居住建筑节能设计与审查软件的研究

1、居住建筑节能设计与审查软件的研究摘 要 建立了适合于建筑师和节能建筑审查人员使用的建筑能耗计算方法，并以深圳市为例研究了如何应用该建筑能耗计算方法开发居住建筑的节能设计与审查软件，同时简要介绍了深圳市居住建筑节能设计与审查软件shenenergy的基本构成和界面。关键词 建筑节能设计 建筑节能审查 能耗计算 软件research of energy efficiency design and examination software for resident buildingsabstract establishes the buildings energy consumption calcu

2、lation method for architect and buildings energy efficiency examination officials. for shenzhen as example, researches how to use the method to develop resident buildings energy efficiency design and examination software. briefly introduces the resident buildings energy efficiency design and examina

3、tion software of shenzhen shenenergy.keywords buildings energy efficiency design, buildings energy efficiency examination, energy consumption calculation, software0 引言国际建筑节能的经验表明，贯彻执行建筑节能标准是取得建筑节能的有效途径。我国在中华人民共和国节约能源法中有关于建筑节能的法律条文，并相应制订了一批技术法规和标准规范。尽管我国已经有了初步的建筑节能法规标准的框架体系，但“执法”却十分无力。由于缺乏配套的节能评价体系，因

4、此对建筑设计和产品的节能评审往往流于形式，也无法正确地评估建筑节能的目标是否实现。所以，我国需要对节能建筑的设计和评审体系进行研究，发挥设计先导作用，严把设计审核关。国外在进行节能建筑的设计和审查建筑是否满足节能标准的要求时，一般是采用软件工具进行。目前，国外已经研究和开发出了大量的通用型建筑能耗模拟软件和适用各建筑节能标准的设计软件，但大部分这些软件都有一个缺点复杂。操作人员不仅要懂一定的专业知识，还要经过培训后才能掌握其使用方法。此外，由于这些软件都要求详细的建筑描述输入，在建筑设计的初期不能对设计进行评价，也抑制了软件的广泛使用。而对于一些使用了简化算法的软件，尽管其使用方便，却不能保证

5、结果的可信度。而且，对这些简化软件，建筑师不能立即得到模拟结论，需要专业人员对模拟结果进行分析解释。因此，我国需要研究适用于各节能标准的操作简单又值得信赖的设计与审查软件。本文正是基于这种需要，研究适合于建筑师和节能建筑审查人员使用的建筑能耗计算方法以及如何应用该方法开发居住建筑的节能与设计与审查软件。笔者以我国夏热冬暖地区的典型代表城市深圳市为例，开发出了应用深圳市居住建筑节能设计标准的设计和审查软件。1 软件的设计思想居住建筑节能设计与审查软件的设计思想为：1) 输入简单，不需要经过专门的训练就能掌握。这样就可以解决专业的建筑能耗模拟软件输入量大且烦琐、容易出错的缺点。2) 输出结果明确易

6、懂，并对计算结果进行分析，指出节能的方向。3) 软件在建筑设计的初期就能使用，能够指导节能建筑的设计。建筑师在建筑设计的初期有了建筑的大致轮廓就可以采用该软件计算建筑能耗并进行建筑的节能评价，然后根据软件的评价和计算分析结果随时修改设计。4) 是应用各地居住建筑节能设计标准的设计和审查软件。软件的建筑能耗计算基本条件以及节能比较的指标都应以各地居住建筑节能设计标准为依据。5) 用户界面更友好，建立可视化的界面系统。本软件的开发目的，就是为我国的建筑设计、管理和检测部门提供一个辅助工具，以便对新建居住建筑物是否达到节能标准进行评估，从而实现我国在建筑节能工作上规范化的统一管理，深入贯彻各地的居住

7、建筑节能设计标准，促进我国建筑节能的发展。2 软件采用的建筑能耗计算方法的原理在手工进行负荷计算中，某一时刻的室内总负荷（建筑物负荷）是各部分负荷之和，即： （式1）其中：各部分外围护结构的单位面积负荷，w/m2； 各部分外围护结构的面积，m2；居住建筑节能设计与审查软件计算建筑物的负荷时也是基于这个原理，事先根据各地居住建筑节能设计标准中规定的计算条件，计算出一些典型外围护结构的基础能耗指标，然后根据这些典型基础能耗指标分析回归出普遍的外围护结构的基础能耗指标计算公式。实际计算建筑能耗时，从事先得到的基础能耗指标计算公式中选择相应的公式，计算出各个外围护结构的基础能耗指标，然后按照（式1）进

8、行简单的乘法和加法运算即可得到整个建筑的能耗。 而建筑的空调和采暖设备的计算负荷是由建筑物的计算负荷，新风计算负荷以及内热源负荷和供冷供热装置等的附加负荷组成。其中内热源负荷和设备附加负荷根据居住建筑节能标准中的规定直接取值，新风负荷由居住建筑节能设计标准中规定的换气次数求得，因此居住建筑的空调和采暖设备能耗计算的重点是计算建筑物的负荷，即建筑外围护结构的负荷。可见，建立居住建筑节能设计与审查软件采用的建筑能耗计算方法的重点是建立建筑外围护结构的基础能耗指标计算公式。由于我国各地的居住建筑节能设计标准中的能耗指标基本上都是采用美国劳伦斯伯克力国家实验室开发的doe-2软件作为计算工具而得到的，

9、故本方法中的基础能耗指标也是采用doe-2软件进行模拟得到。这里的基础能耗指标由四个参数组成：空调年耗冷量、空调年耗电量、采暖年耗热量、采暖年耗电量。空调年耗冷量和空调年耗电量是指按照各地居住建筑节能设计标准中规定的夏季室内热环境设计指标和计算条件，计算出的全年单位外围护结构面积需要由空调设备提供的冷量和空调设备所要消耗的电能，单位kwh/m2。采暖年耗热量和采暖年耗电量是指按照各地居住建筑节能设计标准中规定的冬季室内热环境设计指标和计算条件，计算出的全年单位外围护结构面积需要由采暖设备提供的热量和采暖设备所要消耗的电能，单位kwh/m2。选取这四项指标的原因是：建筑节能标准中规定的建筑能耗控

10、制指标是这四项，因此采用这四项指标得到的建筑能耗计算结果可以直接与标准中的控制指标进行比较，建筑师和节能建筑审查人员可直接得出所设计或所审查的建筑是否满足节能标准，结论清晰明了。 3 深圳市居住建筑节能设计与审查软件笔者以深圳市为例，根据深圳市居住建筑节能设计标准中规定的计算条件，回归出了各种外围护结构的基础能耗指标计算公式，并在此基础上开发出了深圳市居住建筑节能设计与审查软件shenenergy。3.1 深圳市居住建筑的空调能耗组成深圳市居住建筑节能设计标准主要是控制夏季室内热环境，并以此为出发点进行建筑的节能控制，因此对深圳市居住建筑的能耗计算只取空调年耗冷量和空调年耗电量这两项指标。由于

11、深圳市居住建筑节能设计标准规定不计室内热源的散热，即q内0，而且不考虑制冷设备的附加冷负荷，因此深圳市居住建筑的空调能耗就由四部分组成：屋顶空调能耗、外墙空调能耗、外窗空调能耗和新风空调能耗。3.2 深圳市居住建筑的空调能耗计算方法由前面的分析可知，深圳市居住建筑的空调能耗计算是分别计算屋顶、外墙、外窗和新风的空调能耗，然后求这四项的和，即可得到建筑的空调能耗。而屋顶、外墙和外窗的空调能耗计算是先由相应的基础能耗指标计算公式计算出基础能耗指标，然后乘以各自的面积得到。因此，采用本方法计算建筑空调能耗的前提是建立深圳市气候条件下屋顶、外墙和外窗的基础能耗指标计算公式。建立外围护结构的基础能耗指标

12、计算公式，首先是确立一个标准模型，同时选取屋顶、外墙和外窗的一些典型构造，然后用doe-2程序计算出该模型在典型外围护结构构造下的基础能耗指标，最后对这些典型基础能耗指标进行分析回归，就可以得到外围护结构的基础能耗指标计算公式。在建立基础能耗指标计算公式时，对于屋顶，除考虑它的构造对能耗的影响外，还应考虑屋顶的建筑类型，如有遮阳的屋顶、平屋顶以及坡屋顶等；对于外墙和外窗，要考虑构造、朝向、建筑遮阳类型等对其能耗的影响。笔者通过分析建筑外围护结构的这些能耗影响因素，用doe-2模拟出了29组典型屋顶的基础能耗指标、20352组典型外墙的基础能耗指标、57888组典型外窗的基础能耗指标（1组基础能

13、耗指标包括1个空调年耗冷量指标和1个空调年耗电量指标），然后由这些基础能耗指标分析回归出了1组屋顶的基础能耗指标计算方程、424组外墙的基础能耗指标计算方程、6432组外窗的基础能耗指标计算方程。由于深圳市居住建筑节能设计标准中规定在计算建筑节能综合指标时卫生换气取1.5次/h，因而本方法中新风空调能耗的计算也是按每小时1.5次换气进行计算的。同时由于本方法是对深圳市居住建筑计算全年的空调负荷，因此新风负荷的计算也是对全年进行的。与前面几项的能耗计算方法一样，本方法中新风空调能耗的计算也是由基础能耗指标经过简单的乘法运算来得到的，即先对标准模型用doe-2模拟出深圳市单位体积居住建筑全年所需的

14、新风空调能耗（基础能耗指标），实际计算时由这个基础能耗指标乘以建筑的体积就可得到该建筑全年所需的新风空调能耗。以上的计算没有考虑地面以及内隔墙的温差传热引起的空调能耗，因此需要对计算结果进行修正。笔者对几栋深圳市实际居住建筑分别采用doe-2和本论文的方法计算建筑的能耗值后发现：采用本论文的方法计算的建筑能耗值比doe-2模拟的建筑能耗值小4%左右。可见，与模拟值的这部分差值就是没有计算进去的地面以及内隔墙等引起的空调能耗值。综合考虑，本方法对最后的建筑能耗计算结果进行增大5%的修正，即先采用以上介绍的方法分别计算屋顶空调能耗、外墙空调能耗、外窗空调能耗和新风空调能耗，然后将四项的能耗值加和求

15、出总的能耗值，最后对这个总能耗值乘以1.05的修正系数，得到最终的建筑空调能耗值。3.3 软件的流程框图应用该软件进行建筑能耗的计算，用户只需要预先做以下准备工作：（1）取得建筑的建筑面积、建筑体积。（2）分析建筑的屋顶、外墙和外窗的建筑特征并进行归类，同时确定每一类型屋顶、外墙和外窗的朝向、面积、构造和建筑遮阳参数。图1为深圳市居住建筑节能设计与审查软件shenenergy的流程框图。3.4 软件的界面深圳市居住建筑节能设计与审查软件(shenenergy)采用面向对象的编程语言visual basic6.0编写。程序启动后，首先进入用户视野的是程序的启动界面，如图2所示。用户用鼠标点击画面

16、中的任一点，就可以进入程序的主界面，如图3所示。由图3可见，shenenergy软件的主界面由标题栏、菜单栏、工具栏、计算主窗口和状态栏组成。计算主窗口主要是用来控制建筑各部分的能耗计算和显示建筑各部分的能耗计算结果，它包括7部分内容：软件用途、建筑描述、屋顶能耗计算、新风能耗计算、外墙能耗计算、外窗能耗计算和结论。软件用途主要是用来确定shenenergy软件的使用目的，其中节能审查用于深圳市居住建筑的节能审查，而建筑设计用于建筑师的节能建筑设计。选择这两项对建筑的能耗计算结果不会有任何影响，只是在输出结论上会有一些不同。建筑描述是用来输入建筑的基本信息，包括：建筑名称、建筑地点、建筑面积、

17、建筑体积、外墙传热系数。外墙传热系数可以由用户直接输入，也可以选择程序中现有的外墙构造。屋顶能耗计算、各朝向的外墙能耗计算和各朝向的外窗能耗计算都是由一些子界面来完成的，计算完成后程序将计算结果输出到主界面计算主窗口的相应位置。图1 深圳市居住建筑节能设计与审查软件流程图图2 shenenergy软件启动界面图3 shenenergy软件主界面点击程序主界面计算主窗口中屋顶能耗计算框内的【计算屋顶能耗】按钮，就会弹出如图4所示的屋顶能耗计算子界面，shenenergy允许每栋建筑输入不超过5种构造类型的屋顶。屋顶能耗计算子界面中的屋顶构造以及和它对应的屋顶传热系数、单位面积耗冷量和单位面积耗电

18、量这四项可以由用户输入，也可以通过图5所示的查看/添加屋顶构造子界面输入程序中已有的屋顶构造，还可以通过图6所示的添加屋顶构造子界面输入用户自定义的屋顶构造，其中单位面积耗冷量和单位面积耗电量这两项指标可以由程序进行计算。图4 屋顶能耗计算子界面图5 查看/添加屋顶构造子界面图6 添加屋顶构造子界面软件主界面上计算主窗口的外墙能耗计算框内有8个命令按钮，分别是【北向】、【东北向】、【东向】、【东南向】、【南向】、【西南向】、【西向】、【西北向】，他们用来计算每个朝向的外墙空调能耗。当点击【北向】按钮时会弹出如图7所示的北向外墙能耗计算子界面，点击其它7个命令按钮也会弹出与图7类似的子界面。图7

19、 北向外墙能耗计算子界面shenenergy软件允许每个朝向的外墙类型最多不超过10种。外墙的遮阳类型分无建筑遮阳和有建筑遮阳两大类，对于有建筑遮阳的外墙，笔者归纳了三种外墙建筑遮阳类型：型建筑遮阳、型建筑遮阳和型建筑遮阳，这三种外墙建筑遮阳都需要输入遮阳参数才能计算外墙能耗。因此，当选择图7中外墙遮阳类型下拉列表中的“型建筑遮阳”、“型建筑遮阳”和“型建筑遮阳”后会分别弹出三个建筑遮阳参数输入子界面，图8为外墙型建筑遮阳参数输入子界面，其它两个外墙建筑遮阳参数输入子界面与图8类似。图8 外墙型建筑遮阳参数输入子界面各朝向外窗的能耗计算子界面及其参数输入子界面与外墙类似，在此不赘述。点击软件主

20、界面上计算主窗口中新风能耗计算框内的计算新风能耗按钮后，程序会直接计算并输出所输入建筑的新风空调能耗。软件主界面上计算主窗口中的结论框用来显示计算结果和结论，当执行完所有的输入和计算后，再执行【查看】菜单下的【结论】子菜单，就可以在该结论框中显示出建筑的空调能耗计算指标和是否满足深圳市居住建筑节能设计标准的结论。shenenergy软件除了在程序主界面上的结论窗口显示最终的计算结果并给出建筑是否满足深圳市居住建筑节能设计标准的判断结论外，还对计算结果进行了详细的分析统计和图形解析，帮助建筑师判断应该在建筑的哪部分对建筑外形进行改进或者采取更进一步的节能措施。这个统计分析界面可以通过点击【查看】菜单下的【结果与分析】子菜单来弹出。shenenergy1.0程序的详细计算结果与分析共有6页，图9所示的是第1页的计算结果与分析界面（界面中的结果是笔者为了演示计算结果与分析界面而随意输入的一个建筑的计算结果，不是实际建筑）。shenenergy 软件除了上述介绍的一些输入计算界面外，还有其它一些辅助界面，如【页面设