能建筑。其要求如下：第一阶段：1986年以后新建 建筑比1980-1981年当地通用集合式住宅设计基础上能耗水平降30% ;第二阶段：1996年 以后新建建筑在与第一阶段相同的基础上节能50% ;第三阶段：在第二阶段基础上再节能 30 %，最终达到节能65 %的目标。为了实现上述目标，进行建筑节能率计算时，通过引入节 能控制参数并计算得出，与围护结构热工性能有关的参数包括形体系数、窗墙比、遮阳率、 热阻R、热惰性指标D、采暖耗热量指标、空调耗冷量指标；与设备系统节能有关的参数包括 采暖与空调的效率、热水供应的效率、照明的效率。围护结构的参数计算方法有两种。第一 种是规定性指标计算，它要求建筑围护结构的各热工性能参数计算符合要求；第二种是围 护结构热工性能的权衡判断，前提是当有规定性指标不符合要求时，可进行围护结构热工 性能的权衡判断，它是以建筑物耗热量指标为判断依据。这两种计算方法量大繁琐，需通过 节能软件完成，如DOE2、Energyplus等。设备系统节能方法通过对设备的运行效率和输送 效率的改善来实现。
[0003] 我国现行的建筑节能计算方法所依据的室内热环境标准是基于人工气候实验结 果的PMV模型，这种节能计算方法存在一定的局限，原因如下：（1)我国现行的建筑节能计 算所涉及的室内舒适温度是以PMV稳态模型为基础，这个模型较为狭窄的舒适区使建筑设 计未能更好的提高建筑的节能率（2)当前的建筑节能所采用的节能率计算是通过建筑设 计和设备系统两部分的节能控制参数来实现目标的，无法准确的确定一座建筑的节能目标 有多少是通过建筑设计实现的。也就是说，建筑师为了达到一座建筑65%的节能目标，他 可能会采用设备系统来实现目标，其结果是看似是节能建筑，其实是高能耗建筑；（3)当前 的建筑节能所采用的节能率计算是以基准建筑能耗为基础，此基准能耗仅针对我国北方地 区，未考虑我国其他气候区建筑当时的能耗状况，在此基础上计算得出的节能率未很好地 衡量建筑自身的节能水平。因此，本专利引入基于人体热适应模型的建筑节能计算方法，克 服目前的建筑节能计算的不足，其思路是用热适应模型中最能够反映室内外气候条件的空 气温度来表征能耗水平，用热适应模型中的热中性温度来表征人们的舒适温度，这个舒适 温度符合人们的热感觉，比PMV模型的舒适温度更客观。计算方法是根据热适应模型建立 室外温度曲线、室内温度曲线和热中性温度曲线，以时间坐标横轴为基准，用室外温度曲线 与热中性温度曲线围合的面积ASl表示基准能耗，它表征将室外温度调节至人体舒适的 热中性温度所需能耗；用室内温度曲线与热中性温度曲线围合的面积AS2表示建筑能耗， 它表征由建筑设计产生的室内温度调节至人体舒适的热中性温度所需能耗；用ASl减去 AS2的差值除以ASl表示建筑节能率，它表征通过建筑设计可使一座建筑获得多少节能 比率。如图1所示。计算方法简单易行，适用于建筑师在建筑设计方案阶段对建筑节能性 能的评价。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，提供一种基于人体热适应模型的建筑节能计算方法，直观地 评价建筑的设计节能水平，从而用以指导建筑和围护结构的热工设计，以提高建筑的节能 率。
[0005] 为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
[0006] -种基于人体热适应的建筑节能率计算方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一，获取建筑物拟建地全年每日平均室外空气温度；
[0008] 步骤二，计算建筑物日平均自然室温，具体步骤包括：
[0009] 将建筑物外围护结构按材料进行分层，将外墙和屋面分别分为n层、m层，均按照 从室内到室外的方向逐次递增；
[0010] 建立室内空气温度节点热平衡模型：
【主权项】
1. 一种基于人体热适应的建筑节能率计算方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，获取建筑物拟建地全年每日平均室外空气温度； 步骤二，计算建筑物日平均自然室温，具体步骤包括： 将建筑物外围护结构按材料进行分层，将外墙和屋面分别分为η层、m层，均按照从室 内到室外的方向逐次递增； 建立室内空气温度节点热平衡模型：
式⑵中，C为空气的比热，P in为室内空气的密度，V为房间体积，tD i in、tD i ()Ut分别 为第D日第i时刻室内、室外空气温度，τ为时间，kw，in、kMn分别为室内空气与第1层外 墙、屋面间的传热系数，F W、FW分别为外墙、屋面的面积，分别为为第1层外墙材料、 第1层屋面材料在第D日第i时刻的温度，P _为室外空气的密度，N为换气次数，F。为外 窗面积，kc为窗的传热系数，Q。为由窗日射得热量引起的室内逐时冷负荷； 求解式（2)，得到建筑物第D日第i时刻室内温度tD^n，继而得到建筑物全年室内平均 温度ξν?，生成全年室内温度曲线fin (X); 步骤三，根据式（21)的热适应模型计算建筑物拟建地的室内热中性温度，并绘制室内 热中性温度曲线fn(x): Tn= at 〇+b (21) 式（21)中，1；为热中性温度，t ^为建筑物所在地的室外温度，a，b为系数； 步骤四，根据步骤一获取的全年每日平均室外空气温度绘制室外温度曲线f?t(X)，计 算室外温度曲线与热中性温度曲线围合的面积ASl ; 步骤五，计算室内温度曲线fin(X)与热中性温度曲线fn(X)的围合面积AS2; 步骤六，计算基于人体热适应模型的建筑节能率：
步骤七，根据建筑设计所依据的建筑节能设计标准、建筑与围护结构热工设计参数按 照标准中各节能设计参数限值取值，建立实际基准模型，按照步骤一至步骤六相同的方法 计算基准模型对应的建筑节能率丸； 步骤八，比较步骤七得到的1和步骤六得到的j，如果j>j C1,则判定该建筑设计符合现 行节能设计标准的要求；如果Kjtl,那么建筑师可改变建筑与围护结构热工设计的设计参 数，通过步骤二至步骤六循环计算，直至j〉^。
2. 如权利要求1所述的所述的基于人体热适应的建筑节能率计算方法，其特征在于， 步骤二中室内空气温度节点热平衡方程的求解过程包括： 在外墙和屋面的每一层中选取温度节点，建立外墙和屋面的热平衡方程： 外墙第x(x = 1，2,…，η)层温度节点的热平衡方程为：
式⑶至式⑶中：CwjPC"为外墙和屋面每层材料的比热，δ wx、δ M分别为外墙、 屋面每层材料的厚度，Pm P "分别为外墙、屋面每层材料的密度，tWiX、t"分别为为第X 层外墙材料、第y层屋面材料中温度节点的温度，kWiX、k"*别为第X层和第x+1层外墙、第 y层和第y+Ι层屋面间的传热系数，分别为外墙第η层、屋面第m层和室外空气 间的传热系数，tsa为室外空气综合温度； 其中：
式（9)至式（11)中，α $室内空气与第1层外墙间的对流换热系数，δ w l为第1层 外墙材料的厚度，Aiu为第1层外墙材料的导热系数，α 2为第η层外墙和室外空气间的对 流换热系数； 将式（9)、式（10)和式（11)中的下标w替换为下标r，下标X替换为下标y，下标m替 换下标n，而公式不变，则得到屋面的kMn、〇 k pUt; 式（5)中的tsa为： 式（12)中，P s为太阳辐射吸收系数；α 3为外表面对流换热系数；
式（2)中的％为： Qc= Fc · Xg · Xd · Jwt (13) 式（13)中，\为窗的构造修正系数；XdS地点修正系数Jwt为计算时刻下透过无遮阳 设施玻璃太阳辐射的冷负荷强度； 联合式（3)至式（13)求解式（2)，可得到建筑物第D日i时刻自然室温对求得 的全年每个时刻的室内温度进行平均，得到建筑物全年室内平均温度。
【专利摘要】本发明公开了一种基于人体热适应模型的建筑节能率计算方法，该方法的步骤包括：获取建筑物拟建地全年室外气象数据、计算建筑物日平均自然室温、根据热适应模型绘制热中性温度曲线、计算基准能耗、计算建筑能耗、计算建筑节能率、建立基准模型并计算基准模型的节能率、判断建筑节能率并调整建筑参数。本发明克服了我国现行的建筑节能设计标准所涉及的室内舒适温度是以PMV稳态模型为基础的缺陷，这个模型较为狭窄的舒适区使建筑设计未能更好的提高建筑的节能率；并且，克服了当前的建筑节能率计算无法准确的确定一个建筑的节能目标有多少是通过建筑设计实现，又有多少是通过设备来实现，可用来指导建筑和围护结构的热工设计。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104680001
【申请号】CN201510070484
【发明人】杨柳, 林宇凡, 赵蕾, 郭超月, 朱新荣
【申请人】西安建筑科技大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月11日