Effective evaluation  on  the  thermal  performance  of  envelope  plays  an  important  role  towards  the  reduc-tion  of  energy  consumption  for  space  cooling  and  heating.  In  order  to  calculate  the  energy  consumptionfor cooling  and  heating  and  assess  the  whole  energy  efficiency  of  envelop  designs,  a  new  evaluation  indexon  energy  and  thermal  performance  for  office  building  envelop  (EETPO)  is  put  forward.  Three  cities  ofShenyang,  Wuhan and  Guangzhou  in  China  are  selected  for  EETPO  analysis,  which  represent  the  coldzone,  hot  summer  cold  winter  zone  and  hot  summer  warm  winter  zone,  respectively.  The  regressionequations between  EETPO  and  energy  use  for  cooling/heating  are  studied  in  three  cities,  illustrationsindicate  that  the  regression  lines  fit  extremely  well  and  the  algorithm  is  accurate  and  simple.  Accordingto the compulsory  indices  stipulated  by  standard  (GB50189-2005),  the  maximum  allowable  values  ofEETPO  are  determined  in  three  cities,  the  maximum  EETPOc in  cooling  period  is  1.750  W/m3 K  in  Wuhanand  1.733  W/m3 K  in  Guangzhou,  the  maximum  EETPOh in  heating  period  is  0.200  W/m3 K  in  Shenyangand  0.414  W/m3 K  in  Wuhan.  This  index  and  energy  use  calculation  method  can  help  designers  to  eval-uate  the  whole  energy  and  thermal  performance  of  the  proposed  envelopes  and  analyze  energy  savingeffects  for  different  energy  conservation  measures.29859
1.  IntroductionThe  energy  demand  in  China  is  rapidly  growing  due  to  theincreasing  population,  urbanization  and  the  improvement  of  livingstandards.  China’s  buildings  sector  currently  accounts  for  27.6%  oftotal  energy  use  and  is  projected  to  increase  to  35%  by  2020  [1,2].There  is  a  growing  concern  about  energy  consumption  in  buildingsin  China,  especially  for  the  office  buildings.  The  energy  consump-tion  of  cooling  and  heating  accounts  for  a  large  proportion  of  thetotal  energy  use  in  office  buildings,  surveys  showed  that  the  pro-portions  are  30–60%  in  July  and  August  for  4  typical  office  buildingsin  Hong  Kong  [3],  24–54%  for  105  office  buildings  in  Beijing  city  [4],the  average  proportion  is  34.3%  for  198  high  rise  office  buildingsin  Shenzhen  city  [5],  and  44.0%  for  3  government  office  buildingsin  Wuhan  city  [6].  The  proportion  is  projected  to  increase  year  byyear,  so  energy  conservation  for  space  cooling  and  heating  of  officebuildings  has  become  an  important  part  of  national  energy  strategy. Building  envelopes  are  the  interface  between  indoor  and  theoutdoor  environment  which  affect  the  indoor  heat  gain  and  heatloss.  Data  shows  that  20–50%  of  the  cooling  and  heating  energyconsumption  is  caused  by  the  envelope  [7],  evaluation  on  energyand  thermal  performance  of  building  envelope  plays  an  importantrole  towards  the  reduction  of  energy  consumption  for  space  heat-ing  and  cooling.  In  response  to  the  continuous  increase  in  energyuse  of  office  building  sector,  the  government  introduced  legislativecontrol  of  the  envelope  designs  for  office  buildings,  the  nationalstandards  for  energy  efficiency  named  “design  standard  for  energyefficiency  for  public  buildings  (GB50189-2005)”  [7]  and  “design  codefor  office  building  (JGJ67-2006)”  [8]  were  continuously  launched.  Thecontexts  about  the  envelope  designs  of  office  building  are  identicalin  the  two  standards.  Two  types  of  evaluation  indices  on  energy  andthermal  performance  of  envelopes  are  included,  one  is  compulsoryindex,  and  the  other  is  annual  energy  consumption  index  based  onenergy  simulation  tools.  Compulsory  index  gives  a  set  of  alternatecomponent  packages  concerning  different  climatic  characteristicsfor  the  standard  to  determine  the  design  criteria  of  building  enve-lope  components,  such  as  the  fenestration  and  opaque  envelope,maximum  allowable  heat  transfer  coefficient  and  shading  coeffi-cient  can  be  selected  from  the  alternate  component  packages  withrespect  to  different  areas  of  fenestration,  the  maximum  allowable heat  transfer  coefficient  can  be  selected  with  respect  to  differentbuilding  shape  coefficients  (such  as  severe  cold  and  cold  zones).This  method  provides  a  simple  and  easy  means  of  compliance,and  allows  some  design  flexibility  by  providing  trade-offs  betweensome  factors  within  fenestration  and  exterior  walls/roof  [9].  If  thethermal  performance  of  the  building  envelope  cannot  meet  thecompulsory  requirements,  the  annual  energy  consumption  indexbased  on  energy  simulation  tools  is  used  to  assess  the  energyefficiency.  This  approach  stipulates  the  maximum  allowable  heat-ing/cooling  energy  consumption  of  a  building  in  comparison  to  abaseline  case  based  on  energy  simulation  tools.  The  baseline  casediffers  for  different  climate  zones  in  China  which  is  classified  bysevere  cold  and  cold  zone,  hot  summer  cold  winter  zone,  and  hotsummer  warm  winter  zone.  The  energy  consumption  of  proposedbuilding  must  be  lower  than  the  standard  energy  consumption  ofbaseline  case.  This  method  provides  even  greater  flexibility  of  enve-lope  design  for  the  designers  to  achieve  overall  building  energyefficiency,  it is  suitable  for  projects  with  innovative  designs  orthose  intended  to  use  energy  simulation  programs  to  determinealternatives.Obviously,  there  is  a  lack  of  effective  performance  index  in  Chi-nese standards,  which  focuses  on  the  minimum  requirement  of  thewhole  envelope  thermal  performance.  Performance  index  allowsdesigners  greater  flexibility  than  the  compulsory  index  in  select-ing  variables  and  tends  to  encourage  more  innovative  buildingdesigns.  The  typical  performance  indices  include  Overall  Ther-mal  Transfer  Value  (OTTV),  Perimeter  Annual  Load  (PLA),  Envloadindex,  and  so  on.  The  overall  thermal  transfer  value  (OTTV)  con-cept  was  introduced  in  the  ASHRAE  Standard  90A-1980  by  theAmerican  Society  of  Heating,  Refrigerating  and  Air-ConditioningEngineers  [10],  the  OTTV  is  a  measure  of  average  heat  gain  trans-ferring  into  a  building  through  the  building  envelope,  it  can  beadopted  for  comparison  of  thermal  performance  among  differentbuilding  designs  [11],  two  equations  for  calculating  OTTV  of  exter-nal  walls  (OTTVw)  and  of  the  roof  (OTTVr)  were  recommended  bythe  ASHRAE  Standard  90A-1980  and  the  Hong  Kong  Code  of  Practice[12].  Some  Southeast  Asian  Nations  like  Malaysia  [13],  Philippines[14]  and  Thailand  [15]  also  introduced  this  index  in  building  energycodes.  PLA  proposed  by  Japan  government  is  the  total  annual  cool-ing  and  heating  load  in  perimeter  of  building  per  unit  floor  areas,the  perimeter  of  building  refers  to  the  perimeter  spaces  within  5  mof  exterior  wall  and  the  whole  top  floor.  It  includes  the  heat  conduc-tion  through  envelope  caused  by  indoor  and  outdoor  temperaturedifference,  solar  radiation  heat  gain,  fresh  air  load  and  indoor  heatgain  [16].  The  Envload  index  is  the  cooling  requirement  of  per  unitbuilding  area  which  is  used  in  Taiwan  from  1990s  [17],  it  is  a  regres-sion  equation  involved  the  parts  of  heat  transfer  through  envelope,solar  radiation  heat  gain  and  indoor  heat  gain.  Two  meteorologi-cal  variables  and  three  architectural  design  variables  are  included[18].  For  the  existed  performance  indices,  the  trade-offs  of  thesedesign  variables  between  fenestration  and  exterior  walls/roof  arepossible,  however,  all  of  them  are  incapable  of  revealing  the  effectof  building  shape  coefficient  on  energy  consumption.There  is  an  urgent  need  to  develop  an  appropriate  performanceindex  in  the  China  context  for  the  evaluation  of  the  whole  ther-mal  performance  of  office  building  envelope  and  the  prediction  ofenergy  use  at  the  early  stage  of  architectural  design.  The  object  ofthis  study  is  to  provide  a  new  index  for  the  evaluation  on  energyand  thermal  performance  of  office  building  envelope  named  EETPO.EETPO  index  is  defined  as  the  average  heat-transfer  rate  throughbuilding  envelope  per  unit  building  volume  and  per  unit  indoor  andoutdoor  temperature  difference  during  cooling  or  heating  period.  Itregards  the  envelope  as  a  system  and  focuses  on  the  whole  thermalperformance  of  the  building  envelope,  the  most  advantage  is  thatthe  effect  of  building  shape  coefficient  on  the  energy  efficiency  ofthe  envelope  can  be  reflected. Three  cities  of  Shenyang,  Wuhan  and  Guangzhou  located  at  thenorthern,  central  and  southern  China  are  selected  for  EETPO  anal-ysis,  they  represent  the  severe  cold  zone,  hot  summer  cold  winterzone  and  hot  summer  warm  winter  zone,  respectively.  The  correla-tions  between  EETPO  and  electricity  consumption  for  cooling  andheating  of  the  selected  cities  are  studied,  and  the  maximum  allow-able  values  when  just  meeting  the  compulsory  indices  of  standard(GB50189-2005)  are  calculated.  The  results  have  important  mean-ings  to  carry  out  the  effective  evaluation  on  energy  and  thermalperformance  of  office  building  envelope  and  achieve  the  sustain-able  building  envelope  designs.2.  MethodThe  heat  gain  through  the  envelope  include  four  parts,  the  heattransfers  of  walls,  roof  and  windows  caused  by  indoor  and  outdoortemperature difference,  and  the  solar  radiation  heat  gain  throughthe  windows.  So  the  thermal  performance  of  envelope  is  decided  bythe  heat  transfer  rate  and  solar  radiation  heat  gain  through  enve-lope,  the  average  rate  of  heat  gain  in  cooling  period  (Qc,  W)  and  heatloss  in  heating  period  (Qh,  W)  caused  by  building  envelope  can  becalculated  by:n where,  k  is  the  heat  transfer  coefficient  (W/(m2/K));  f  is  area  (m2); TD  is  the  equivalent  temperature  difference  between  outdoorand  indoor  conditions  considering  the  effect  of  solar  radiation  (K).The  first  term  and  second  term  in  Eq.  (1)  are  the  average  ratesof  heat  gain  through  wall  (Q,w)  and  roof  (Qf)  in  cooling  period,respectively,  and  those  in  Eq.  (2)  are  the  average  rates  in  heat-ing  period;  taking  Q,w for  example,  the  value  is  equal  to  the  heatgain  absorbed  by  the  external  finish  of  wall  which  can  be  expressedas:  Qw = [hout (tout −  tw)  +   I  −  Qlw] •  f  ,  here,  hout is  the  convectiveheat  transfer  coefficient  (W/(m2/K)),  tout and  tw are  the  outdoortemperature  and  the  wall  surface  temperature  (◦C),  respectively,   is  the  absorption  coefficient  of  solar  radiation,  I  is  the  solar  radia-tion  intensity(W/m2),  Qlw is  the  difference  of  long  wave  radiationbetween  the  external  surface  and  the  surrounding  objects  (W/m2),it  can  be  ignored  for  vertical  surfaces,  such  as  the  walls;  the  aver-age  rate  of  heat  gain  of  wall  or  roof  is  mainly  affected  by  the  solarradiation  and  the  outdoor  temperature,  it  can  be  calculated  bysimulation  program,  then  with  the  given  areas  and  heat  transfercoefficients,  the  equivalent  temperature  differences  of  different  ori-entations  and  horizontal  roof  can  be  back-calculated  by  equation: TD  =  Q/(k  ×  f  ).   T  is  the  indoor  and  outdoor  temperature  differ-ence  (K);  q  is  the  standard  solar  heat  gain  factor,  which  is  the  solarheat  gain  through  a  3  mm  normal  glass  per  unit  area  (W/m2);  SC  isthe  overall  shading  coefficient  of  external  window  (SC  =  SCg ×  SCs);SCg is  the  shading  coefficient  of  glazing;  SCS is  the  shading  coef-ficient  of  shading  system;  n,  m  are  the  numbers  of  external  wallsand  windows,  respectively;  subscripts  w,  r,  g  mean  external  wall,roof  and  external  window,  respectively;  subscript  i  represents  the different  orientations;  subscripts  c,  h  stand  for  cooling  period  andheating  period.The  average  heat  transfer  coefficient  (kavg,  W/(m2/K))  can  beused  to  calculate  the  total  heat  transfer  through  the  envelope,which  depends  on  the  properties  of  the  wall/roof/window  and  theirsurface  characteristics,  it  is  equal  to  the  ratio  of  total  heat  transferthrough  envelope  to  the  corresponding  surface  area,  and  it  can  becalculated  by  follows:kavg =  ni=1awikwifwi+  ar kr fr + mi=1kgifgi  fr + ni=1fwi+ mi=1fgi  (3)Considering  the  effect  of  building’s  shape coefficient,  heat  trans-fer  volume coefficient  (kV,  W/(m3/K))  and  solar  heat  gain  volumefactor  (qV,  W/m3)  are  defined  as  the  following  equations:kV =  kavg ×  B  =  ni=1awikwifwi+  ar kr fr + mi=1kgifgi V(4)qV = mi=1qi×  SCi×  fgiV(5)where,  B  is  the  shape  coefficient  (B  = fr + ni=1fwi+ mi=1fgi /V,m−1),  V  is  the  building  volume  (m3);  a  is  equivalent  temperaturedifference  coefficient  which  is  the  ratio  of   TD  to   T;  Therefore,  thecooling  electricity  consumption  (Ec,  kW  h)  and  heating  electricityconsumption  (Eh,  kW  h)  caused  by  envelope  can  be  written  as  thefollowings:Ec = Es −  E1 =  Qc ×  cEER×  10−3(6)Eh =  Ew −  E2 =  Qh ×  h ×  10−3(7)where  Es and  Ew are  the  total  electricity  consumptions  for  cool-ing  and  heating  in  cooling  season  and  heating  season,  respectively(kW  h);  E1,  E2 are  the  electricity  consumptions  for  cooling  and  heat-ing  cased  by  base  loads  (air  exchange  and  indoor  heat  gain  such  asoccupants,  equipment,  lighting  etc.),  respectively;  Qc is  the  aver-age  rate  of  heat  gain  in  cooling  period  (W),  Qh is  the  average  rateof  heat  loss  in  heating  period  (W);   c and   h are  the  cooling  andheating  hours,  respectively  (h),  EER  and     are  the  seasonal  energyefficiency  ratio  for  cooling  and  heating  system,  respectively.  EETPO(W/(m3 K))  is  defined  as  the  heat  transfer  rate  through  buildingenvelope  pided  by  building  volume  and  temperature  differencebetween  outdoor  and  indoor  conditions,  four  parts  are  includedwhich  are  the  heat  transfers  through  the  wall,  roof  and  windowcaused  by  indoor  and  outdoor  temperature  difference,  and  the  solarradiation  heat  gain  through  the  window,  respectively.  The  evalu-ation  on  energy  and  thermal  performance  of  envelope  in  coolingperiod  EETPOc and  that  in  heating  period  EETPOh can  be  calculatedby  the  following  equations: The  total  electricity  consumption  per  unit  volume  (includingthe  envelope  load  and  the  base  loads)  in  the  cooling  and  heatingperiods  can  be  calculated  by  the  EETPOc and  EETPOc as  the  followsaccording  to  Eqs.  (6)  and  (7):EsV=   Tc  ×  cEER×  10−3×  EETPc + E1V=  b1 ×  EETPc + E1V(10)EwV=   Th ×  h ×  10−3×  EETPh + E2V=  b2 ×  EETPh + E2V(11)where  b1,  b2 are  the  gradients  and  indicate  the  electricity  use  dueto  building  envelope  load  for  per  unit  increase  in  the  EETPOc andEETPOh;  E1/V  and  E2/V  are  the  electricity  consumptions  of  baseloads  per  unit  building  volume  in  cooling  period  and  heating  period,respectively;  if  the  densities  of  base  loads  (air  exchange  and  indoorheat  gain  such  as  such  as  occupies,  equipment,  lighting  etc.)  aresupposed  to  be  fixed  values  during  cooling  and  heating  periods,E1/V  and  E2/V  are  the  constants.EETPO  index  is  a  performance  index  which  is  used  to  evalu-ate  the  whole  energy  and  thermal  performance  of  office  buildingenvelope.  It  regards  the  whole  envelope  as  a  system  instead  ofstanding  on  points  of  each  component  of  building  envelope.  Besidesmeteorologic  parameter,  the  geometric  parameters  and  thermalparameters  of  the  building  envelope  are  included,  such  as  the  shapecoefficient  of  building,  the  areas  of  roof/wall/window,  the  heattransfer  coefficients  of  external  wall/roof/window,  the  solar  radia-tion  absorptance  (SRA)  of  external  wall/roof,  the  shading  coefficientof  the  window,  and  so  on;  the  EETPO  also  can  be  expressed  by  thewindow-to-wall  area  ratio  (WWR).  The  meteorological  parametersincluded  in  the  expression  of  EETPO  are  determined  based  on  thecooling  and  heating  periods.3.  Calculation  of  EETPO  parametersEETPO  index  includes  four  types  of  parameters;  the  first  typeis  the  geometry  parameter  of  envelope,  including  the  area  of  eachcomponent  (WWR),  the  building  shape  coefficient  and  the  build-ing  volume;  the  second  type  is  the  thermal  parameter,  such  as  theheat  transfer  coefficients  of  external  wall,  roof  and  window,  theSRA  of  external  wall  and  roof,  the  shading  coefficient  of  the  win-dow;  the  third  type  is  the  climate  parameter  based  on  the  coolingand  heating  periods,  including  cooling/heating  hours,  the  indoorand  outdoor  temperature  difference,  standard  solar  heat  gain  factorand  equivalent  temperature  difference;  the  fourth  type  is  relatedto  energy  efficiency  of  the  cooling/heating  equipment.  Parametersof  equivalent  temperature  difference   TD,  standard  solar  heat  gainfactor  q  and  shading  coefficient  of  shading  system  SCs referred  bythe  EETPO  can  be  back-calculated  by  the  energy  simulation  toolduring  cooling  and  heating  periods.3.1.  Simulation  program  eQUESTeQUEST  is  an  easy  building  energy  analysis  program  which  pro-vides  high  quality  results  by  combining  a  building  creation  wizard,an  energy  efficiency  measure  wizard  and  a  graphical  results  displaymodule  [19].  The  simulation  engine  within  eQUEST  is  derived  fromthe  latest  official  version  of  DOE-2,  but  extends  and  expands  DOE-2’s  capabilities  in  several  important  ways,  including  interactiveoperation,  dynamic  and  intelligent  defaults,  and  improvements  tonumerous  long-standing  shortcomings  in  DOE-2  that  have  limitedits  use  by  mainstream  designers  and  buildings  professionals  [20].Study  on  the  comparison  of  the  annual  cooling  and  heating  electric-ity  consumption  using  DOE-2  and  harmonic  reaction  analysis  haddemonstrated  that  the  results  calculated  by  the  two  methods  arethe  same;  this  result  demonstrates  that  DOE-2  is  suitable  to  ana-lyze  envelope  dynamic  thermal  performance  and  annual  energy摘要 办公楼围护结构的能源和热性能英文文献和中文翻译:http://www.751com.cn/fanyi/lunwen_25288.html