集成建筑系统分析 可 持 续 建 筑 技 术 第9章 集成建筑系统分析.

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1 集成建筑系统分析 可 持 续 建 筑 技 术 第9章 集成建筑系统分析

2 9.1 建筑，建筑系统以及其相互作用 9.2 建筑性能评价工具 9.3 环境影响评估方法 9.4 可持续设计分析工具介绍 9.5 建筑成本评价

3 9.1 建筑，建筑系统以及其相互作用 9.1.1 提供一个安全、健康、舒适的环境 9.1.1.1 健康 1 空气传播型污染物
9.1 建筑，建筑系统以及其相互作用 9.1.1 提供一个安全、健康、舒适的环境 健康 1 空气传播型污染物 未被污染的空气主要由氮气和氧气组成，还有一小部分的二氧化碳和水蒸汽。室外空气可能会被工业、运输业和建筑供热系统等各种污染源所污染，而室内的空气除被这些污染源污染外，可能还会被很多的即将在以下部分中详述的污染物所污染。暴露在含有空气传播型的污染物的空气中会产生的后果与很多因素有关，包括： 污染物种类 污染物浓度 暴露时间 暴露人群的敏感性 2 温度 太高和太低的室内温度都会影响居住者的健康

4 建筑内的主要污染物及其污染源 污染物 建筑相关 居住者相关 室外空气 材料 人的活动 代谢过程 二氧化碳 取暖/烹调 呼吸 自然要素
集成建筑系统分析 建筑内的主要污染物及其污染源 污染物 建筑相关 居住者相关 室外空气 材料 人的活动 代谢过程 二氧化碳 取暖/烹调 呼吸 自然要素 一氧化碳 烟草/抽烟 工业/运输 氮氧化物 二氧化硫e 取暖 工业 臭氧 办公室机器 光化学作用 可挥发性 有机物 建筑围护结构 室内设备 油漆 颗粒物 （无生命的） 烹调 （有生命的） 霉菌滋生; 室内小灰尘 水蒸气 沐浴 气候相关 氡 下层土壤

5 集成建筑系统分析 舒适性 1 热舒适 人体会努力地将核心温度保持在很小的范围内。这就要求代谢过程产生的热量与散失到周围环境的热量平衡。后者包括很多个过程如下： 人体表面通过对流和辐射直接换热 由衣服导热换热然后对流和辐射到周围环境中去 皮肤出汗蒸发的潜热换热 呼吸造成的潜热和显热换热 活动量：活动量由代谢率来量化，代谢率即为身体的发热率 着装：着装热阻是所有衣服（超过一件）对换热的热阻，被定义为皮肤到衣服表面的固有热阻，不包括包围在着装人体表面空气层的热阻

6 周围温度：人体与环境的显热交换是同时有对流换热和辐射换热的复杂过程，取决于环境表面的温度、发射率，空气温度和局部对流换热系数。
集成建筑系统分析 周围温度：人体与环境的显热交换是同时有对流换热和辐射换热的复杂过程，取决于环境表面的温度、发射率，空气温度和局部对流换热系数。 舒适指数：前述的参数都是与研究围护结构内人体热平衡有关的，与人体热舒适感觉没有直接关系。 局部热舒适：PMV和PPD指数与人的整体对不舒适的热环境的感觉。那些因素都是具有局部效应的，因为有不均匀的冷却和加热： 局部风速高，或“气流” ，尤其是在暴露的身体表面（如脖子，脚踝） 非对称辐射，由于有比有效温度高或者低发表面或者有太阳直射而产生 垂直温度梯度，导致身体的末端有更高的热损失或得热 地板温度，导致局部传热加大

7 湿度：湿度是衡量空气中水蒸气的含量，通常用以下方式中的一种表达：
集成建筑系统分析 湿度：湿度是衡量空气中水蒸气的含量，通常用以下方式中的一种表达： “相对湿度”——空气中水的摩尔分数与同温度和大气压力下饱和空气中水的摩尔分数的比值，或者 “绝对湿度”——每单位的干空气中所含的水蒸气 2 采光 采光必须满足以下三个基本需求： 视觉舒适——创造一个愉快的环境 视觉功能——能使工作以适当的速度正确地进行 安全——使居住者安全地工作和活动 环境明亮程度由以下参数决定： 亮度：这是一个衡量的尺度，以 lux为单位，衡量照射到一个指定表面的光的数量。亮度有助于提高视觉的舒适性，因而视觉工作要正常进行需要足够的光线。 亮度分布：表面间的亮度分布会影响视觉舒适。 眩光：当一个表面的亮度超过了规定值时就会产生眩光，而且会导致不适（刺眼眩光）或者影响视觉（不刺眼眩光）。眩光用取决于亮度、光源、与观察者的夹角和背景照明的CIE统一眩光等级（UGR）衡量。UGR值越高，眩光就越严重。

8 光的方向性：光的方向性特征对确定视觉舒适时很重要，通常是直射光和散射光的结合可以提高最合适的环境。
集成建筑系统分析 光的方向性：光的方向性特征对确定视觉舒适时很重要，通常是直射光和散射光的结合可以提高最合适的环境。 光的呈现颜色和光的彩色重现：光的呈现颜色表示灯具发出的光看起来是“冷”的还是“暖”的。在低亮度下，暖的或者中等的灯具最适合。彩色重现是光源呈现出它原本的颜色的能力。彩色重现性不好的话会歪曲一些颜色。彩色重现性可以用CIE彩色重现指数（CRI）。CRI规定了灯产生的颜色与标准光源相对比的精确度，其值的范围是0-100。 闪光：灯源发出的光以特定的取决于供电的频率的变化，这可能并不舒服，并会使人注意力不集中以及产生眼疲劳和头痛，更有甚者，可能会使癫痫病人发病。 日光：可以由人工照明或者自然光提供，绝大多数人更喜欢自然光。

9 设计的建筑的结构和形式以满足上述的健康、安全和舒适的条件是可以实现的，必须满足以下一个或多个功能：
集成建筑系统分析 9.1.2 建筑系统功能 设计的建筑的结构和形式以满足上述的健康、安全和舒适的条件是可以实现的，必须满足以下一个或多个功能： 供暖 制冷 通风 采光 9.1.3 建筑与建筑系统的相互作用——案例 窗户面积对散热、得热和自然采光的影响 通过窗户的传热损耗远远大于不透明的墙体材料，但是由于围护结构上的玻璃窗受到太阳直射，可以在白天的某些时间大量地得热，从而补偿传热损耗。 新风对供暖和制冷负荷的影响 其中最常用的方法是用未被污染的室外空气稀释，有很多国内和国际的新风供应标准，基于人均需要或者是每平方米需要多少新风。室外的气候条件决定了建筑供暖和制冷负荷的增加量，这也就增加了能耗。

10 集成建筑系统分析 9.1.4 能耗 建筑设计小组要能够使用工具来评估设计时变换建筑形式、建筑材料、窗户面积和建筑系统所带来的影响，所使用的工具综合了各种能确定整体性能如室内环境和能耗的物理过程。这就需要一系列的工具来模拟性能。 9.1.5 模拟建筑和建筑系统性能 发展历史 二十世纪六十年代前这些工具就是由简单但能决定建筑热流的表示主要物理过程的数学公式组成，建筑热流包括通过围护结构的稳态热损耗，太阳得热等。这个时期的主要目的是得到最大负荷以确定供暖和制冷系统的大小。 20世纪60年代开始能计算建筑瞬态传热，包括围护结构的蓄热和散热，这被写入设计规范，主要以简单计算公式和查询表格的形式，给系统设计师和建筑设计师提供参考。 20世纪70年代的能源危机使人们开始关注建筑能耗，同时对建筑物理认识不断提高，计算机能力的提高也使得建筑的动态反应能够被模拟出来并开始使用简单的建筑系统模型。 20世纪80年代和90年代的重点是数字方法的应用，建筑与建筑系统的综合模拟。

11 设计前软件：这是相对简单的模拟软件，用来在设计过程中做一些早期的决定。
集成建筑系统分析 建筑模拟的类型 设计前软件：这是相对简单的模拟软件，用来在设计过程中做一些早期的决定。 详细的模拟程序：这是一个更高级的软件，更适合检查设计后期的施工设计的各方面，这个程序的使用要求使用者是专家。 综合数据交流：为了使更详细的模拟程序更好用以及更能与设计小组结合，开发了一系列的使用者友好界面。

12 集成建筑系统分析 9.1.6 建筑设计过程和模拟 简介

13 目标：这个阶段只知道大概的要求，即估计改变建筑整体特性对性能的影响：
集成建筑系统分析 概念设计 目标：这个阶段只知道大概的要求，即估计改变建筑整体特性对性能的影响： 达到正确的室内环境 预测能耗 机组的合适大小 可用的数据：这个阶段可用的信息通常很少，可能只有建筑的简单设计图，说明这建筑的大概要用途和主要空间的尺寸；以及建筑示意图，提供建筑围护结构、朝向和窗户等的一些粗略信息。因此常需要假定一些因素，如热负荷、使用时间等，其结果就是，用缺省值。 模拟：典型的模拟包括： 建筑的朝向队能耗的影响 确定供暖和制冷负荷 确定机组大小和占用空间 评价自然通风 输出数据 ：这个阶段的特殊输出值能让建筑师平衡可选择的方法和检查关键标准的灵敏性，这些标准是建筑师可能要做的某些选择的标准。

14 目标：初步设计是基于概念设计的，关于建筑系统的主要目标是比较备选设计方案，选出最适合在下阶段，即详细设计阶段使用的方案。
集成建筑系统分析 初步设计 目标：初步设计是基于概念设计的，关于建筑系统的主要目标是比较备选设计方案，选出最适合在下阶段，即详细设计阶段使用的方案。 输入数据：这个阶段典型的输入数据有： 初步建筑设计图 结构类型 开窗选择 遮阳选择 人员占有形式和预期的使用时间段 内部热负荷（人、设备等） 备选的HVAC系统方案 模拟：典型的模拟有： 典型房间的冷负荷计算 自然采光和人工照明 比较HVAC备选方案 空气渗透 室内小气候的满意程度

15 目标：在这个阶段建筑师的设计图已接近最终详图的尾声了，此时要找出合同的弱点，主要的要求是详细的建筑系统说明书，尤其是HVAC设备的说明书。
集成建筑系统分析 详细设计 目标：在这个阶段建筑师的设计图已接近最终详图的尾声了，此时要找出合同的弱点，主要的要求是详细的建筑系统说明书，尤其是HVAC设备的说明书。 输入数据：有详细的资料包括： 建筑师、结构工程师和其他人的详细设计 HVAC系统和设备的性能 部件的制造商数据 模拟：这个阶段用的模拟有： 空气处理机组核致冷设备的具体尺寸 风管、水管和空气末端装置的选择和尺寸 控制方案的选择 气流组织和舒适的详细评估 投标评估 目的：与竞争者比较能源经济性 输入数据：产品数据和最终的设计数据 模拟：比较备选空气处理机组的能耗; 投标的整个系统或子系统的能耗

16 目的：承包人对设备如风管和水管的选择和尺寸的确定 输入数据：可用的数据有： 建筑和系统的最终数据 产品资料 调试测试 模拟：典型的计算包括：
集成建筑系统分析 施功和调试 目的：承包人对设备如风管和水管的选择和尺寸的确定 输入数据：可用的数据有： 建筑和系统的最终数据 产品资料 调试测试 模拟：典型的计算包括： 水管和风管的控制和平衡计算 控制方案的影响

17 运行和维护 目标：为监视能耗和室内环境的比较提供基准 输入数据：建筑及其使用的实际数据 模拟：典型的模拟包括： 建筑年能耗和月能耗的模拟 模拟以辨别造成室内任何环境问题的原因 模拟以辨别系统运行的问题 模拟控制方案的可能变化

18 目标：确定系统的改善和建筑使用的改变产生的可能影响 输入数据：建筑及其使用的实际数据，以及计划的对建筑和机房的翻新 模拟：典型的模拟包括：
集成建筑系统分析 翻新 目标：确定系统的改善和建筑使用的改变产生的可能影响 输入数据：建筑及其使用的实际数据，以及计划的对建筑和机房的翻新 模拟：典型的模拟包括： 每个房间的环境条件 研究区域或者机房的变化 评估采取改善的节能措施后的耗能变化 9.1.7 建筑性能的建模 介绍 建筑能耗和环境建模主要有以下范围： 热分析——建筑 热分析——系统设计 气流组织

19 9.1.7.2 热分析——建筑 9.1.7.3 热分析——建筑系统 9.1.7.4 通风和空气流动 可以根据模型的复杂性来确定所用的模型：
集成建筑系统分析 热分析——建筑 可以根据模型的复杂性来确定所用的模型： (a) Elemental (b)稳态热损失 (c)准动态分析 (d)动态分析 热分析——建筑系统 (a)配置前系统 (b)准动态 (c)动态部件 通风和空气流动 (a)单区域模型 这是最简单的模型，建筑被定义为一个由外围护结构包起来的单个区域。 (b)多区域模型 多区域模型允许建筑有很多个通过空气道连接的区域

20 在早期建筑设计过程中的众多因素中，设计者关心的两点：
集成建筑系统分析 9.2 建筑性能评价工具 9.2.1初步设计工具 LT-method 在早期建筑设计过程中的众多因素中，设计者关心的两点： 建筑形状-其设计深度，朝向等; 正面设计;尤其是面的玻璃窗大小及其分布 HEED HEED是UCLA根据早期SOLAR-5软件而发展来的。利用逐次逼近法计算出一整年天气每天的小时热量平衡，并确定单个建筑区内部温度。

21 BREDEM一个简单的计算住房能源使用的程序，它是由bre从1980年连续发展而成的。它是以度日法（按月）为根据。
集成建筑系统分析 Energy-10 Energy- 10是由科罗拉多州建筑研发中心和热系统（国家可再生能源实验室）为了使建筑师找出最节能、高成本效益的方法设计低能耗的建筑物时研发的。它是用于小商业和住宅楼宇的一、两个热区。如果能给出建筑物位置、总建筑面积、类型，供暖、通风、空调系统等参数和大楼附近的天气数据，该软件就能快速评估出通过采用有效的节能策略 BREDEM BREDEM一个简单的计算住房能源使用的程序，它是由bre从1980年连续发展而成的。它是以度日法（按月）为根据。

22 9.2.2 建筑性能的详细模拟 DOE-2 DOE-2是一种根据给定的每小时气象资料、建筑概况、其暖通设备及使用情况来预测每小时的能源使用和能源成本的主要公共程序。 BLAST 建筑的负荷与系统热力分析（BLAST）最初由美国军队建筑工程研究实验室于1979年研发成，随后与伊利诺伊大学的机械工程联合研发。它是一个能估计并分析出几乎任何类型和大小的新建或改造建筑设计方案下的能源使用情况的软件程序。

23 EnergyPlus是基于BLAST 和 DOE–2两个程序发展起来。和它的母版程序一样energyplus是一个能源分析与热负荷模拟程序。
集成建筑系统分析 EnergyPlus EnergyPlus是基于BLAST 和 DOE–2两个程序发展起来。和它的母版程序一样energyplus是一个能源分析与热负荷模拟程序。 TRNSYS TRNSYS 1975年首次成为模拟瞬态性能热能系统的灵活工具并用于商业市场。 Trnsys是美国威斯康星大学-麦迪逊太阳能实验室和科罗拉多州立大学太阳能应用实验室一个联合项目而启动的。 ESP-r ESP-r从1974年以来已经得到不断的发展，它是一个综合性的模拟系统，可用于研究一系列建筑性能有关的问题，如：运行维护能耗，健康和舒适性，环境影响，系统运行和新技术的部署，在时间跨度上可以在秒钟内。

24 9.2.3 综合数据交换 COMBINE COMBINE（欧洲建筑行业计算机模型），早期为了方便建筑设备工程和能源的不同设计和分析程序之间的数据传输，它是欧洲资助的旨在尝试着解决该问题的研究计划。它是一个集成化的数据模型，提供了一个综合的能够与不同的仿真模型和CAD工具进行整和的环境。 RIUSKA RIUSKA是由芬兰Olaf Granlund Oy一个能源仿真程序开发的，同时与SMOG（综合仿真系统建设服务的设计程序）联合使用。SMOG是一个允许建筑及其服务的随时可视化需要的三维空间建模程序。

25 集成建筑系统分析 VisualDOE-2 VISUALDOE是一个为建筑行业设计人员提供了一个易于用户使用的DOE-2接口的商业软件。它提供了数据输入，输出处理和报告生成。它包含了大量的载有模板的暖通空调系统和中央工厂设备数据库，并允许设计者随时研究在给定的参考设计下潜在的节能措施的影响。 e-Quest e-QUEST不仅使用DOE-2，而且通过利用两个建筑创作向导（方案设计向导和设计开发向导）以及与能源效率措施向导联合而提供了一个便于使用的用户界面。 DesignBuilder DesignBuilder是一个能与energyplus进行接口的便于使用商业软件。在这里您可以以建筑模式工作，是一个便于使用建模环境。它提供了一系列的环境性能参数，如：能源消耗，内部舒适性数据和暖通空调组件的尺寸。

26 随着越来越多的仿真程序的出现，核实和验证软件呈现是很重要的。验证是指软件设计的完整和对建筑实际要求的真实性能模拟的验证能力。
集成建筑系统分析 9.2.4 软件的核实和验证 介绍 随着越来越多的仿真程序的出现，核实和验证软件呈现是很重要的。验证是指软件设计的完整和对建筑实际要求的真实性能模拟的验证能力。 BESTEST BESTEST是一个比较的方法，其结果是通过比较软件的测试结果而得到结论，最初是通过20世纪90年代七个主要仿真程序来预测一个相对简单的建筑物性能并进行广泛调查而得到的

27 9.2.5 建筑性能软件的使用 这部分的目的是为了引起人们对一些因素的注意，这些因素是设计小组在建筑模拟软件的使用过程中的。
9.2.5 建筑性能软件的使用 这部分的目的是为了引起人们对一些因素的注意，这些因素是设计小组在建筑模拟软件的使用过程中的。 辨别问题 主要的设计阶段如下图所示 程序清单 为了给设计小组提供一个规范，《CIBSE应用手册13》给设计程序提供了清单

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29 集成建筑系统分析 9.3 环境影响评估方法 9.3.1 生命周期评估 生命周期评估（LCA）研究一个产品在整个生命过程（一生）从原材料到生产、使用和弃置的潜在影响和环境方面。环境影响的种类需要考虑的包括使用源、人体健康和生态影响。 LCA的背景 60年代/70年代研究预言气候会改变，关注能源的使用 70年代出现“能源危机” 可口可乐公司集装箱比较 生态平衡 93SETAC定义LCA 93 ISO开发LCA标准

30 集成建筑系统分析 · 生命周期评估的ISO标准 ISO LCA—— 法则和结构 ISO LCA—— 目标，范围定义和目录分析 ISO LCA——生命周期影响评估 ISO LCA——生命周期解释 ISO LCA——数据文件形式 ISO LCA——应用ISO 14041的案例 9.3.2 生命周期评估的主要阶段 阶段1——确定目标和范围 1 产品系统 ISO 14041：产品系统是与中间产品结合的运行的集合，中间产品执行一个或多个功能。产品系统描述包括单元过程、元流、通过系统边界的产品流和系统内部的中间态产品流。 2 案例 建筑玻璃

31 集成建筑系统分析

32 生命周期分析（LCI）需要生命周期评估过程的数据收集和计算程序以量化产品相应的输入和输出。 LCI包括： 系统：建立生命周期树
集成建筑系统分析 阶段2——目录分析 生命周期分析（LCI）需要生命周期评估过程的数据收集和计算程序以量化产品相应的输入和输出。 LCI包括： 系统：建立生命周期树 确定系统边界：边界外就是环境，是所有输入的来源和输出的接收 数据收集 数据使用 描述通过系统边界的能源—原料流

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34 9.3.2.3 阶段3——影响评估 1. 分类和表征 分类:生命周期目录分析结果相关的每一个负担就是一种或多种环境影响种类
集成建筑系统分析 阶段3——影响评估 1. 分类和表征 分类:生命周期目录分析结果相关的每一个负担就是一种或多种环境影响种类 表征:每一个负担对任意一个环境影响种类的作用的评估只要将每个负担乘以一个相关的权重系数 2. 标准化 将结果标准化以得到评估结果在每一个环境种类中的相对重要性，例如计算系统的全球变暖潜力（GWP），可以用英国每年的气体释放量除以总的GWP便可以得到一个标准得分 。 3. 评价 每个影响种类的评价结果乘以每个不同影响种类的相对重要性权重系数。例如，假设全球变暖的重要性是光化学氧化作用的两倍，那么它们的权重比就是2：1。然后将每个影响种类的权重结果相加得到系统的环境影响总值。

35 集成建筑系统分析 4. 分类和表征的方法 标准量化法 生态指示法 EPS系统 “生态—点”法 阶段4——分析和解释 生命周期解释是辨认、估价和挑选产品和过程的可以改善环境选项，其目的是根据LCA前面阶段研究的发现分析LCA研究的结果、得出结论，并说明限制条件和提供建议。生命周期解释同时还要提供易懂、全面、相容的，与目标和范围定义研究一致的LCA研究结果

36 集成建筑系统分析 9.4 可持续设计分析工具介绍 9.4.1 介绍 随着生命周期分析用于评价建筑的环境影响，辅助可持续建筑设计、开发和评价的决策过程的工具开始得到进一步的发展和应用。 9.4.2 谁用工具 两种著名的使用者 执行评估工具者，称为“审核员” 谁需要结果，或者，使用结果作决定的人，称为“决策者” 9.4.3 可持续设计工具的类型 工具的功能？ 基于知识的工具 基于性能的工具 绿色建筑等级工具

37 9.5 建筑成本评价 建筑设计师现在都必须对他们的客户的需要和要求做出回应。现在的设计师都需要一套方法以分析建筑的总成本。
集成建筑系统分析 9.4.4 可持续建筑设计工具的适用性和国家的分类清单 9.5 建筑成本评价 9.5.1 介绍 建筑设计师现在都必须对他们的客户的需要和要求做出回应。现在的设计师都需要一套方法以分析建筑的总成本。 9.5.2 生命周期投资分析（LCCA） LCCA的目的是评估可供选择项目的整体成本，选出能保证提供最低整体投资并且高质量性能好的设备的设计。

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39 大量的投资都与获得、运行、维护和处置建筑或建筑系统有关。建造相关的投资可分为以下几类：
集成建筑系统分析 大量的投资都与获得、运行、维护和处置建筑或建筑系统有关。建造相关的投资可分为以下几类： 初投资 ：买地、设计、场地准备、获准、施工和安装，购买或假融资、酬金或收费 运行投资 ：出租、等级、能源和设备、供水、排水（污水和废水）、信息和交通系统、采光、供暖和制冷 管理投资：能源管理、水管理、建筑设备管理、废品管理、安全、健康和安全管理系统、风险管理、突发事件管理系统，管理和咨询费用 维护投资：装置和固定设备，结构的维护和替换，系统的维护和替换，土地和景观的维护，建筑运行的中断，检查和清洁 处置投资：垃圾处置，丢弃，毁坏和废品价值 其他：金融收费，保险投资，贷款利息返还

40 初投资可能包括买地、施工、翻新和运行设备所需的一些附属设备所需的所有投资。
集成建筑系统分析 9.5.3 生命周期投资分析的花费估计 初投资 初投资可能包括买地、施工、翻新和运行设备所需的一些附属设备所需的所有投资。 运行投资 运行的能源、水和其他设备的花费是以消费量、现金率和价格为基础的。因为能源，或在一定程度上水的消耗，建筑外形和建筑围护结构是相互依赖的，能源和水的消耗通常是将建筑看作一个整体而不是单个的建筑系统或部件而进行评估的。 维护和修缮投资 无燃料的运行投资，维护和修缮（OM&R）投资的评估一般比建筑其他的花费计算更难。每栋建筑的维护的标准和运行时间表都不同；就算是同一类建筑处于相同的年龄，花费也有可能差别巨大。因此做这类投资评估时使用工程判断显得尤为重要。