一种建筑外墙节能化改造后建筑节能性能评价方法与流程

1.本发明创造属于建筑节能领域，尤其是涉及一种建筑外墙节能化改造后建筑节能性能评价方法。


背景技术：

2.在住宅建筑领域，目前住宅建筑的能耗需求主要为空调和电扇等降温设备的使用，而在我国南方城市，空调系统能耗甚至高达住宅建筑整体能耗的40%-60%，因此，降低住宅建筑能耗对于降低二氧化碳排放有着重要意义。
3.提高住宅建筑材料，尤其是外墙墙体结构材料的隔热性能是降低建筑能耗的方法之一。对于新建、在建房屋，目前国家已通过出台强制标准，采用新材料新技术等方案，可以有效提高建筑墙体的隔热性能。但对于大量已建的存量住宅，需要进行节能化改造来提升其隔热性能，从而降低建筑整体的碳排放。
4.对于存量住宅，目前主要方法是在外墙墙体表面涂刷同时具有紫外、可见与近红外反射功能与特定波段远红外辐射功能的涂层材料。一方面，太阳辐射能量主要集中于紫外光、可见光与近红外区，因此，提高墙体对这部分波长辐射能量的反射作用可以提高其对太阳辐射的阻隔性能，降低由太阳辐射导致的室内温度升高。另一方面，大气层对于某些特定波长红外线具有低吸收与高透过的特性，当物体表面以该波段红外能量进行辐射时，这部分红外能量可以穿透大气层直至进入太空，因此，这部分特定波段的红外线也被称为“大气窗口”。提高墙面在该波段红外线的辐射性能，可以提高墙面的辐射制冷性能，降低其向室内传输的热量，从而进一步提高其隔热性能。
5.gb/t 25261-2018《建筑用反射隔热涂料》标准提出了涂层太阳光反射比，近红外反射比，半球发射率，隔热温差等参数的测试方法以及合格要求。该标准针对的是涂层本身性能测试方法，并未对建筑物整体节能效果进行表征。涂层本身隔热性能好坏并不等于改造后的建筑节能效果。在实际建筑节能改造过程中，通过节能化改造后，建筑物节能效果尚无计算标准和规范可循。
6.建筑整体节能化改造后，其节能性能的改善情况受多种因素影响，这包括：建筑所在地理位置，当地日照条件影响，天气气象条件影响，楼层墙体位置日照条件影响，墙面太阳光反射率以及辐射制冷效率等多种因素影响。因此，需要一种方法能够更为精确地对建筑的节能化改造前后节能性能进行测算评价。然而，由前文分析可知，现有技术中缺少这种能够系统分析建筑物节能效果的方案。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种建筑外墙节能化改造后建筑节能性能评价方法。
8.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：一种建筑外墙节能化改造后建筑节能性能评价方法，包括如下步骤：
步骤一：统计建筑每月建筑所在地区上一年的当日日平均气温高于冷气开启阈值温度的天数，计算温度系数δ
tempi
；步骤二：对待改造的建筑以及周边建筑进行日照建模分析，并计算日照系数δj，δj表示每面墙体在以8小时日照标准模型中受到的实际日照比例；步骤三：取墙体样品并对该墙体样品进行节能化改造，分别测试墙体样品改造前后太阳光谱反射率r，并计算改造前后太阳光谱反射率差值
∆
r；步骤四：分别计算在无日照条件下墙体样品改造前后辐射制冷效率p
nd
，并计算改造前后辐射制冷效率差值
∆
p
nd
；步骤五：按下式计算出每面外墙改造后每月额外减少的电量e
ij
；单位为kw
•
h，式1；式中，ssr
(x,y,i)
为根据建筑所在地区的经纬度坐标（x，y）得到的月平均短波辐射数据，单位为w/m2；
∆
r为步骤三计算得到的对墙体进行节能化改造后太阳光谱反射率差值；
∆
p
nd
为步骤四计算得到的在无日照条件下墙体节能化改造前后辐射制冷效率差值；sd
(x,y,i)
为建筑所在地区的每月的标准日照时长，单位为h；sj为对建筑以及周边建筑进行日照建模分析后确定的每面墙体的面积，单位为m2；δj为步骤二计算得到的日照系数；i为月份的个数；j为墙面的个数；步骤六：按下式计算该建筑全年节约电能e，单位为千瓦时：式2。
9.优选的，所述步骤三中太阳光谱反射率r按照gb/t25261—2018《建筑用反射隔热涂料》标准进行测试。
10.优选的，所述步骤三中太阳光谱反射率r采用紫外-可见分光光度计测量墙体样品在250-2500nm反射率，表示为(λ)，然后根据astmg173-03referencespectra的标准太阳光谱强度，表示为i
solar
(λ)，进行积分计算，计算过程如式3所示：式3；按照上式分别计算墙体样品改造前太阳光谱反射率r
改造前
和改造后太阳光谱反射率r
改造后
，计算r
改造后
与r
改造前
的差值
∆
r。
11.优选的，所述步骤四中墙体样品在无日照条件下辐射制冷效率p
nd
的计算方法如式4所示：式4；其中，p
rad
为涂层表面由内向外界辐射能量效率，计算方法如式5所示：式5；
其中，ε为涂层的半球发射率，ε为涂层的半球发射率，其测试方法可根据gb/t25261—2018《建筑用反射隔热涂料》标准进行测试，i
bb
(λ,t
coating
)为涂层表面在t
coating
温度下的黑体辐射强度，在t温度下的普兰克黑体辐射公式如式6所示。
12.式6；其中，c为光速，h为普朗克常数，t为黑体温度，k为玻尔兹曼常数，为波长；大气向墙体辐射的热量效率p
sky
的计算方法如式7所示：式7；其中，ε
atm
为大气的发射率，其计算方法如式8所示：式8；其中，t(λ)为大气层对不同波长红外线的透过率；大气通过热传导与热对流的方式向墙体传递热量效率p
normal
，其计算方法如式9所示：式9；其中，hc为非辐射传热系数；t
atm
为建筑所在地一年中月平均气温最高的三个月的平均值，t
coating
为测定墙体样品在t
atm
温度以及避光条件下涂层表面温度；按照式4-9分别计算墙体样品改造前辐射制冷效率p
nd改造前
和改造后辐射制冷效率p
nd改造后
，计算p
nd改造后
与p
nd改造前
的差值
∆
p
nd
。
13.优选的，步骤一为根据建筑自身规定，确定冷气开启阈值温度t0，单位为℃，根据建筑所在地区上一年的当日日平均气温temp，单位为℃，统计每月中当日日平均气温高于t0的天数，ni，并根据式10计算出温度系数δ
tempi
：式10式10中，n
0i
为每月总天数。
14.优选的，步骤二为确定每日日照时数tj，单位为h，再根据式11计算出其日照系数δj：δj=tj/8式11。
15.优选的，所述评价方法可进一步计算得到碳排放减少量，所述碳排放减少量的计算公式如式12所示：式12。
16.本发明还提供一种终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述建筑外墙节能化改造后建筑节能性能评价方法的步骤。
17.相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
（1）本发明能够具体问题具体分析，能够根据建筑物自身的地理位置，当地日照条件，天气气象条件，楼层墙体位置，日照条件，单面墙体改造前后节能效果等诸多因素的影响，具体、精确地分析该建筑进行节能化改造后的节能效果；（2）本发明能够直观地将建筑物节约电能带来的经济效益，节约碳排放带来的环境效益，与节能改造所需的成本花费相联系，从而直观地指导消费者是否进行节能化改造决策；（3）本发明的评价方法操作简单，方便非专业人士进行分析，易于推广应用。
附图说明
18.图1为实施例中住宅小区以及周边建筑的模拟图；图2为实施例中改造前墙体样品的 i
bb
(λ,t
coating
)与ε
atm
(λ) i
bb
(λ,t
atm
)数据结果；图3为实施例中黑色区域改造前墙体样品的p
rad－
p
sky
结果；图4为实施例中改造后墙体样品的i
bb
(λ,t
coating
)与ε
atm
(λ) i
bb
(λ,t
atm
)数据结果；图5为实施例中黑色区域改造后墙体样品的p
rad－
p
sky
结果；图6为实施例中每月节约电量图。
具体实施方式
19.下面结合附图给出本发明一种建筑外墙节能化改造后建筑节能性能评价方法的具体实施过程，并予以详细描述。
20.下面结合实施例来详细说明本发明创造。
21.本发明一种建筑外墙节能化改造后建筑节能性能评价方法，具体包括如下步骤：步骤一:用常规方法查询以下气象信息，这包括：建筑所在地区的经纬度坐标（x，y）；建筑所在地区的月平均短波辐射数据：ssr
(x,y,i)
, 单位为w/m2。该参数的物理意义为到达经纬度坐标为（x，y）位置的地球表面的太阳辐射量。
22.建筑所在地区上一年的当日日平均气温数据：temp，单位为oc。该温度为地表上空2 m出的空气温度。
23.建筑所在地区的每月的标准日照时长：sd
(x,y,i)
,单位为h。该参数也被称为峰值日照时长，该参数为在所述期内的太阳辐照度累计总量折算成标准测试条件下(辐照度1000 w/m2)持续的时长。通常以该参数来表征当地的气候和描述过去的天气状况。
24.步骤二：根据建筑自身具体规定，确定冷气开启阈值温度：t0，单位为oc，即当当日日平均温度(temp)高于阈值温度（t0）时，建筑内开启空调制冷降温，并根据阈值温度（t0）与上一年度当日日平均温度（temp）数据，统计出每月温度高于阈值温度的天数，ni，其中i表示月份，取值为1至12月，由此，根据式1计算出温度系数δ
tempi
为：式1其中，ni为每月温度高于阈值温度的天数，n
0i
为每月总天数。如前文所述，节能化改造的实质是通过降低进入到室外向室内传递的能量，来减少空调的制冷需求，从而降低
整个建筑的能耗。当当日气温低于阈值温度时，室外温度较低时，无需开启制冷设备，则无制冷需求，亦不涉及节能。因此，该温度系数的意义为每月的真正有节能需求的天数比例。
25.步骤三：对待改造建筑以及周边建筑进行日照建模分析，并确定每面墙体面积（sj，单位m2）以及每日日照时数（tj，单位h），再进一步计算出其日照系数δj=tj/8。
26.其中，δj表示每面墙体在以8小时日照标准模型中受到的实际日照比例，该参数反映了建筑物朝向，楼层以及周围建筑物是否会遮挡其采光的影响。
27.步骤四：取改造前墙体样品，并对该样品进行节能化改造，分别测试墙体样品改造前与改造后的太阳光谱反射率r
改造前
与r
改造后
，计算出节能化改造前后，墙体样品太阳光谱反射率差值，以
∆
r表示：
∆
r=r
改造后-r
改造前
。
28.具体地，太阳光谱反射率测试方法有两种方法：第一种方法是按照gb/t25261—2018《建筑用反射隔热涂料》标准进行测试。
29.第二种方法是采用紫外-可见分光光度计测量墙体样品在250-2500nm反射率即为(λ)，然后根据astmg173-03referencespectra的标准太阳光谱强度即为i
solar
(λ)进行积分计算，计算过程如式2所示。
30.式2。
31.步骤五：计算出墙体样品改造前后，在无日照条件下辐射制冷效率p
nd
，以及二者差值
∆
p
nd
。
32.具体地，无日照条件下辐射制冷效率计算方法如下：在无太阳光照射下，一方面，涂层表面会由内向外界辐射能量，表示为p
rad
。另一方面，涂层表面大气会同时向墙体辐射热量，表示为p
sky
。此外，当涂层表面温度低于外界空气温度时，空气中的热量还会通过热传导与热对流的方式向墙体传递热量，表示为p
normal
。因此，墙体样品在无日照套件下辐射制冷效率p
nd
的计算方法如式3所示。
33.式3涂层表面由内向外界辐射能量为：式4这里，ε为涂层的半球发射率，半球发射率测试方法可根据gb/t25261—2018《建筑用反射隔热涂料》标准进行测试；为涂层表面在t
coating
温度下的黑体辐射强度。在t温度下的普兰克黑体辐射公式如式5所示。
34.式5这里，c为光速，h为普朗克常数，t为黑体温度，k为玻尔兹曼常数，为波长。
35.大气向墙体辐射的热量为：式6
其中，为大气的发射率，其值为：式7这里，t(λ)为大气层对不同波长红外线的透过率。
36.大气通过热传导与热对流的方式向墙体传递热量为：式8式8中，hc为非辐射传热系数；t
atm
为建筑所在地一年中月平均气温最高的三个月的平均值，t
coating
为测定墙体样品在t
atm
温度以及避光条件下涂层表面温度；按照式3-8分别计算墙体样品改造前辐射制冷效率p
nd改造前
和改造后辐射制冷效率p
nd改造后
，计算p
nd改造后
与p
nd改造前
的差值
∆
p
nd
。
37.步骤六，评估确定该建筑内空调的制冷效率，eer，计算改造前后的每月每面墙体能节约的电量差值，以e
ij
表示，其中i为月份，j为第j面墙体。如前文所述，节能化改造能够同时实现两个节能效果，一方面，节能化改造可以提高墙体对太阳光的反射效率，这可以减少入射到墙体内部的能量；另一方面，节能改造可以提高墙面的辐射制冷效率，进一步降低进入到墙体内部的能量。因此，e
ij
可以表示为：式9通过这种方法，当外界温度高于阈值温度时，在考虑了建筑所在地理位置，当地日照条件影响，天气气象条件影响，楼层门窗位置日照条件影响，节能化改造后墙面反射率改善情况，以及墙面散热效果改善情况等多种因素影响下，可以计算出实际入射到室内的能量减少了多少。若空调制冷效率良好，设备能正常工作，那么当屋内温度恒定时，可以减少空调向屋内等额输出的制冷量，由此，可以计算出节能化改造后建筑每月节约的电能。
38.步骤七，根据每月每面墙体情况，计算该建筑全年节约电能（e，单位千瓦时），并进一步计算由节电带来的碳排放减少量。该建筑全年节约电量可通过各月各墙体累加计算获得，计算公式如式10所示。
39.式10碳排放的减少量主要是根据节约等量电能折算得到的，按照每节约1度电可减少0.785千克二氧化碳排放计算。因此，建筑进行节能化改造后，可因减少电能消耗降低的碳排放量为。
实施例
40.以常州市某住宅小区为例，具体说明本方法的计算过程：步骤一，该区域的经纬度坐标为33on，120oe，其2020年日照强度数据，月标准日照时长数据，日平均温度数据如表1和表2所示。
41.表1 常州市2020年日照辐射数据与标准日照时长数据表月份月平均短波辐射强度(ssr,w/m2)月标准日照时长(sd,h)181.8969.652128.65103.223152.91129.954205.3169.155219.38186.736197.83163.097159.41136.138183.35156.529181.6150.0710155.29132.1711109.2390.0112102.5687.87表2 常州市2020年日平均气温数据表步骤二，人最舒适的温度为20-24度，因此，设定楼内温度高于25oc时，屋内会开启空调制冷，因此，设定t0=25oc，由此计算出每月高于温度阈值的天数与温度系数，结果如表3所示。
42.表3 每月t》t0天数与温度系数月份t》t0天数(天)温度系数（δ
temp
）100.00200.00320.06460.20
5260.846280.937280.908311.009260.871030.101110.031200.00步骤三，根据当地建筑实际位置，利用建模模拟软件对该小区楼层建筑日照情况进行分析，具体来说，该小区周围有大量高层建筑，建筑之间的遮挡会影响采光，因此，需对小区整体及其周边建筑进行一同分析，其结果如图1所示。待改造小区为10号楼，根据模拟结果计算出不同楼面处墙体的日照系数，如表4所示。
43.表4 日照系数与墙面面积窗面id日照系数（δj）墙面面积（sj，m2）1（北）0.945287.002（东）0.311465.003（南）0.0653104（西）0.191340.005（顶）0.691200.00步骤四，根据现场实地采样，该建筑表面原始漆层已部分老化脱层。在现场获取部分漆面样品进行测试后得到其太阳光谱反射率为0.53，半球发射率为0.61。该建筑预改造方式为在老旧墙体表面重新涂刷市售easyto
®
金属热障涂层产品。对原始漆面表面重新涂刷后，测得其太阳光谱反射率达0.9，半球发射率为0.88。
44.常州市每年6、7、8三月气温最高，这三月对隔热需求也最高，其气温的平均值约为30度，因此，这里设定t
atm
=30℃。在该温度下测试得到t
coating
=25.2℃，温差达到4.8度。
45.步骤五，根据上述参数，改造前后，墙体样品太阳光反射率差值为0.37；改造前墙体样品的i
bb
(λ, t
coating
)与ε
atm
(λ) i
bb
(λ, t
atm
)数据结果如图2所示，p
rad-p
sky
结果如图3所示。改造后墙体样品的i
bb
(λ, t
coating
)与ε
atm
(λ) i
bb
(λ, t
atm
)数据结果如图4所示，p
rad-p
sky
结果如图5所示。由此可以最终计算出经过改造，墙体样品的p
nd
可由98.1 w/m2提升至155.3 w/m2，改造前后差值达57.2 w/m2。
46.步骤六，当地空调为一级能耗，eer按照国标取3.6，由此计算出整个建筑进行节能化改造后每月能节约的电费。考虑到楼内住户不满，以及在夏天并非所有住户都会开空调降温等因素，按照50%使用率进行保守估计，每月节能效果如表5和图6所示。
47.表5 每月节约电量月份节约电量（kw
•
h）10203904.2
44270.3520542.2618815.3713541.5818552.2915336.2101390.211277.6120步骤七，若对整个建筑进行节能改造，计算该建筑全年节约电能：=93629.7 kw
•
h，即每年可节约约94000度电，因节电带来每年的直接经济效益可达9万元，每年可减少约7.4吨二氧化碳排放，而一棵树每年可吸收约18.3千克二氧化碳，因此，对建筑物节能化改造后，相当于额外种植了约4030棵树。
48.以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。