本發(fā)明涉及寒地建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種適用于寒冷地區(qū)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、目前，建筑能耗約占社會總能耗的28％，并且還在以每年1個百分點(diǎn)的速度增加，未來建筑能耗所占比例將會上升到35％左右。而且，建筑物在其建造、使用過程中消耗了全球能源的50％，與建筑有關(guān)的光污染、空氣污染、電磁污染等占34％，建筑垃圾則占垃圾總量的40％，溫室氣體排放量占總排放量的30％左右，建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2、近年來，隨著我國建筑節(jié)能事業(yè)的不斷發(fā)展，目前全國已基本實(shí)現(xiàn)了建筑節(jié)能50％和節(jié)能65％的目標(biāo)。國家現(xiàn)行的《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(jgj?26-2018)已經(jīng)將建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)提高到75％，該標(biāo)準(zhǔn)于2019年8月1日實(shí)施，可見，未來全國執(zhí)行建筑節(jié)能75％標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。然而，目前在包括如徐州等寒冷地區(qū)對建筑節(jié)能75％標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線尚在探索和示范階段，尚未見相關(guān)技術(shù)報道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種適用于寒冷地區(qū)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗優(yōu)化設(shè)計方法。

2、本發(fā)明提供了一種適用于寒冷地區(qū)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗優(yōu)化設(shè)計方法，所述適用于寒冷地區(qū)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗優(yōu)化設(shè)計方法包括以下步驟：

3、建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元熱工性能與建筑能耗之間的數(shù)量關(guān)系模型，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元熱工性能的變化規(guī)律；

4、建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化模型，得到非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計算方法；

5、根據(jù)所述非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計算方法，導(dǎo)出圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能整體最優(yōu)時非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元有效傳熱系數(shù)相等的最優(yōu)化條件，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大節(jié)能率計算方法和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳節(jié)能率計算方法；

6、根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大節(jié)能率計算方法和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳節(jié)能率計算方法，得到隨窗戶熱工性能及燃料類型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大節(jié)能率變化規(guī)律和隨窗戶熱工性能及燃料類型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳節(jié)能率變化規(guī)律；

7、根據(jù)隨窗戶熱工性能及燃料類型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大節(jié)能率變化規(guī)律、隨窗戶熱工性能及燃料類型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳節(jié)能率變化規(guī)律和圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元熱工性能的變化規(guī)律，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳性能指標(biāo)參數(shù)以及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑設(shè)備之間分別承擔(dān)節(jié)能比例。

8、進(jìn)一步地，所述建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元熱工性能與建筑能耗之間的數(shù)量關(guān)系模型，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元熱工性能的變化規(guī)律的步驟包括以下過程：

9、根據(jù)公式一計算節(jié)能基準(zhǔn)建筑總耗熱量；

10、根據(jù)公式二計算采取節(jié)能措施后圍護(hù)結(jié)構(gòu)總耗熱量；

11、所述公式一：qh＝86.4ghdd18g(krgfr+kwgfw+kwingfwin+αflgkflgffl)；

12、所述公式二：qh'＝86.4ghdd18g(k′rgfr+k′wgfw+k′wingfwin+αflgk′flgffl)；

13、上述式中：qh、qh'分別為節(jié)能基準(zhǔn)建筑和采取節(jié)能措施后圍護(hù)結(jié)構(gòu)總耗熱量，kj/a；hdd18為采暖度日數(shù)，℃·d；αfl為地下室樓板溫差修正系數(shù)；kr，kw，kwin，kfl分別為節(jié)能基準(zhǔn)建筑的屋面、外墻、外窗、地下室頂板傳熱系數(shù)，w/(m2·℃)；fr、fw、fwin、ffl分別為節(jié)能基準(zhǔn)建筑的屋面、外墻、外窗及地下室頂板面積，m2；kr'、k′w、k′win、k′fl分別為采取節(jié)能措施后圍護(hù)結(jié)構(gòu)的屋面、外墻、外窗、地下室頂板傳熱系數(shù)，w/(m2·℃)。

14、進(jìn)一步地，根據(jù)公式三、公式四和公式五分別計算所述kr'、所述k′w、和所述k′fl；

15、所述公式三：

16、所述公式四：

17、所述公式五：

18、上述式中：x、y、z分別為屋面、外墻、地下室頂板的保溫層厚度，m；λins為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·℃)；rr,rw,rfl分別為屋面、外墻、地下室頂板除保溫層以外的其他部分的熱阻，(m2·℃)/w。

19、進(jìn)一步地，所述建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化模型，得到非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計算方法的步驟包括以下過程：

20、根據(jù)公式六計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取節(jié)能措施的初投資費(fèi)用，所述初投資費(fèi)用包括屋面、外墻和地下室頂板增加保溫層的費(fèi)用和采用新型節(jié)能外窗的費(fèi)用；

21、根據(jù)公式七、公式八、公式九和公式十分別計算屋面、外墻和地下室頂板增加保溫層的費(fèi)用和采用新型節(jié)能外窗的費(fèi)用；

22、根據(jù)公式十一和公式十二分別計算壽命周期內(nèi)全壽命周期費(fèi)用和壽命周期內(nèi)節(jié)約的費(fèi)用；

23、根據(jù)公式十三計算現(xiàn)值系數(shù)，得到保溫層厚度優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)min和max；

24、根據(jù)公式十四和公式十五分別計算節(jié)能建筑采暖年運(yùn)行費(fèi)用和節(jié)能建筑比基準(zhǔn)建筑每年節(jié)約的采用運(yùn)行費(fèi)；

25、所述公式六：p(x,y,z)＝pr+pw+pwin+pfl；

26、所述公式七：pr＝xgfrgcins+frgccr；

27、所述公式八：pw＝y(tǒng)gfwgcins+fwgccw；

28、所述公式九：pfl＝zgfflgcins+fflgccfl；

29、所述公式十：pwin＝fwingcwin；

30、所述公式十一：lcc(x,y,z)＝pwf·c′h+p；

31、所述公式十二：lcs(x,y,z)＝pwf·δch-p；

32、所述公式十三：

33、所述min：lcc(x,y,z)＝pwf·c′h+p；

34、所述max：lcs(x,y,z)＝pwf·δch-p；

35、所述公式十四：

36、所述公式十五：上述式中：p為圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取節(jié)能措施的初投資費(fèi)用，元；pr、pw、pfl分別為屋面、外墻及地下室頂板的增加保溫層初投資費(fèi)用，元；pwin為新型外窗的費(fèi)用，元；cins，保溫材料的單價，元/m3；ccr、ccw、ccfl分別為屋面、外墻、地下室頂板保溫層輔助材料費(fèi)及人工費(fèi)單價，元/m2；cwin，新型節(jié)能外窗的單價，元/m2；lcc為全壽命周期費(fèi)用，元；lcs為壽命周期內(nèi)節(jié)約的費(fèi)用，元；c′h為節(jié)能建筑采暖年運(yùn)行費(fèi)用，元/年；δch為節(jié)能建筑比基準(zhǔn)建筑每年節(jié)約的采用運(yùn)行費(fèi)用，元/年；pwf為現(xiàn)值系數(shù)；ne為壽命周期分析年限，年；d為市場折現(xiàn)率；i為能源價格上漲率；η1為采暖系統(tǒng)熱源效率；η2為管網(wǎng)輸送效率；qfeul為單位燃料的低位發(fā)熱量，kj/kg或kj/m3；cfeul為單位燃料的價格，元/kg或元/m3。

37、進(jìn)一步地，所述建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化模型，得到非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計算方法的步驟還包括以下過程：

38、設(shè)采取節(jié)能措施后節(jié)能建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率為β，并根據(jù)所述公式一和所述公式二得到約束條件；

39、根據(jù)所述目標(biāo)函數(shù)以及約束條件，建立得到輔助函數(shù)

40、對所述輔助函數(shù)中分別求x，y，z的偏導(dǎo)數(shù)并使之為零并與約束條件聯(lián)立，得到分別計算屋面、外墻、地下室頂板的保溫層厚度的公式十六、公式十七和公式十八；

41、根據(jù)所述公式十六、所述公式十七和所述公式十八，得到公式十九；

42、根據(jù)所述公式十九、所述公式三、所述公式四和所述公式五，得到公式二十和公式二十一；

43、根據(jù)所述公式二十得出：當(dāng)節(jié)能目標(biāo)一定時，節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能最佳組合為：屋面、外墻和地下室頂板的有效傳熱系數(shù)相等；與室外大氣不直接接觸的圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元有效的傳熱系數(shù)等于傳熱系數(shù)乘以溫差修正系數(shù)的方根；

44、所述

45、所述約束條件：δqf(x,y,z)＝kr'gfr+kw'gfw+kfl'gαgffl+kwin'gfwin

46、-(1-β)g(krgfr+kwgfw+kwingfwin+αflgkflgffl)＝0。

47、所述輔助函數(shù)：或

48、所述公式十六：

49、所述公式十七：

50、所述公式十八：

51、所述公式十九：

52、

53、所述公式二十：

54、所述公式二十一：qh'＝86.4ghdd18g(1-β)g(krgfr+kwgfw+kwingfwin+αgkflgffl)，為節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總耗熱量，qwin'＝86.4ghdd18gfwingkwin'，為節(jié)能建筑外窗引起的耗熱量。

55、進(jìn)一步地，根據(jù)所述非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計算方法，導(dǎo)出圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能整體最優(yōu)時非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元有效傳熱系數(shù)相等的最優(yōu)化條件，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大節(jié)能率計算方法和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳節(jié)能率計算方法的步驟包括以下過程：

56、當(dāng)通過屋面、外墻和地下室頂板的傳熱量等于零時，通過所述公式二十一計算得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大節(jié)能率βmax計算公式二十二；

57、將所述公式十四、所述公式十六、所述公式十七、所述公式十八代入所述公式十一,并對β進(jìn)行求導(dǎo)數(shù)，令導(dǎo)數(shù)等于零，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳節(jié)能率βopt計算公式二十三；

58、所述公式二十二：

59、所述公式二十三：

60、

61、進(jìn)一步地，所述建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗優(yōu)化設(shè)計方法適用于jgj?26-2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》提出的節(jié)能75％標(biāo)準(zhǔn)要求。

62、進(jìn)一步地，所述滿足jgj?26-2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》提出的節(jié)能75％標(biāo)準(zhǔn)要求的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備應(yīng)分擔(dān)的合理比例為：結(jié)構(gòu)部分承擔(dān)節(jié)能38％，其余由建筑設(shè)備系統(tǒng)承擔(dān)；所述滿足jgj?26-2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》提出的節(jié)能75％標(biāo)準(zhǔn)要求的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要求如下：窗戶的傳熱系數(shù)取1.5w/㎡.℃，屋面、外墻傳熱系數(shù)0.38w/㎡.℃,地下室樓板傳熱系數(shù)0.44w/㎡.℃。

63、本發(fā)明實(shí)施例提供的上述技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比至少具有如下優(yōu)點(diǎn)：

64、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種適用于寒冷地區(qū)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗優(yōu)化設(shè)計方法，本發(fā)明首次提出了一種適用于寒冷地區(qū)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗優(yōu)化設(shè)計方法，可滿足節(jié)能75％標(biāo)準(zhǔn)要求，對于制定適合如徐州等寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn)和建筑負(fù)荷分布特點(diǎn)的建筑設(shè)計節(jié)能技術(shù)和建筑設(shè)備節(jié)能設(shè)計技術(shù)措施具有重要意義。具體來說：

65、(1)本發(fā)明建立了居住建筑外墻、屋面、地下室樓板以及窗戶等圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元熱工性能與建筑能耗之間的數(shù)量關(guān)系模型，得到了居住建筑能耗隨外墻、屋面、地下室樓板以及窗戶熱工性能的變化規(guī)律；

66、(2)本發(fā)明建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化模型，得到了非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計算方法，導(dǎo)出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能整體最優(yōu)時非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元有效傳熱系數(shù)相等的最優(yōu)化條件；提出了居住建筑最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率和最佳節(jié)能率計算模型，研究分析了兩者隨窗戶熱工性能及燃料類型的變化規(guī)律；

67、(3)根據(jù)取得最佳節(jié)能率時圍護(hù)結(jié)構(gòu)有效傳熱系數(shù)變化規(guī)律和寒冷地區(qū)節(jié)能率計算方法，本發(fā)明提出了滿足節(jié)能75％標(biāo)準(zhǔn)要求的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備應(yīng)分擔(dān)的合理比例，圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分承擔(dān)節(jié)能38％，其余由建筑設(shè)備系統(tǒng)承擔(dān)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要求如下：窗戶的傳熱系數(shù)取1.5w/㎡.℃，屋面、外墻傳熱系數(shù)0.38w/㎡.℃,地下室樓板傳熱系數(shù)0.44w/㎡.℃。