CN109636677A - 基于模型校准的建筑热工性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型校准的建筑热工性能评估方法，包括如下步骤：步骤一、收集与建筑热工性能相关的信息；步骤二、根据收集得到的信息，建立建筑能耗模型并设定建筑热工参数值；步骤三、获取实测数据，用实测数据对建筑能耗模型中设定的建筑热工参数值进行校准；步骤四、采用校准后的建筑热工参数值，对建筑热工性能进行评估。本发明基于模型校准的方法对建筑热工性能进行评估，可以避免由于一般检测方法室外气象条件和地点的限制。本发明不受围护结构具体部件的影响，能对整体建筑围护结构的建筑热工性能进行评估，全面真实地反映整体建筑围护结构的热工性能，具有全面可靠、测试成本低廉、测试周期短、易于推广的优点。

Description

基于模型校准的建筑热工性能评估方法

技术领域

本发明涉及一种建筑热工性能评估方法，特别涉及一种基于模型校准的建筑热工性能评估方法。

背景技术

目前，建筑能耗在一个国家总能耗中占据重要地位，在中国，除了工业和交通运输业以外，建筑业已经成为中国第三大能源消耗行业。中国的建筑行业体量巨大，而且相比于西方发达国家，中国的建筑节能技术存在着一定的落后，在未来相当长的一段时间内，建筑节能在中国是大势所趋。

在建筑能耗的组成部分中，通过建筑围护结构传热所带来的能耗占总能耗的绝大部分，因此准确掌握建筑围护结构的热工性能能够很好地辅助建筑节能工作的展开，这就对建筑围护结构热工性能的评估方法提出了要求。

目前检测建筑热工性能的方法主要有五种：热流计法、热箱法、控温箱-热流计法、常功率平面热源法和红外热像仪法。热流计法是利用温差和热流之间的对应关系进行传热系数的测定，通常的做法是用热流计、热电偶在现场检测出被测围护结构的热流密度以及内、外表面温度，通过数据处理计算得出建筑物围护结构的传热系数。热箱法的基本原理是人工制造一个一维传热环境，被测部位内侧用热箱模拟采暖建筑室内条件，并使热箱内的空气温度和室内的空气温度保持一致，另一侧为室外自然条件，维持热箱内温度高于室外温度8℃以上，这样被测部位的热流总是从室内向室外传递；当热箱内的加热量与通过被测部位的传递热量达到平衡时，通过测量热箱内的加热量得到被测部位的传热量，从而计算出被测部位的传热系数。控温箱-热流计法的基本原理与热流计法相同，它利用控温箱控制温度，模拟采暖期建筑物的热工状况，用热流计法测定被测对象的传热系数。常功率平面热源法是非稳态法中一种比较常用的方法，适用于建筑材料和其他隔热材料热物理性能的测试；其现场检测的方法是在墙体内表面人为地加上一个合适的平面恒定热源，对墙体进行一定时间的加热，通过测定墙体内外表面的温度响应来辨识出墙体的传热系数。红外热像仪法主要是通过红外摄像技术远距离测量围护结构热工缺陷，此方法只能对建筑围护结构的热工性能做定性的分析而不能用于定量的计算。

尽管目前已有上述的一些较为成熟的建筑热工性能检测方法，但是这些方法大多针对于建筑的某一部件或某一块墙体的热工性能进行检测，检测的范围极为有限，这种使用部分建筑围护结构热工性能的评估结果来表征整栋建筑围护结构热工性能的方法带来的不确定问题还有待商榷。另一方面，建筑能耗模拟软件发展至今已经非常成熟，一个准确的建筑能耗模型能够在一定程度上表征建筑围护结构的热工性能，通过模型校准的方法则可以校准出一个准确的建筑能耗模型。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于模型校准的建筑热工性能评估方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于模型校准的建筑热工性能评估方法，包括如下步骤：

步骤一、收集与建筑热工性能相关的信息；

步骤二、根据收集得到的信息，建立建筑能耗模型并设定建筑热工参数值；

步骤三、获取实测数据，用实测数据对模型中设定的建筑热工参数值进行校准；

步骤四、采用校准后的建筑热工参数值，对建筑热工性能进行评估。

进一步地，所述步骤一中，与建筑热工性能相关的信息包括建筑本体信息和建筑室外气象信息。

进一步地，所述建筑本体信息包括建筑类型、建筑面积、建筑朝向、建筑几何尺寸、建筑层数、建筑层高、窗墙面积比以及建筑围护结构热工参数。

进一步地，所述室外气象信息包括逐时干球温度和逐时太阳辐射。

进一步地，所述建筑热工参数包括墙体传热系数、屋顶传热系数和窗户传热系数。

进一步地，所述步骤二中，采用TRNSYS、EnergyPlus或eQuest能耗模拟软件建立建筑能耗模型。

进一步地，所述步骤二中，根据建筑图纸标定值、国家标准或经验值设定建筑热工参数值。

进一步地，所述步骤三中，实测数据包括建筑实际能耗数据和实际室内温度数据；建筑实际能耗数据通过建筑的能源账单或者实地监测获取；实际室内温度数据通过选取若干个具有代表性的建筑室内作为采样点，对采样点的室温进行监测来获取。

进一步地，所述步骤三中，获取实测数据时排除对校准结果有影响的人为因素。

进一步地，所述步骤四中，由校准后的建筑热工参数值计算得到建筑综合传热系数，采用建筑综合传热系数对建筑热工性能进行评估，计算建筑综合传热系数的公式为：

式中：

K_z——综合传热系数，单位为W/(m²·K)；

K_i——建筑围护结构(墙体、屋顶或窗户)的传热系数，单位为W/(m²·K)；

F_i——建筑围护结构所对应的面积，单位为m²；

A——建筑面积，单位为m²。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明基于模型校准的方法对建筑热工性能进行评估，可以避免由于一般检测方法室外气象条件和地点的限制。本发明不受围护结构具体部件的影响，能对整体建筑围护结构的建筑热工性能进行评估，全面真实地反映整体建筑围护结构的热工性能，具有全面可靠、测试成本低廉、测试周期短、易于推广的优点。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1，一种基于模型校准的建筑热工性能评估方法，包括如下步骤：

步骤一、收集与建筑热工性能相关的信息；

步骤二、根据收集得到的信息，建立建筑能耗模型并设定建筑热工参数值；

步骤三、获取实测数据，用实测数据对建筑能耗模型中设定的建筑热工参数值进行校准；

步骤四、采用校准后的建筑热工参数值，对建筑热工性能进行评估。

所述步骤一中，与建筑热工性能相关的信息可包括建筑本体信息和建筑室外气象信息。所述建筑本体信息可包括建筑类型、建筑面积、建筑朝向、建筑几何尺寸、建筑层数、建筑层高、窗墙面积比以及建筑围护结构热工参数等。所述室外气象信息可包括逐时干球温度和逐时太阳辐射等。

所述建筑本体信息为后续建立模型时所需要的建筑具体信息，这些信息一般可以通过建筑设计图纸来获取；此外，一些老旧建筑已经无法找到设计图纸，那么也可以根据建筑年代和建筑类型等信息结合实地调研结果推算建筑的大致信息。所述建筑室外气象信息为后续建立模型中所需要的气象信息，这些信息可以从当地的气象观测站中或者通过研究者自己设置的小型气象观测站获取其逐时数据，因此，气象数据作为一个确定的影响因素，不需要对其进行校准。

由于影响建筑能耗的因素众多，主要可分为两类：(1)建筑热工参数，主要指建筑围护结构(墙体、屋顶和窗户)的传热系数，此参数是常物性参数，在一段时间内是一个相对固定值，不会随着人员行为的变化而变化；(2)人行为相关参数，主要包括建筑内扰(建筑内部人员、设备、灯光等室内热源)和建筑通风换气参数，这些参数与人员行为极其相关，在每天的不同时刻里会随着人员行为的变化而波动变化。

所述建筑热工参数主要指墙体传热系数、屋顶传热系数和窗户传热系数等。所述建筑热工参数主要指建筑围护结构(墙体、窗户和屋顶)的传热系数。传热系数是重要的建筑热工性能评价指标，通过传热系数的数值大小可以反映一栋建筑的热工性能状况。

进一步地，所述步骤二中，可采用TRNSYS、EnergyPlus或eQuest等能耗模拟软件建立建筑能耗模型。这些建筑能耗模拟软件已经经过权威组织和机构的验证，其能够准确的反映实际建筑性能，特别是有关于建筑热工性能方面。

建筑能耗模型反映了建筑本体在一定的建筑室外气象条件下，为了维持一定的室内温度而需要消耗的能量情况。

建立建筑能耗模型时可根据建筑图纸标定值、国家标准或经验值设定建筑热工参数值。

所述步骤三中，实测数据包括建筑实际能耗数据和实际室内温度数据。对于建筑实际能耗数据，可以通过能源账单或者实地监测获取，其时间监测的频率可为1次/小时。能耗数据包括热能消耗数据和冷能消耗数据。热能消耗数据可通过实测建筑热力入口处的供、回水温度和循环流量监测，可以计算出建筑的热能消耗量，冷能消耗数据可通过实测空调耗电量和制冷效率得到。对于实际室内温度数据，可选取若干个具有代表性的建筑室内作为采样点，通过对采样点的室温进行监测来获取实际室内温度数据。

进一步地，所述步骤三中，获取实测数据时需排除对校准结果有影响的人为因素。校准建筑热工参数时，需要排除人员行为对校准结果的影响，在夜间0～5点期间，人员多处于睡眠状态，由人员行为引起的建筑内扰和通风换气波动变化趋于稳定，因此选用0～5点时间段内的数据，可以较好的实现建筑热工参数的校准。

可使用一种基于能耗模拟软件TRNSYS和最优化软件GenOpt联合仿真的自动校准方法对建筑热工参数进行校准。通过TRNSYS建立建筑能耗模型来模拟建筑能耗输出，GenOpt自动调整建筑热工参数来控制模拟能耗输出结果的数值大小，使建筑能耗模拟值与建筑实际能耗值相接近。

用实际数据校准模型参数，亦称参数矫正。是指通过改变选择的参数值，使计算值接近于观察值或实际值。在模型建立时，需要各种参数，在很多情况下，这些参数都不准确，需要获取测量数据对模型中的设定参数进行反推，从而校准模型参数。参数校准的目的是减少模型残差，从而使模型能够准确模拟再现系统真实行为。参数校准的方法有两类：正向调参和逆向调参。正向调参是按照模型对输入变化的反应逐次对输入参数进行调整；逆向调参首先分析模型对何种参数最为敏感，然后选定需要调整的参数，确定优先级和阈值范围，用自动方法多次运行模型，使用既定的算法在较少的运行次数下找到全局最优解。

校准时可对需要校准的建筑热工参数设定校准范围，在校准范围内自动调整建筑热工参数值，使模型计算结果与实测数据逐渐吻合。最终的校准误差需要满足校准指标的精度要求，包括ASHRAE Guideline 14、IPMVP、FEMP这些标准对校准精度的要求。满足校准指标的精度要求时，即可结束调整，从而确定准确的建筑热工参数值，完成建筑热工参数值的校准。

进一步地，所述步骤四中，可由校准后的建筑热工参数值计算得到建筑综合传热系数，采用建筑综合传热系数对建筑热工性能进行评估，计算建筑综合传热系数的公式可为：

式中：

K_z——综合传热系数，单位为W/(m²·K)；

K_i——建筑围护结构(墙体、屋顶或窗户)的传热系数，单位为W/(m²·K)；

F_i——建筑围护结构所对应的面积，单位为m²；

A——建筑面积，单位为m²。

下面以位于中国天津市的一栋居住建筑为例，进一步说明本发明的实施方法和工作原理。

步骤一、数据收集，主要包括建筑本体信息和建筑室外气象信息等。

此建筑建于1997年，外观为老式的“盒型”建筑，节能设计标准为一步节能，层高为2.8m，层数为6层，建筑面积为8424m²，通过实地调研得到的部分建筑本体信息可参见表1。

在冬季，此建筑采取集中供热的方式进行连续供暖，实测数据包括供水温度、回水温度、循环流量以及室内温度数据，时间间隔为1小时，时间跨度为2015年12月9日～2016年3月13日共95天。此外，为了使模拟结果更加准确，从当地气象站获取了此时间段内当地实际气象资料作为建筑室外气象信息，包括室外温度和太阳辐射数据。

表1：建筑本体信息表

步骤二、根据收集得到的数据建立建筑能耗模型。

可以采用TRNSYS能耗模拟软件为平台，根据上述收集得到的信息建立建筑能耗模型。

由于此建筑为老旧建筑，建筑设计图纸已经无法找到，因此在进行建筑热工参数初始值设定时，可以参考《民用建筑节能设计标准》(JGJ26-95)给出的建筑热工性能指标范围，然后取上限值(极大值)作为建筑热工参数的设定值，并确定校准范围，请参见表2，将墙体传热系数、屋顶传热系数和窗户(外窗)的传热系数作为模型的主要参数，并进行初始设定。

表2：建筑能耗模型的主要参数设定值及校准范围表

步骤三、通过实测获取数据，在上述建立的建筑能耗模型的基础上，对建筑热工参数进行校准。具体方法如下：

(1)选取3个具有代表性的温度布点来表征建筑室内的温度情况，分别选取1层、3层和6层的一户人家进行室温监测，在获取数据校准过程中，对这3户人家的真实室内温度来进行采样实测。

(2)实测获取这一栋建筑热力入口处的供、回水温度和循环流量监测，通过实测数据可以计算出该栋建筑的耗热量。

(3)将实测数据与建筑能耗模型的模拟能耗输出值相对比，校准建筑热工参数值，使模型的能耗模拟输出值与实测值接近或吻合。

经过建筑热工参数校准后，校准的结果如表3所示，校准误差如表4所示，ASHRAEGuideline 14、IPMVP、FEMP这些标准对校准精度的要求如表5所示。

表3：建筑热工参数校准结果表

表4：建筑热工参数校准前后校准精度指标

表5：各标准对校准精度要求

热工参数校准后的校准精度满足上述3个标准的要求，完成校准任务。

步骤四、综合热工性能评估，对校准后的热工参数进行计算得到综合传热系数，即可对建筑综合热工性能进行评估。

综合传热系数定义如下式所示：

式中：

K_z——综合传热系数，W/(m²·K)；

K_i——建筑围护结构(墙体、屋顶或窗户)的传热系数，W/(m²·K)；

F_i——建筑围护结构所对应的面积，m²；

A——建筑面积，m²。

则本案例中校准后计算得到的综合传热系数为：

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种基于模型校准的建筑热工性能评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、收集与建筑热工性能相关的信息；

步骤二、根据收集得到的信息，建立建筑能耗模型并设定建筑热工参数值；

步骤三、获取实测数据，用实测数据对模型中设定的建筑热工参数值进行校准；

步骤四、采用校准后的建筑热工参数值，对建筑热工性能进行评估。

2.根据权利要求1所述的基于模型校准的建筑热工性能评估方法，其特征在于，所述步骤一中，与建筑热工性能相关的信息包括建筑本体信息和建筑室外气象信息。

3.根据权利要求2所述的基于模型校准的建筑热工性能评估方法，其特征在于，所述建筑本体信息包括建筑类型、建筑面积、建筑朝向、建筑几何尺寸、建筑层数、建筑层高、窗墙面积比以及建筑围护结构热工参数。

4.根据权利要求2所述的基于模型校准的建筑热工性能评估方法，其特征在于，所述室外气象信息包括逐时干球温度和逐时太阳辐射。

5.根据权利要求1所述的基于模型校准的建筑热工性能评估方法，其特征在于，所述建筑热工参数包括墙体传热系数、屋顶传热系数和窗户传热系数。

6.根据权利要求1所述的基于模型校准的建筑热工性能评估方法，其特征在于，所述步骤二中，采用TRNSYS、EnergyPlus或eQuest能耗模拟软件建立建筑能耗模型。

7.根据权利要求1所述的基于模型校准的建筑热工性能评估方法，其特征在于，所述步骤二中，根据建筑图纸标定值、国家标准或经验值设定建筑热工参数值。

8.根据权利要求1所述的基于模型校准的建筑热工性能评估方法，其特征在于，所述步骤三中，实测数据包括建筑实际能耗数据和实际室内温度数据；建筑实际能耗数据通过建筑的能源账单或者实地监测获取；实际室内温度数据通过选取若干个具有代表性的建筑室内作为采样点，对采样点的室温进行监测来获取。

9.根据权利要求1所述的基于模型校准的建筑热工性能评估方法，其特征在于，所述步骤三中，获取实测数据时排除对校准结果有影响的人为因素。

10.据权利要求1所述的基于模型校准的建筑热工性能评估方法，其特征在于，所述步骤四中，由校准后的建筑热工参数值计算得到建筑综合传热系数，采用建筑综合传热系数对建筑热工性能进行评估，计算建筑综合传热系数的公式为：

式中：

K_z——综合传热系数，单位为W/(m²·K)；

K_i——建筑围护结构(墙体、屋顶或窗户)的传热系数，单位为W/(m²·K)；

F_i——建筑围护结构所对应的面积，单位为m²；

A——建筑面积，单位为m²。