CN104680001A - 基于人体热适应模型的建筑节能率计算方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

基于人体热适应模型的建筑节能率计算方法

技术领域

本发明涉及建筑节能领域，具体涉及一种基于人体热适应模型的建筑节能率计算方法。

背景技术

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。

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△S1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△S2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△S1减去△S2的差值除以△S1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

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。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于人体热适应的建筑节能率计算方法，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，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：

$\begin{array}{c}C{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{in}}V\frac{{\mathrm{dt}}_{D,i,\mathrm{in}}}{\mathrm{d\τ}}=k_{w,\mathrm{in}}{F}_w(t_{w,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+k_{r,\mathrm{in}}{F}_r(t_{r,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+\\ (t_{D,i,\mathrm{out}}-t_{D,i,\mathrm{in}})({\mathrm{C\ρ}}_{\mathrm{out}}\mathrm{VN}/3600+F_C\·k_C)+Q_C\end{array}---\left(2\right)$

式(2)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(2)，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生成全年室内温度曲线f_in(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f_n(x)：

T_n＝at₀+b    (21)

式(21)中，T_n为热中性温度，t₀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_out(x)，计算室外温度曲线与热中性温度曲线围合的面积ΔS1；

步骤五，计算室内温度曲线f_in(x)与热中性温度曲线f_n(x)的围合面积ΔS2；

步骤六，计算基于人体热适应模型的建筑节能率：

$j=\frac{\mathrm{\ΔS}1-\mathrm{\ΔS}2}{\mathrm{\ΔS}1}\×100\%---\left(24\right)$

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，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(3)至式(8)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：

$k_{w,\mathrm{in}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_1}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,1}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,1}}}---\left(9\right)$

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

$k_{w,\mathrm{out}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,n}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,n}}}---\left(11\right)$

式(9)至式(11)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(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k_r,in、k_r,y和k_r,out；

式(5)中的tsa为：

$t_{\mathrm{sa}}=t_{D,i,\mathrm{out}}+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{s}I}{{\mathrm{\&alpha;}}_3}---\left(12\right)$

式(12)中，ρ_s为太阳辐射吸收系数；α₃为外表面对流换热系数；

式(2)中的Q_C为：

Q_C＝F_C·X_g·X_d·J_wτ     (13)

式(13)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(3)至式(13)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(3)至式(13)求解式(2)，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.克服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，而基于人体热适应模型的建筑节能计算所涉及的室内舒适温度区域较宽，并符合实际热感觉，使建筑设计更好地提高建筑节能率；该建筑节能计算方法不同于现行节能计算，它用空气温度参数来衡量建筑物自身的能耗水平，通过计算室内外温度曲线与人体热中性温度曲线围合的面积来反映能耗大小，评价客观、简单；

2.该计算方法能够很好的评价建筑设计对建筑节能的贡献率，适用于建筑师在建筑方案设计阶段的节能评价，克服现有节能计算无法清晰区分一座建筑的节能性能有多少是由建筑设计贡献的，因此该方法有利于建筑师发挥建筑设计来实现较高节能率；

3.克服了现有建筑节能计算中的基准建筑能耗局限，而基于人体热适应模型的建筑节能计算克服了这个局限，它只与建筑所处的气候和人体热中性温度有关；

4.克服了现有建筑节能计算针对不同气候区，不同建筑类型，缺乏统一性，而基于人体热适应模型的建筑节能计算适用于任何气候区和所有类型的建筑；

5.该方法适用所有气候区不同类型的建筑节能计算，具有科学性、公正性和广泛的适用性；该方法操作简单，普通的建筑设计人员即可操作，结果直观明了。

附图说明

图1为本发明中节能率计算的原理图；

图2为外墙温度节点示意图；

图3为屋面温度节点示意图；

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为本发明具体实施例建筑节能率计算数据图；

图8为本发明方法流程图。

图中各标号的含义为：

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

建筑产生的本源是为人类提供舒适的居住环境，随着人类社会可持续发展的需要以及节能建筑的深入人心，如何在节能的前提下，创造舒适、健康的室内热环境已成为建筑师关注的问题。目前，获得舒适的室内热环境有两个途径。一个是以人体换热平衡为基础，基于人工气候实验结果的PMV模型，它为人类社会创造舒适人工环境提供了科学依据，但这个模型规定了一个较为狭窄的舒适区，限制了人体被动式调节的自由能力。另一个是基于实地调查研究的热适应模型，其数学表达式为T_n＝at₀+b，它表征人体的热中性温度是与建筑所在的地域气候有关，并认为热舒适是人体自我调节系统的一部分。热适应模型考虑了人的行为、生理、心理调节，从而使热舒适成为一个动态系统过程。并且，大量的热舒适现场研究表明，人体在室内热环境的实测热感觉与PMV预测结果存在明显差异，由实测回归模型得到的人体热中性温度低于PMV模型预测结果，它更符合人体实际热感觉。

本发明涉及的主要概念术语如下：

室外温度曲线：根据建筑物所在地区的典型气象年室外空气温度数据绘制而成的曲线，称之为“室外温度曲线”，其方程可表达为f_out(x)。

室内温度曲线：通过建筑物围护结构分层，通过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。

热中性温度曲线：根据热适应模型计算求出，公式如下：

T_n＝at₀+b     (1)

式中：T_n为热中性温度；

t₀为全年室外空气温度；

a,b为系数，可查阅民用建筑室内热湿环境评价标准(GB/T50785-2012)

根据热中性温度数据绘制而成的曲线，称之为“热中性温度曲线”，其方程可表达为f_n(x)。

基准能耗:将室外温度调节至人体舒适的热中性温度所需能耗。可用室外温度曲线与热中性温度曲线围合的面积ΔS1表示。

建筑能耗:将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。可用室内温度曲线与热中性温度曲线围合的面积ΔS2表示。

基于人体热适应模型的建筑节能率(j)：通过室外温度曲线与热中性温度曲线围合的面积ΔS1减去室内温度曲线与热中性温度曲线围和的面积ΔS2的差值除以ΔS1求得。即 $j=\frac{\mathrm{\&Delta;S}1-\mathrm{\&Delta;S}2}{\mathrm{\&Delta;S}1}\&times;100\%$

基准模型

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。

一种基于人体热适应模型的建筑节能率计算方法，如图8所示，包括以下步骤：

步骤一，获取建筑物拟建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，计算建筑物的日平均自然室温，包括以下步骤：

步骤S20，将建筑物外围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)，如图2、图3所示；

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；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，把建筑外围护结构的壁体按照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：

$\begin{array}{c}C{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{in}}V\frac{{\mathrm{dt}}_{D,i,\mathrm{in}}}{\mathrm{d\&tau;}}=k_{w,\mathrm{in}}{F}_w(t_{w,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+k_{r,\mathrm{in}}{F}_r(t_{r,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+\\ (t_{D,i,\mathrm{out}}-t_{D,i,\mathrm{in}})({\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{out}}\mathrm{VN}/3600+F_C\&CenterDot;k_C)+Q_C\end{array}---\left(2\right)$

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(2)至式(8)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(2)～式(8)中涉及的参数的计算如下：

$k_{w,\mathrm{in}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_1}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,1}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,1}}}---\left(9\right)$

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

$k_{w,\mathrm{out}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,n}}{2{\mathrm{\&lambda;}}_{w,n}}}---\left(11\right)$

式(9)～(11)中，α₁为室内空气与第1层外墙或屋面间的对流换热系数，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(5)中的t_sa为：

$t_{\mathrm{sa}}=t_{D,i,\mathrm{out}}+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{s}I}{{\mathrm{\&alpha;}}_3}---\left(12\right)$

式(12)中，ρ_s为太阳辐射吸收系数，按《实用供热空调设计手册》中的常用围护结构表面太阳辐射吸收系数值选用；I为水平或垂直面上太阳辐射照度，W/m²，按《实用供热空调设计手册》中的我国部分主要城市夏季太阳辐射照度值选用；α₃为外表面对流换热系数，取19.0W/(m²·K)。

Q_C＝F_C·X_g·X_d·J_wτ     (13)

式(13)中，X_g为窗的构造修正系数，按《实用供热空调设计手册》中的玻璃窗的构造修正系数值选用；X_d为地点修正系数，按《实用供热空调设计手册》中的玻璃窗太阳辐射冷负荷强度的地点修正系数值选用；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，按《实用供热空调设计手册》中的各地透过标准窗玻璃太阳辐射的冷负荷强度值选用，W/m²。

步骤S24，求解式(2)～式(8)，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(2)～式(8)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：

$\begin{array}{c}{t}_{D,i\_\mathrm{in}}^{z+1}=\\ \frac{{\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{in}}{\mathrm{Vt}}_{D,i,\mathrm{in}}^z/3600+k_{w,\mathrm{in}}{F}_w{t}_{w,1}^z+k_{r,\mathrm{in}}{F}_r{t}_{r,1}^z+t_{D,i,\mathrm{out}}^z({\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{out}}\mathrm{VN}/3600+F_C\&CenterDot;k_C)+Q_C^z}{{\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{in}}V/3600+k_{w,\mathrm{in}}{F}_w+k_{r,\mathrm{in}}{F}_r+{\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{out}}\mathrm{VN}/3600+F_C\&CenterDot;k_C}\end{array}---\left(14\right)$

对于墙体，

对于屋面，

通过对式(14)～(20)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f_in(x)。

步骤三，根据式(1)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f_n(x)，即以每个时刻对应的室外温度可计算出一个热中性温度值，将这些热中性温度值按照时间顺序连接起来即得到热中性温度曲线：

T_n＝at₀+b     (21)

式(21)中，Tn为热中性温度，t₀为建筑物所在地的室外温度，a,b为系数，可查阅民用建筑室内热湿环境评价标准(GB/T50785-2012)；

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_out(x)，计算室外温度曲线与热中性温度曲线围合的面积ΔS1，即基准能耗；

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;S}1={\&Integral;}_a^b{f}_{\mathrm{out}}\left(x\right)\mathrm{dx}-{\&Integral;}_a^b{f}_n\left(x\right)\mathrm{dx}={\&Integral;}_a^b[f_{\mathrm{out}}\left(x\right)-f_n\left(x\right)]\mathrm{dx}\\ \&ap;{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^n({\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{out}}-t_n)\mathrm{\&Delta;x}=\frac{b-a}{n}{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^n{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{out}}-t_n\end{array}---\left(22\right)$

式(22)中：f_out(x)为全年室外温度曲线方程；f_n(x)为全年热中性温度曲线方程；为典型气象年室外日平均空气温度数据，℃；t_n为热中性温度数据，℃；a为能耗计算起始天数，d，本发明取第1d；b为能耗计算结束天数，d，本发明取第365d；n为常数，表示能耗计算天数，d，本发明取365d。

步骤五，计算室内温度曲线f_in(x)与热中性温度曲线f_n(x)的围合面积ΔS2，即建筑能耗：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;S}2={\&Integral;}_a^b{f}_{\mathrm{in}}\left(x\right)\mathrm{dx}-{\&Integral;}_a^b{f}_n\left(x\right)\mathrm{dx}={\&Integral;}_a^b[f_{\mathrm{in}}\left(x\right)-f_n\left(x\right)]\mathrm{dx}\\ \&ap;{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^n({\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{in}}-t_n)\mathrm{\&Delta;x}=\frac{b-a}{n}{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^n{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{in}}-t_n\end{array}---\left(23\right)$

式(23)中：f_in(x)为全年室内温度曲线方程；f_n(x)为热中性温度曲线方程；为全年室内日平均空气温度数据，℃；t_n为热中性温度数据，℃；a、b含义与上式相同。

步骤六，计算基于人体热适应模型的建筑节能率：

$j=\frac{\mathrm{\&Delta;S}1-\mathrm{\&Delta;S}2}{\mathrm{\&Delta;S}1}\&times;100\%---\left(24\right)$

式(24)中：ΔS1为基准能耗；ΔS2为建筑能耗。

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，建立基准模型(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；而基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)，按照步骤一至步骤六相同的方法计算基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。

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：

下面以一栋建虚拟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。该模型为简化模型，仅设置与室外气候接触的外围护结构，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。

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，利用步骤一和步骤二计算出室内日逐时自然室温，进而可得到日平均自然室温，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7；根据步骤三计算热适应模型T_n＝at₀+b计算求出热中性温度，生成热中性温度曲线f_n(x)，见图7。

然后，根据步骤四和步骤五分别计算基准能耗△S1和建筑能耗△S2，计算结果如下：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;S}1={\&Integral;}_a^b{f}_{\mathrm{out}}\left(x\right)\mathrm{dx}-{\&Integral;}_a^b{f}_n\left(x\right)\mathrm{dx}={\&Integral;}_a^b[f_{\mathrm{out}}\left(x\right)-f_n\left(x\right)]\mathrm{dx}\\ \&ap;{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^n({\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{out}}-t_n)\mathrm{\&Delta;x}=\frac{b-a}{n}{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^n{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{out}}-t_n\\ =19.6+23.0+...+17.1=3676.2\end{array}$

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;S}2={\&Integral;}_a^b{f}_{\mathrm{in}}\left(x\right)\mathrm{dx}-{\&Integral;}_a^b{f}_n\left(x\right)\mathrm{dx}={\&Integral;}_a^b[f_{\mathrm{in}}\left(x\right)-f_n\left(x\right)]\mathrm{dx}\\ \&ap;{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^n({\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{in}}-t_n)\mathrm{\&Delta;x}=\frac{b-a}{n}{\mathrm{\&Sigma;}}_{D=1}^n{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{D,\mathrm{in}}-t_n\\ =10.1+14.0+...15.6=2961.0\end{array}$

最后根据步骤六计算基于人体热适应模型的建筑节能率j为19.46％。

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建筑物(基准模型)，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j₀>j,说明该建筑物设计符合现行节能设计标准的要求；如果j₀＜j，建筑设计人员可通过改变表1或表2中涉及到的建筑设计参数，重复步骤一至步骤六，直到满足j₀>j为止，使建筑的节能率满足要求。

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，以方便计算过程。

基于人体热适应模型的节能率计算方法从人体热舒适的角度评价建筑物的能耗水平。它用空气温度参数来衡量建筑物自身的能耗水平，通过计算室内外温度曲线与人体热中性温度曲线围合的面积来反映能耗大小，计算方法简单、客观，计算结果能够很好的评价建筑设计对建筑节能的贡献率，适用于建筑师在建筑方案设计阶段的节能评价，克服现有节能计算无法清晰区分一座建筑的节能性能有多少是由建筑设计贡献的，因此该方法有利于建筑师发挥建筑设计来实现较高节能率。

Claims (2)

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：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{in}}V\frac{{\mathrm{dt}}_{D,i,\mathrm{in}}}{\mathrm{d\&tau;}}=k_{w,\mathrm{in}}{F}_w(t_{w,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+k_{r,\mathrm{in}}{F}_r(t_{r,1}-t_{D,i,\mathrm{in}})+\\ (t_{D,i,\mathrm{out}}-t_{D,i,\mathrm{in}})({\mathrm{C\&rho;}}_{\mathrm{out}}\mathrm{VN}/3600+F_C\&CenterDot;k_C)+Q_C\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)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(2)，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生成全年室内温度曲线f_in(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f_n(x)：

T_n＝at₀+b   (21)

式(21)中，T_n为热中性温度，t₀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_out(x)，计算室外温度曲线与热中性温度曲线围合的面积ΔS1；

步骤五，计算室内温度曲线f_in(x)与热中性温度曲线f_n(x)的围合面积ΔS2；

步骤六，计算基于人体热适应模型的建筑节能率：

$j=\frac{\mathrm{\&Delta;S}1-\mathrm{\&Delta;S}2}{\mathrm{\&Delta;S}1}\&times;100\%---\left(24\right)$

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，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，…，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(3)至式(8)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：

$k_{w,\mathrm{in}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_1}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,1}}{{2\mathrm{\&lambda;}}_{w,1}}}---\left(9\right)$

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

$k_{w,\mathrm{out}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{w,n}}{{2\mathrm{\&lambda;}}_{w,n}}}---\left(11\right)$

式(9)至式(11)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(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k_r,in、k_r,y和k_r,out；

式(5)中的t_sa为：

$t_{\mathrm{sa}}=t_{D,i,\mathrm{out}}+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{s}I}{{\mathrm{\&alpha;}}_3}---\left(12\right)$

式(12)中，ρ_s为太阳辐射吸收系数；α₃为外表面对流换热系数；

式(2)中的Q_C为：

Q_C＝F_C·X_g·X_d·J_wτ(13)

式(13)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(3)至式(13)求解式(2)，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