作者：胡琪，田喆，胡振杰，李锋，王建栓，王勃
第一作者单位：天津大学
摘自《煤气与热力》年7月刊
1概述
目前，居住建筑耗热量理论计算方法可分为两大类［1］：一类是建立在稳态传热理论基础上的简易算法，另一类是建立在非稳态传热理论基础上的动态模拟法。其中简易算法将供暖期耗热量按稳态传热进行计算，而不考虑围护结构蓄热对耗热量的影响；动态模拟法需要完整的气象资料、建筑物的详细参数以及各种数据库，计算结果比较符合实际，但这类方法较为复杂，且耗时较长。对于居住建筑而言，只需计算建筑物供暖期总耗热量，而不需要其逐时耗热量，所以稳态简易算法被广泛应用。现有研究［2］表明，稳态算法和动态算法的计算结果存在一定差异，但鲜有文献对此进行详细阐述。本文以天津市某建筑模型为例，选取标准算法、温频法［3-4］、软件模拟对其进行了深入的分析和探讨，验证了稳态算法的准确性，找出了算法间的差异，并对差异较大的算法进行相应的修正，以期得到更为准确的计算结果。
2居住建筑耗热量理论计算方法
①标准算法
标准算法即设计标准中建筑耗热量指标计算方法。
②温频法（BIN法）
温频法是在度日法的基础上发展起来的，对太阳辐射引起的负荷处理是以传递函数法为基础，推导出最大太阳辐射得热因数和冷负荷系数进行计算。在处理分项负荷上，假定各项负荷与室外干球温度成线性关系，并统计出室外逐时干球温度在各温度段出现的频率，从而计算在不同室外干球温度下的负荷，然后进行累加计算求得全年负荷或季节负荷［5］。
③软件模拟
采用TRNSYS软件，对建筑的耗热量进行动态模拟。与其他模拟软件相比，TRNSYS将温差传热和因玻璃吸收了太阳辐射温度升高而引起的传热分开处理［6］，便于与标准算法以及温频法进行同边界条件的比较。TRNSYS由美国威斯康星大学建筑技术与太阳能利用研究所的研究人员开发，并经过ASHRAEStandardP的比较性测试，其模拟结果与其他能耗模拟程序具有很好的一致性。
3耗热量理论计算方法对比分析
3.1边界条件
①气象条件
标准算法采用DB29-1—《天津市居住建筑节能设计标准》的设计参数，温频法以及软件模拟采用中国标准年气象数据（CSWD）。
a.供暖期室外平均温度
各计算方法采用的供暖期室外平均温度见表1。
表1供暖期室外平均温度
为避免由于该边界条件的不同对结果的影响，在计算中将供暖期室外平均温度统一为-0.16℃。
b.供暖期逐时室外温度
基于中国标准年气象数据，可以获取天津市供暖期逐时室外温度，并对其温度频数分布进行统计，标准年室外温度频数分布见图1。其中统计间隔为2℃，横坐标为频段中点温度。
图1标准年室外温度频数分布
c.供暖期逐时太阳辐射强度
基于中国标准年气象数据，可以获取天津市供暖期各朝向逐时太阳辐射强度。
②室内得热
室内得热包括炊事、照明、家电和人体散热。根据DB29-1—，住宅建筑室内得热量指标取3.8W/m2。
③围护结构
基于DB29-1—的要求，分别对计算模型中围护结构的传热系数、传热修正系数以及平均太阳辐射强度进行设定。考虑太阳辐射对围护结构的影响，围护结构热工特性见表2。
表2围护结构热工特性
④遮阳系数
DB29-1—中遮阳系数的计算见式（1）、（2）：
分析中不考虑内外遮阳。
不同方法在窗的太阳辐射修正系数的设置上有所区别，为避免该边界条件对计算结果的影响，对以下两个方面进行了统一化处理。
a.在软件模拟中，没有考虑昼夜阴睛及玻璃污垢折减系数，所以在其他算法的遮阳系数计算上也不考虑。
b.在TRNSYS软件中模型所选玻璃的太阳得热系数SHGC（SolarHeatGainCoefficient）缺省值为0.58，该系数等同于其他计算方法中普通玻璃的太阳辐射透过率与玻璃遮阳系数的乘积［7］。所以在标准算法中窗的太阳辐射修正系数取SHGC与玻璃面积比例的乘积，为0.。
3.2建立模型
为增加研究结果的普遍适用性，本文分别对不同体形系数、不同窗墙面积比的多组建筑模型进行计算模拟。同时为使模型具有可比性，在设置建筑模型时，各模型的建筑面积及体积均取相同值。依据DB29-1—，在体形系数的限值内，按体形系数不同假定4个建筑模型，模型均为9层建筑，单层面积为m2，各模型建筑基本参数见表3。
表3各模型建筑基本参数
表4建筑模型窗墙面积比
3.3数据分析
耗热量的计算包括围护结构耗热量、冷风渗透耗热量、室内得热量以及透窗太阳辐射得热量。其中3种算法在冷风渗透耗热量和室内得热量的计算原理基本一致，为便于比较分析，对冷风渗透耗热量和室内得热量进行了统一化处理。然后利用3种算法分别计算各建筑模型供暖期耗热量。
通过对计算结果的分析，得到各算法之间的差异性，不同模型不同算法耗热量计算对比见表5。
表5不同模型不同算法耗热量计算对比
由表5可知，标准算法与软件模拟耗热量相对差值为0.69%～10.12%，平均相对差值为4.72%；标准算法与温频法耗热量相对差值为7.87%～17.71%，平均相对差值为12.61%；软件模拟与温频法耗热量相对差值为0.43%～23.05%，平均相对差值为10.28%。
3.4差异性分析
以体形系数为0.15，建筑窗墙面积比为0.39的模型为例，不同算法耗热量计算结果对比见图2。围护结构耗热量以及透窗太阳辐射得热量计算结果的差异性，导致了各算法之间耗热量的不同。
图2不同算法耗热量计算结果对比
由图2可以看出，3种算法在计算围护结构耗热量时偏差较小。标准算法与温频法在围护结构耗热量的计算上均采用稳态计算方法，软件模拟采用非稳态计算方法。围护结构耗热量的偏差是由于非稳态传热计算中考虑了围护结构的蓄热对耗热量的影响，而稳态传热算法并未考虑。标准算法与温频法虽然均用稳态计算方法，却仍有较小的差异，是由投射在墙体和屋面上的太阳辐射得热引起的。
3种算法的计算结果中太阳辐射得热量的计算结果出现了较大的差异，导致总耗热量不同。3种算法太阳辐射得热量随窗墙面积比的变化见图3，可以看出3种算法太阳辐射得热量的差异随着窗墙面积比的增大而增加。
图3太阳辐射得热量随窗墙面积比的变化
不同模型不同算法太阳辐射得热量计算对比见表6。
表6不同模型不同算法太阳辐射得热量计算对比
由表6可以看出，标准算法与软件模拟太阳辐射得热量相对差值为9.79%～10.57%，平均相对差值为10.26%；标准算法与温频法太阳辐射得热量相对差值为25.63%～34.09%，平均相对差值为30.26%；软件模拟与温频法太阳辐射得热量相对差值为12.08%～19.69%，平均相对差值为14.67%。
可以看出，3种算法在太阳辐射得热量上存在较大差异。进一步分析可知，计算原理以及边界条件的差异可能是导致3种算法产生上述差异性的原因。
①计算原理分析
透窗太阳辐射得热量分为两部分：一部分是直接透射进入室内，另一部分被玻璃吸收，然后再通过长波辐射和对流换热进入室内。标准算法中虽未说明但实际采用了太阳得热系数SHGC，该系数涉及了直接透射进入室内的太阳辐射得热量和被玻璃吸收后再传入室内的两部分得热量。软件模拟是分别求取这两部分的太阳辐射得热量。两种算法虽然过程不同，但均可得到上述两部分太阳辐射得热量。标准算法与温频法计算原理基本相同。
②边界条件分析
对于太阳辐射强度的设定，标准算法直接采用DB29-1—推荐的太阳平均辐射强度，温频法采用ASHRAE手册（ASHRAEHandbook，）中天津地区相应月份的输入参数，软件模拟采用标准年逐时太阳辐射强度进行计算。因此导致3种算法的边界条件不尽相同。为了便于比较，现将温频法和软件模拟太阳辐射强度的边界条件等效为各朝向平均辐射强度，不同算法各朝向等效平均太阳辐射强度见表7。
表7不同算法各朝向等效平均太阳辐射强度W/m2
由表7可以看出，温频法的等效平均太阳辐射强度最大，软件模拟居中，标准算法最小。现将软件模拟以及温频法的等效平均辐射强度分别作为标准算法的输入参数，并对相应的计算结果统计分析，改变标准算法输入参数后与另两种算法太阳辐射得热量计算对比见表8。
表8改变标准算法输入参数后与另两种算法太阳辐射得热量计算对比
由表8可以看出，边界条件统一后，标准算法与软件模拟太阳辐射得热量平均相对差值为0.47%，标准算法与温频法平均相对差值为0.06%，差异性较小，可以认为这3种算法间产生差异性的原因为边界条件的不同，而3种算法计算原理的不同对计算结果的影响不大。
3.5边界条件的修正
从前文的分析中可以看出，在计算太阳辐射得热量时，边界条件的不同是导致不同算法计算结果产生差异的主要原因。合理地选取算法的输入条件，可以有效地减小各算法之间计算结果的差异。
标准算法与软件模拟在太阳辐射得热量的计算结果上平均差值为1.32kW·h/m2，占总耗热量的4.72%，偏差较小，暂不对其进行修正；温频法由于边界条件与其他两种算法相差较大导致其计算结果出现较大偏差，需要对其边界条件进行修正，以得到更加准确的计算结果。
由于现阶段国内缺乏温频法基本数据，温频法边界条件的获取仅可参考ASHRAE推荐值［5］。本文先根据文献［8］获取太阳辐射冷负荷系数之和，再根据天津市标准年气象数据得到最大太阳辐射得热因数和平均日照率之和，将上述修正后的边界条件代入温频法进行计算，则其计算结果与软件模拟的耗热量相对差值为5.68%，绝对值较修正前下降4.6%；与标准算法的耗热量相对差值为3.24%，绝对值较修正前下降9.37%。
4结论
①3种算法在耗热量的计算上存在一定差异，标准算法与软件模拟计算结果相差不大，平均相对差值为4.72%，与温频法差异性较大，平均相对差值为12.61%。
②围护结构耗热量以及透窗太阳辐射得热量计算结果的差异性，导致了各算法之间耗热量的不同。
③引起透窗太阳辐射得热量计算结果差异的主要原因是3种算法使用的边界条件不同。通过对边界条件的修正，可以有效减少不同算法计算结果之间的差异。
参考文献：
［1］王子介.用改良温频法分析建筑热负荷及能耗［J］.山东建筑工程学院学报，，8（4）：40-49.
［2］燕达，张野，刘烨，等.稳态计算方法计算建筑耗热量指标中的几个问题［C］//中国建筑学会暖通空调分会.全国暖通空调制冷年学术年会资料集.北京：暖通空调杂志社，：17-24.
［3］由世俊，李秋生，李瑞新.水源热泵空调系统能耗的温频法模拟与分析［J］.煤气与热力，，24（2）：69-73.
［4］孙跃强，刘晓海，高贵，等.空调冷热源的选择与经济性分析［J］.煤气与热力，，27（11）：83-86.
［5］龙惟定.用BIN参数作建筑物能耗分析［J］.暖通空调，（2）：6-10.
［6］张野.建筑环境设计模拟分析软件DeST—第四讲建筑热过程中的太阳辐射相关模型［J］.暖通空调，（10）：55-64.
［7］朱颖心.建筑环境学［M］.北京：中国建筑工业出版社，：64-65.
［8］单寄平.空调负荷实用计算法［M］.北京：中国建筑工业出版社，：5-17.声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有，严禁任何