CN104680004A - 一种建筑物节能率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑物节能率计算方法，以客观、准确地衡量建筑物节能设计的优劣，克服现有方法中无法准确评定建筑物自身节能率的不足，用以指导建筑围护结构的设计。该方法建筑设计方案及节能设计所依据的现行国家标准中规定的围护结构热工设计参数限值建立建筑标准模型，以及建筑围护结构与室内外热平衡方程，客观准确地求出日平均空气温度，继而利用基准能耗和建筑能耗来评判建筑的节能率，对建筑设计是否满足现行节能设计标准的要求做出判断，适用于不同气候区不同类型建筑设计阶段建筑围护结构节能性能的判断，用以指导建筑和围护结构的热工设计。

Description

一种建筑物节能率计算方法

技术领域

本发明涉及建筑节能领域，具体涉及一种新的建筑节能率计算方法，用以客观评价建筑物节能率，同时可作为建筑设计参考。

背景技术

一座建筑物能耗的大小，取决于三个方面的因素：(1)围护结构的保温隔热性能，包括外墙、门窗、屋面等构造的保温隔热性能；(2)设备***的运行效率，包括设备***的选择、运行和管理情况；(3)建筑使用者的热需求，包括对建筑室内温度、湿度等热环境的要求。其中，围护结构的性能和使用者的热需求共同决定了建筑采暖、空调、通风、照明等各种服务的能耗需求大小；而设备***的效率决定了为满足该能耗需求所使用的能源数量。

为节约建筑能耗，我国自1986年起陆续出台或更新了针对不同气候区、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。每部标准以节能率作为建筑节能目标，截至2010年，分别提出了30％、50％和65％的节能率目标。以居住建筑节能率计算为例，三种节能率是这样计算得来的：定义1980～1981年北方实地调研的一批典型建筑采暖期的实测采暖能耗值为“100％”，不同节能率标准要求实现采暖能耗在上述“100％”的基础上分别节能30％、50％和65％的目标。其中，采暖能耗包括采暖***运行过程中消耗的热量、电能以及建筑物耗热量，节能率是含供暖***管网、锅炉等设备节能在内的总节能率。

为满足节能率的要求，上述设计标准按照不同的气候区针对围护结构的性能进行规定和控制(《公共建筑节能设计标准》还规定了采暖、通风和空气调节节能设计要求)，即通过强制性条文，规定了围护结构各个构件的性能参数，如居住建筑中对建筑的体型系数、窗墙面积比、围护结构的传热系数、外窗及敞开式阳台的密闭性能等，当所设计建筑完全符合这些强制的性能参数的要求时，就被判定为节能建筑。如果建筑某项指标不能达到标准要求时，标准要求必须对围护结构热工性能进行权衡判断，即给出一个符合标准的节能建筑作为参考建筑，对所设计建筑的能耗进行计算。在计算所设计的建筑和参考建筑的能耗时，除围护结构外，还需要建筑使用者生活方式和设备***方面的信息，标准对其进行了假定，作为计算依据。在此前提下，如果所设计的建筑能耗指标小于参考建筑物能耗指标时，即可判断该建筑满足设计标准节能率的要求。

由于人对居住环境的需求与外部气候总是存在差异，因此人类需要一个能够提供遮风挡雨、御寒避暑的空间，以减少来自外部气候***给人们带来的不利影响。然而，单就建筑而言，它又不能完全为人们提供舒适的室内热环境，还必须依靠其他设备***来满足人的舒适性需求，建筑能耗因此而产生，这是建筑的能耗属性。由此可见，建筑除了需要承担削弱外部气候为人们提供良好的居住环境之外，还应尽可能设计优良以降低建筑能耗的水平。因此，良好的建筑节能设计，能充分缩小气候和人体舒适性需求之间的差异，也能够降低建筑能耗。

从建筑设计角度来讲，这就要求建筑师必须充分利用设计手法提高建筑的节能性能。要准确判定建筑节能设计的优劣，需要评判其节能性能，就必须明确建筑物对整个建筑节能的贡献率，即建筑物自身的节能率大小。然而，就目前我国现行的各标准来看，尚无法达到此目的，究其原因，主要有：

(1)现有标准是以1980～1981年北方实地调研的一批典型建筑采暖期的实测采暖能耗值为基准计算建筑节能率的，此基准能耗仅针对我国北方地区，并未参考我国其他气候区建筑当时的能耗状况，本身并不严谨、科学，从而导致在此基础上计算得出的节能率就不能很好地衡量建筑自身的节能水平；(2)关于建筑节能率的计算，是包含了建筑和设备***两部分在内的总的节能率，无法准确分离并判定建筑物自身承担的节能量。

另外，现行标准的执行也带来了以下问题：

(1)由于各标准对建筑围护结构的节能性能制定了苛刻的量化指标，建筑设计师只要按照标准规定的各设计参数(如：窗墙面积比、围护结构各构件的传热系数等)，便能设计出合格的节能建筑。这种“工业化”的建筑设计和建造模式，使得建筑师无从发挥其设计才能，导致同一类型建筑风格大同小异，舍弃了建筑本应具有的美学属性；(2)所处不同气候区或不同类型的建筑执行不同的节能设计标准，各标准规定的内容及节能指标不尽相同，这导致建筑节能性能的判定缺乏统一、公正的标尺，建筑之间无法比较其建筑物自身设计的好坏，更不能科学地计算建筑节能率在总的节能率中所占的比例。

如何准确简单地评判建筑物自身的节能性能，来衡量建筑节能设计的优劣，这需要一个便于操作的统一的方法来判定建筑自身的节能率。因此，有必要提出一种新的建筑节能率计算方法。

发明内容

针对上述传统建筑节能率计算方法存在的不足或缺陷，本发明的目的在于，以“气候-建筑-人”三者数学模型为基础，提出一种新的建筑节能性能判定思想，据此提出一种新的建筑节能率计算方法，以客观、准确地衡量建筑物节能设计的优劣，克服现有方法中无法准确评定建筑物自身节能率的不足，用以指导建筑和围护结构的热工设计，从而提高建筑的节能率。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

.一种建筑物节能率计算方法，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，获取建筑物日平均自然室温，具体步骤包括：

将建筑物***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；

建立室内空气温度节点热平衡模型：

$\begin{array}{c}C{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{in}}V\frac{{\mathrm{dt}}_{D,i,\mathrm{in}}}{\mathrm{d\τ}}=k_{w,\mathrm{in}}{F}_w(t_{w,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+k_{r,\mathrm{in}}{F}_r(t_{r,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+\\ (t_{D,i,\mathrm{out}}-t_{D,i,\mathrm{in}})(C{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{out}}\mathrm{VN}/3600+F_C\·k_C)+Q_C\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中，C为空气的比热，ρ_in为室内空气的密度，V为房间体积，t_D,i,in、t_D,i,out分别为第D日第i时刻室内、室外空气温度，τ为时间，k_w,in、k_r,in分别为室内空气与第1层外墙、屋面间的传热系数，F_w、F_w分别为外墙、屋面的面积，t_w,1、t_r,1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，C为空气比热，ρ_out为室外空气的密度，N为换气次数，F_C为外窗面积，k_C为窗的传热系数，Q_C为由窗日射得热量引起的室内逐时冷负荷；

求解式(1)，得到建筑物第D日第i时刻室内温度t_D,i,in，继而得到建筑物全年室内平均温度

步骤三，根据步骤一得到的全年平均室外空气温度生成全年室外温度曲线f_out(x)，在温度曲线的坐标轴中，x轴为时间，y轴为温度；计算温度曲线f_out(x)与全年平均舒适温度线围合的面积S；

步骤四，根据步骤二得到的全年室内日平均自然室温生成全年室内温度曲线f_in(x)，计算f_in(x)与全年舒适温度线围合的面积S′；

步骤五，计算建筑调节能耗：ΔS＝S-S′；

步骤六，计算建筑节能率J：

$J=\frac{\mathrm{\ΔS}}{S}\×100\%$

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，建立实际标准模型，按照步骤一至步骤六相同的方法计算标准模型对应的建筑节能率J₀；

步骤八，比较步骤七得到的J₀和步骤六得到的J，如果J>J₀，则判定该建筑设计符合现行节能设计标准的要求；如果J<J₀，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>J₀。

进一步地，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，…，n)层温度节点的热平衡方程为：

屋面第y(y＝1，2，…，m)层温度节点的热平衡方程为：

式(2)至式(7)中：C_w,x和C_r,y为外墙和屋面每层材料的比热，δ_w,x、δ_r,y分别为外墙、屋面每层材料的厚度，ρ_w,x、ρ_r,y分别为外墙、屋面每层材料的密度，t_w,x、t_r,y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，k_w,x、k_r,y分别为第x层和第x+1层外墙、第y层和第y+1层屋面间的传热系数，k_w,out、k_r,out分别为外墙第n层、屋面第m层和室外空气间的传热系数，t_sa为室外空气综合温度；

其中：

$k_{w,\mathrm{in}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_1}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,1}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,1}}}---\left(8\right)$

$k_{w,x}=\frac{1}{\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,x}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,x}}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,x+1}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,x+1}}}---\left(9\right)$

$k_{w,\mathrm{out}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,n}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,n}}}---\left(10\right)$

式(8)至式(10)中，α₁为室内空气与第1层外墙间的对流换热系数，δ_w,1为第1层外墙材料的厚度，λ_w,1为第1层外墙材料的导热系数，α₂为第n层外墙和室外空气间的对流换热系数；

将式(8)、式(9)和式(10)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k_r,in、k_r,y和k_r,out；

式(4)中的t_sa为：

$t_{\mathrm{sa}}=t_{D,i,\mathrm{out}}+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{s}I}{{\mathrm{\&alpha;}}_3}---\left(11\right)$

式(11)中，ρ_s为太阳辐射吸收系数；α₃为外表面对流换热系数；

式(1)中的Q_C为：

Q_C＝F_C·X_g·X_d·J_wτ   (12)

式(12)中，X_g为窗的构造修正系数；X_d为地点修正系数；J_wτ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；

式(2)至式(12)各公式中未提及的参数的含义，与在前解释的含义相同；

联合式(2)至式(12)求解式(1)，可得到建筑物第D日i时刻自然室温t_D,i,in；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

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.该建筑节能率计算方法的思想不同于现行标准，它是用能够直接反映室内外气候条件及人体舒适程度的最主要指标“空气温度”来衡量建筑物自身的能耗水平，通过定积分的方法计算室内外温度曲线与平均热舒适曲线围合的面积来反映能耗大小，计算过程科学、客观；

2.该计算方法建立了以室内人体热舒适度来约束建筑物节能设计，以单一的建筑物节能率指标来表征建筑抵御气候作用的大小，并包含了建筑方案设计阶段围护结构基本构造参数以及各部分材料类型、尺寸、功能参数(如比热、密度、导热系数等)复杂且全面的“气候-建筑-人”三者的数学模型，充分展示了围护结构构造体系设计在整个建筑节能设计中的影响，并能以节能率指标反过来指导围护结构的设计；

3.以更加直观明了并能切身体会的“空气温度指标”，取代原有标准中规定的对围护结构各构件的性能参数所做的强制性条文规定，有助于建筑师在设计阶段自行评判节能设计是否优良，并进行方案调整、优化，更有利于建筑师发挥自身的设计才能，在满足现有节能设计标准的基础上进行良好的设计创作，避免出现设计方法“千篇一律”、城市外貌“千城一面”等地域文化缺失的现象；

4.该方法是针对所有气候区不同类型的建筑节能率的计算方法，具有科学、公正的特点，且统一的节能率计算使建筑节能性能及设计优劣更容易衡量和评判，具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明新的建筑节能率计算原理模型；

图2是外墙的温度节点示意图；

图3是屋面的温度节点示意图；

图4是本发明具体实施例建筑平面图；

图5是实施例外墙构造做法示意图；

图6是实施例屋面构造做法示意图；

图7是本发明具体实施例建筑节能率计算数据图；

图8是本发明计算流程图；

图5和图6中各标号的含义为：

1—聚合物砂浆，2—粘土实心砖，3—水泥砂浆，4—EPS板，5—水泥砂浆，6—钢筋混凝土，7—锅炉渣，8—膨胀聚苯板，9—陶粒，10—C15砼，11—防水层。

具体实施方式

本发明的计算原理和涉及的主要概念术语如下：

计算原理：

一种新的建筑节能率计算方法，用最能够反映室内外气候条件的“空气温度指标”来表征能耗水平，适用于任何气候区和所有类型的建筑，且能反映建筑物自身全年的综合节能效果，计算原理可用数学公式形象表示为：

基准能耗-建筑能耗＝建筑的调节能耗

新的建筑节能率计算原理模型，即“气候-建筑-人”三者数学模型可用图1形象示意，其中x轴表示能耗的计算时间，本发明取节能率计算的一个时间周期为365日，并以“日”为结算单位，单位：天；y轴表示空气温度，单位：℃。

概念术语：

全年室外温度曲线

从建筑物所在城市或地区的全年室外气象数据中获取全年室外日平均空气温度数据，将其绘制而成的曲线称之为“全年室外温度曲线”，其方程可表达为f_out(x)。

全年室内温度曲线

由于该计算方法直接依赖于室内外温度数据，因此对于自然室温，需要经过严格的模型建立和温度计算过程，通过建筑物围护结构分层、建筑物的图纸以及设计参数，利用热平衡方程计算出客观的全年每日逐时自然室温，按日统计其平均值，然后利用这些数据绘制成曲线，称为“全年室内温度曲线”，其方程表达为f_in(x)；室内温度曲线是根据设计参数计算出来的，是一个客观的衡量值，而对于按照该图纸和参数设计的建筑物，可根据该衡量值和计算结果进行比对，以指导建筑的设计过程。

全年平均舒适温度线

全年人体感觉舒适时的室内温度线，其方程可表达为f_comf(x)，本发明舒适温度取《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012中舒适温度最大区间16～28℃的平均值，即f_comf(x)＝22℃。

基准能耗

人的舒适性需求和外部气候总是存在差异，将消除这种差异所需要的能耗定义为“基准能耗”，可用全年室外温度曲线和全年平均舒适温度线围合的面积(S)来表示，面积大小可通过定积分的方式求得。

建筑能耗

将建筑物抵御室外气候之后形成的室内气候，调节至人体舒适时产生的能耗定义为“建筑能耗”，可用全年室内温度曲线和全年平均舒适温度线围合的面积(S′)来表示，面积大小可通过定积分的方式求得。

建筑调节能耗

将运用建筑设计手法使室外气候产生的基准能耗的减少量，定义为“建筑调节能耗”，可用全年室外温度曲线与全年室内温度曲线围合的面积(ΔS)来表示，面积大小ΔS＝S-S′。

标准模型

建筑物围护结构热工设计参数(如：建筑体形系数、窗墙面积比、围护结构各部位热工性能参数等)取建筑节能设计所依据的国家(或地方)现行标准规定的设计限值，建立的与建筑原有设计基本保持一致的用于计算新的建筑节能率的模型。

本发明提出一种新的建筑物节能率计算方法，对建筑物自身节能性能进行评判，具体包含以下步骤：

步骤一，获取建筑物所在地全年室外气象数据，提取全年每日逐时室外空气温度t_D,i，out，℃(1≤D≤365，1≤i≤24)，计算可得日平均室外空气温度℃；这里的全年室外气象数据可以是气象台站的实际观测值，也可以是典型气象年、标准气象年数据，用到的气象参数主要是全年室外空气温度的日平均值；

步骤二，计算建筑物室内温度，包括以下步骤：

步骤S20，将建筑物***护结构按材料进行分层，把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；在每一层上均选取温度节点；可选取每一层材料的中心点作为温度节点(质点)；

步骤S21，根据建筑设计图采集建筑物的以下基本信息：

外墙的面积F_w，m²；外墙每层材料的厚度δ_w,x，m(1≤x≤n)；屋面的面积F_r，m²；屋面每层材料的厚度δ_r,y，m(1≤y≤m)；外窗的面积F_C，m²；建筑物内的房间体积V，m³；

步骤S22，采用常规方法采集建筑物的以下计算参数：

第D日i时刻室外空气温度t_D,i,out，℃(1≤D≤365，1≤i≤24)；

外墙和屋面每层材料的比热C_w,x和C_r,y，J/(kg·K)、密度ρ_w,x和ρ_r,y，kg/m³、导热系数λ_w,x和λ_r,y，W/(m·K)；太阳辐射吸收系数ρ_s；太阳辐射照度I，W/m²；

窗的传热系数k_C，W/(m²·K)；空气比热C，J/(kg·K)；空气密度ρ，kg/m³；换气次数N，1/h；窗的构造修正系数X_g；玻璃窗太阳辐射冷负荷强度的地点修正系数X_d；计算时刻下透过无遮阳设施玻璃太阳辐射的冷负荷强度J_wτ，W/m²；这些参数可以通过查询设计图纸来得到；

步骤S23，对建筑物自然室温进行研究，即将整个室内空间看作是一个有热容量的质点系，这个质点系和室内有着同样的质量和热容量，把建筑***护结构的壁体按照S20划分为若干层，每一层用一个质点(即上述的温度节点)来代表该层的质量和热容量，建立热平衡方程式：

室内空气温度节点的热平衡模型：

$\begin{array}{c}C{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{in}}V\frac{{\mathrm{dt}}_{D,i,\mathrm{in}}}{\mathrm{d\&tau;}}=k_{w,\mathrm{in}}{F}_w(t_{w,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+k_{r,\mathrm{in}}{F}_r(t_{r,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+\\ (t_{D,i,\mathrm{out}}-t_{D,i,\mathrm{in}})(C{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{out}}\mathrm{VN}/3600+F_C\&CenterDot;k_C)+Q_C\end{array}---\left(1\right)$

为了求解方程(1)，可建立外墙和屋面各层的热平衡方程来辅助求解：

外墙第x(x＝1，2，…，n)层温度节点的热平衡方程为：

屋面第y(y＝1，2，…，m)层温度节点的热平衡方程为：

式(1)至式(7)中，C为空气的比热，J/(kg·K)；ρ_in为室内空气的密度，kg/m³；ρ_out为室外空气的密度，kg/m³；τ为时间，s；k_w,in、k_r,in分别为室内空气与第1层外墙、屋面间的传热系数，W/(m²·K)；k_w,x、k_r,y分别为第x(1≤x≤n-1)层和第x+1层外墙、第y(1≤y≤m-1)层和第y+1层屋面间的传热系数，W/(m²·K)；k_w,out、k_r,out分别为外墙第n层、屋面第m层和室外空气间的传热系数，W/(m²·K)；t_sa为室外空气综合温度，℃；t_w,x、t_r,y分别为外墙、屋面各层集中质点的温度，℃；Q_C为由窗日射得热量引起的室内逐时冷负荷，W；

式(1)～式(7)中涉及的参数的计算如下：

$k_{w,\mathrm{in}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_1}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,1}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,1}}}---\left(8\right)$

$k_{w,x}=\frac{1}{\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,x}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,x}}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,x+1}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,x+1}}}---\left(9\right)$

$k_{w,\mathrm{out}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,n}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,n}}}---\left(10\right)$

式(8)～(10)中，α₁为室内空气与第1层外墙或屋面(当这三个公式中下标被替换后)间的对流换热系数，取8.72W/(m²·K)；δ_w,1为第1层外墙材料的厚度，m；λ_w,1为第1层外墙材料的导热系数，W/(m·K)；α₂为第n层外墙或第m层屋面和室外空气间的对流换热系数，取23.3W/(m²·K)；

采用同样的方法可得出屋面的k_r,in、k_r,y和k_r,out，即将式(8)、式(9)和式(10)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；替换后每个参数代表的含义与前相同；

式(4)中的t_sa为：

$t_{\mathrm{sa}}=t_{D,i,\mathrm{out}}+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{s}I}{{\mathrm{\&alpha;}}_3}---\left(11\right)$

式(11)中，ρ_s为太阳辐射吸收系数；I含义与前相同，为水平或垂直面上太阳辐射照度，W/m²；α₃为外表面对流换热系数，取19.0W/(m²·K)；

式(1)中的Q_C为：

Q_C＝F_C·X_g·X_d·J_wτ   (12)

式(12)中，X_g为窗的构造修正系数；X_d为地点修正系数；J_wτ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，W/m²。

步骤S24，求解式(1)～式(7)，可得到建筑物第D日i时刻自然室温t_D,i,in，℃；对求得的全年每个时刻的室内温度进行平均，可得到建筑物全年室内日平均自然室温℃，具体步骤为：

用差分代替式(1)～式(7)中的微分，即用△τ代替dτ，使 带有注角“z”的为τ＝z·△τ时刻的值，“z+1”的为τ＝(z+1)·△τ时刻的值。计算时间取△τ＝3600s，经过变换得到计算机容易迭代的代数方程组：

$\begin{array}{c}{t}_{D,i\_\mathrm{in}}^{z+1}=\\ \frac{{\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{in}}{\mathrm{Vt}}_{D,i,\mathrm{in}}^z/3600+k_{w,\mathrm{in}}{F}_w{t}_{w,1}^z+k_{r,\mathrm{in}}{F}_r{t}_{r,1}^z+t_{D,i,\mathrm{out}}^z({\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{out}}\mathrm{VN}/3600+F_C\&CenterDot;k_C)+Q_C^z}{{\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{in}}V/3600+k_{w,\mathrm{in}}{F}_w+k_{r,\mathrm{in}}{F}_r+{\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{out}}\mathrm{VN}/3600+F_C\&CenterDot;k_C}\end{array},---\left(13\right)$

对于墙体：

对于屋面：

通过对式(13)～(19)中所有参数进行列表统计，可计算求得每个计算时刻下建筑物的自然室温t_D,i,in，分别将每日计算时刻下的建筑物自然室温取平均值，即可得到室内日平均自然室温将得到的全年室内日平均自然室温连线即可得到全年室内平均温度曲线。

步骤三，将步骤一得到的全年日平均室外空气温度生成全年室外温度曲线f_out(x)，利用积分的方法求其与全年平均舒适温度线(f_comf(x)＝22℃)围合的面积S，即基准能耗，即：

$S=\underset{a}{\overset{b}{\&Integral;}}{f}_{\mathrm{out}}\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(20\right)$

式(20)中，a、b代表节能率计算的始末时间，分别取值为0、365；f_out(x)为全年室外温度曲线方程；可通过定积分方法来计算，见式(21)：

$\underset{a}{\overset{b}{\&Integral;}}f\left(x\right)\mathrm{dx}\&ap;\underset{D=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_D\mathrm{\&Delta;x}=\frac{b-a}{l}\underset{D=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_D---\left(21\right)$

式(21)中，l为常数，表示能耗计算天数，取365天；y_D为第D日(1≤D≤365)日平均温度与舒适温度之间的差值，℃；最终基准能耗可表达为式(22)：

$S=\frac{b-a}{l}\underset{D=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_{D,\mathrm{out}}=\underset{D=1}{\overset{365}{\mathrm{\&Sigma;}}}|{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{out}}-t_{\mathrm{comf}}|=\underset{D=1}{\overset{365}{\mathrm{\&Sigma;}}}|{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{out}}-22|---\left(22\right)$

式(22)中，y_D，out为第D日室外平均空气温度与全年舒适温度的差值，℃；为第D日室外平均空气温度，℃；t_comf为全年平均舒适温度，℃，本发明取22℃；

步骤四，将步骤二得到的全年室内日平均自然室温生成全年室内温度曲线f_in(x)，利用积分的方法求其与全年平均舒适温度线：f_comf(x)＝22℃围合的面积S′，即建筑能耗，见式(23)：

$S^{\&prime;}=\underset{a}{\overset{b}{\&Integral;}}{f}_{\mathrm{in}}\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(23\right)$

式(23)中，a、b代表节能率计算的始末时间，分别取值为0、365；f_in(x)为全年室内温度曲线方程；可通过式(21)来计算；最终建筑能耗可表达为式(24)：

$S^{\&prime;}=\frac{b-a}{l}\underset{D=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_{D,\mathrm{in}}=\underset{D=1}{\overset{365}{\mathrm{\&Sigma;}}}|{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{in}}-t_{\mathrm{comf}}|=\underset{D=1}{\overset{365}{\mathrm{\&Sigma;}}}|{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{in}}-22|---\left(24\right)$

式(24)中，y_D,in为第D日室内日平均自然室温与全年舒适温度的差值，℃；t_D,in为第D日室内日平均自然室温，℃；t_comf为全年平均舒适温度，℃，本发明取22℃；

步骤五，利用步骤三计算得到的基准能耗和步骤四计算得到的建筑能耗，按照式(25)计算建筑调节能耗ΔS：

$\mathrm{\&Delta;S}=S-S^{\&prime;}=\underset{D=1}{\overset{365}{\mathrm{\&Sigma;}}}|{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{out}}-22|-\underset{D=1}{\overset{365}{\mathrm{\&Sigma;}}}|{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{in}}-22|---\left(25\right)$

步骤六，根据本发明提出的建筑节能率计算原理，按式(26)计算建筑节能率J：

$J=\frac{\mathrm{\&Delta;S}}{S}\&times;100\%=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^{365}|{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{out}}-22|-{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^{365}|{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{in}}-22|}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^{365}|{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{out}}-22|}\&times;100\%---\left(26\right)$

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，其余参数设置与J计算时必须保持一致，建立标准模型(即上述的计算过程采用的均为从设计图纸、手册中获取的设计参数，计算过程中是计算一个“虚拟”的建筑模型的节能率；而标准模型是以该设计参数建立的实际模型，在实际模型中测量的实际参数来计算实际模型的节能率)，按照步骤一至步骤六相同的方法计算标准模型对应的本发明提出的新的建筑节能率J₀；即J的计算模型是根据建筑设计依据的节能设计标准中规定的各设计参数限值建立的，J₀的计算模型是按照实际建筑的设计图和具体参数建立的。

步骤八，比较步骤七得到的J₀和步骤六得到的J，如果J>J₀，则判定该建筑设计符合现行节能设计标准的要求；如果J<J₀，那么建筑师可在基本不改变设计初衷的前提下，通过改变建筑与围护结构热工设计的某个(或某些)设计参数，通过步骤二至步骤六循环计算，直至J>J₀，也即该建筑物设计符合现行节能设计标准的要求。

实施例：

下面以一栋虚拟建筑物按照本发明方法的计算过程为例进行说明。

示例建筑定义为单层居住建筑，位于西安地区，按照国家现行标准《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26-2010进行节能设计，建筑围护结构各项参数均取该标准要求的限值。该模型为简化模型，仅设置与室外气候接触的***护结构，建筑内无隔墙和其他构造。表1和表2是计算时标准模型基本参数及计算参数取值表，建筑平面及具体尺寸如图4所示，外墙及屋面具体构造如图5和图6所示，图5和图6中，1为聚合物砂浆，20mm；2为粘土实心砖，240mm；3为水泥砂浆，20mm；4为EPS板，85mm；5为水泥砂浆，20mm；6为钢筋混凝土，100mm；7为锅炉渣，60mm；8为膨胀聚苯板，90mm；9为陶粒，150mm；10为C15砼，30mm；11为防水层，10mm。

表1标准模型围护结构基本参数取值表

表2标准模型节能率计算参数取值表

按照表1和表2中各项参数取值，利用上述方法计算室内日逐时自然室温，进而可得到日平均自然室温。为得到建筑物本身的节能性能，计算时进行室内无热源设置，且呈全年自然运行状态。将全年的日平均室外空气温度和日平均室内空气温度分别生成全年室外温度曲线f_out(x)和全年室内温度曲线f_in(x)，见图5；利用式(22)和式(24)分别计算两曲线与全年平均舒适温度线(f_comf(x)＝22℃)围合的面积S和S′，即为基准能耗和建筑能耗。通过计算，S和S′分别为3725.96、3136.71，由式(25)可计算得出建筑调节能耗ΔS为589.25，最终按照式(26)可计算得到标准模型建筑节能率J₀为15.8％。

上述计算过程是根据建筑物的设计图纸和各项设计参数按照本发明方法计算出来的标准模型建筑节能率J₀，而按照该建筑物设计图纸建造的实际建筑物，按照其各项实际测量参数，利用上述方法，同样可计算出实际建筑物的的节能率J，比较J和J₀，如果J>J₀，则判定该建筑物设计符合现行节能设计标准的要求；如果J<J₀，那么建筑师可在基本不改变设计初衷的前提下，通过改变表1或表2中涉及到的建筑设计参数，重新进行计算，计算流程见图8，最终当J>J₀，那么可判断该建筑物设计符合现行节能设计标准的要求，同时也保持了建筑师原本的设计风格。

为使本发明计算过程简单明了并说明具体操作方法，本实施例构建了一栋简化建筑，仅包含单一空间。当对实际建筑按照本发明进行节能率的计算时，可按照实际建筑设计图建立计算模型，并根据实际建筑的类别、功能以及所依据的节能设计标准进行相关的参数设置，并根据上述计算所需参数和计算过程，编写自然室温计算程序，在获取室外每日逐时温度和所有计算参数的基础上，利用该程序可计算出室内每日逐时自然温度，按照上述式(22)、式(24)、式(25)和式(26)，可最终得出节能率。需要说明的是，计算得到的全年室内空气温度日平均值应为各分隔空间温度的平均值。

可以说，这种新的节能率计算方法是一种全新的尝试，但是这种方法作为一种工具，考虑了最主要的影响因素(空气温度)，计算步骤明确，涉及建筑围护结构设计参数全面，非常适合建筑设计的初期决策。这种方法适用于所有地区不同类型建筑节能率的计算，能够用统一的标准简单、准确地评判建筑物自身的节能性能，并能够帮助建筑师比较不同设计方案，修改或优化原有设计方案，鼓励建筑师充分发挥自己的设计才能，创造出更多风格独特且具有良好节能性能的建筑，更好地传承我国地域建筑文化。

Claims (2)

1.一种建筑物节能率计算方法，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，获取建筑物日平均自然室温，具体步骤包括：

将建筑物***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；

建立室内空气温度节点热平衡模型：

$\begin{array}{c}{\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{in}}V\frac{{\mathrm{dt}}_{D,i,\mathrm{in}}}{\mathrm{d\&tau;}}=k_{w,\mathrm{in}}{F}_w(t_{w,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+k_{r,\mathrm{in}}{F}_r(t_{r,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+\\ (t_{D,i,\mathrm{out}}-t_{D,i,\mathrm{in}})({\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{out}}\mathrm{VN}/3600+F_C\&CenterDot;k_C)+Q_C\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中，C为空气的比热，ρ_in为室内空气的密度，V为房间体积，t_D,i,in、t_D,i,out分别为第D日第i时刻室内、室外空气温度，τ为时间，k_w,in、k_r,in分别为室内空气与第1层外墙、屋面间的传热系数，F_w、F_w分别为外墙、屋面的面积，t_w,1、t_r,1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，ρ_out为室外空气的密度，N为换气次数，F_C为外窗面积，k_C为窗的传热系数，Q_C为由窗日射得热量引起的室内逐时冷负荷；

求解式(1)，得到建筑物第D日第i时刻室内温度t_D,i,in，继而得到建筑物全年室内平均温度

步骤三，根据步骤一得到的全年每日平均室外空气温度生成全年室外温度曲线f_out(x)，在温度曲线的坐标轴中，x轴为时间，y轴为温度；计算温度曲线f_out(x)与全年平均舒适温度线围合的面积S；

步骤四，根据步骤二得到的全年室内日平均自然室温生成全年室内温度曲线f_in(x)，计算f_in(x)与全年舒适温度线围合的面积S′；

步骤五，计算建筑调节能耗：ΔS＝S-S′；

步骤六，计算建筑节能率J：

$J=\frac{\mathrm{\&Delta;S}}{S}\&times;100\%$

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，建立实际标准模型，按照步骤一至步骤六相同的方法计算标准模型对应的建筑节能率J₀；

步骤八，比较步骤七得到的J₀和步骤六得到的J，如果J>J₀，则判定该建筑设计符合现行节能设计标准的要求；如果J<J₀，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>J₀。

2.如权利要求1所述的所述的建筑物节能率计算方法，其特征在于，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，…，n)层温度节点的热平衡方程为：

屋面第y(y＝1，2，…，m)层温度节点的热平衡方程为：

式(2)至式(7)中：C_w,x和C_r,y为外墙和屋面每层材料的比热，δ_w,x、δ_r,y分别为外墙、屋面每层材料的厚度，ρ_w,x、ρ_r,y分别为外墙、屋面每层材料的密度，t_w,x、t_r,y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，k_w,x、k_r,y分别为第x层和第x+1层外墙、第y层和第y+1层屋面间的传热系数，k_w,out、k_r,out分别为外墙第n层、屋面第m层和室外空气间的传热系数，t_sa为室外空气综合温度；

其中：

$k_{w,\mathrm{in}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_1}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,1}}{{2\mathrm{\&lambda;}}_{w,1}}}---\left(8\right)$

$k_{w,x}=\frac{1}{\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,x}}{{2\mathrm{\&lambda;}}_{w,x}}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,x+1}}{{2\mathrm{\&lambda;}}_{w,x+1}}}---\left(9\right)$

$k_{w,\mathrm{out}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,n}}{{2\mathrm{\&lambda;}}_{w,n}}}---\left(10\right)$

式(8)至式(10)中，α₁为室内空气与第1层外墙间的对流换热系数，δ_w,1为第1层外墙材料的厚度，λ_w,1为第1层外墙材料的导热系数，α₂为第n层外墙和室外空气间的对流换热系数；

将式(8)、式(9)和式(10)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k_r,in、k_r,y和k_r,out；

式(4)中的t_sa为：

$t_{\mathrm{sa}}=t_{D,i,\mathrm{out}}+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{s}I}{{\mathrm{\&alpha;}}_3}---\left(11\right)$

式(11)中，ρ_s为太阳辐射吸收系数；α₃为外表面对流换热系数；

式(1)中的Q_C为：

Q_C＝F_C·X_g·X_d·J_wτ  (12)

式(12)中，X_g为窗的构造修正系数；X_d为地点修正系数；J_wτ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(2)至式(12)求解式(1)，可得到建筑物第D日i时刻自然室温t_D,i,in；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