本发明涉及建筑节能，具体涉及一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法。
背景技术：
1、由于人口的增加，城市化、生活水平的提高、能源消耗快速增长。依据国际能源署的评估，若不采取提升能效的措施，到2040年全球总用能需求量将增加50％。全球能源需求可分为三部分，即交通，工业和建筑，其中建筑部门占比36％。其中建筑运行阶段的能耗最大。在所有建筑类型中医疗建筑的能耗强度最大，节能潜力较大。
2、在建筑部门，60％-80％的热负荷和冷负荷是由通过包络线的热转换引起的。研究表明通过改善建筑围护结构热工性能可以有效提高能源效率，进而达到节能的目的。建筑外围护结构包括窗户、屋顶和外墙，其中外墙是能量损失的重要部位，占总建筑能耗的25％-30％。因此，通过合理设置保温层提高建筑外墙的热工性能对实现建筑节能具有重要意义。目前，针对医疗建筑外围护结构的保温层设计研究很少。
3、随着外墙保温层厚度的增加，加热和冷却设备能耗降低，建筑运行成本降低，但是保温材料成本增加。如何在建筑能耗成本和保温材料成本之间找到一个平衡点，研究者常用生命周期成本分析法，使生命周期总成本最低，来确定最优的外墙保温厚度。生命周期成本分析法已被广泛应用在建筑项目和能源技术中，生命周期成本分析法可以表明，最初在额外的隔热材料上花费更多，以在建筑物的使用寿命内降低供暖和制冷成本。此外，生命周期成本分析法可以考虑影响绝缘材料和燃料成本的利息和通货膨胀的变化.
4、在已有研究中建筑的采暖和制冷能耗需求，常以程度天数或程度小时为依据进行计算。其中采用程度天数方法较多，在计算时分采暖程度天数和采暖程度天数，在采暖和制冷季节分别设定基本温度，以天为计算的基本单位。也有研究采用程度小时方法，与dd方法相似，主要区别是以小时为计算的基本单位。两种方法都假定建筑24小时不停运转，每时每刻都需要耗能，但是现实中建筑并非全部都24小时不停运转，依据建筑的功能类型不同，具体运行安排也不同。如住院楼则全天24小时不停运转，而门诊楼以白天运行为主，晚上8点以后停止运转。已有研究中的地方仅作为室外气象数据的依据，以此确定建筑所需的全年能耗，最终得到的最优外墙保温厚度适用于该地区的所有类型建筑。当然，部分研究考虑了建筑类型，但是仅以此为依据确定外墙基本构造，没有考虑建筑的具体运行安排。
5、已有研究中的基本温度都是静态的，假定全天24小时设定温度不变。针对中国的研究中，采暖季节温度均为18℃，制冷季节温度均为26℃。但是现实中建筑运行的温度有时是动态变化的，如门诊楼在采暖季节夜间不营业情况下为了保护内部仪器安全，设备系统依然运行，设定温度为5℃，温度全天变化依次为5℃，12℃，16℃，18℃，16℃，12℃，5℃。若采用已有研究方法全天18℃，得到的建筑能耗要比实际运行能耗大很多。另外，不同类型建筑由于功能不同，室内设定温度会有很大差别，如住院楼采暖季节的设定温度为22℃，若采用已有研究方法全天18℃，得到的建筑能耗要比实际运行能耗小。当计算的全年能耗不准确时，得到的最优保温层厚度也就不精确。因此，本文提出依据不同类型建筑的运行计划计算全年能耗值，分别确定最优外墙保温层厚度。
6、基于生命周期成本分析方法确定外墙最优保温层厚度的传统方法主要有两种：第一种方法是基于日度数dd，这种方法以全年为计算周期，以基本温度和室外日平均温度为依据得到全年的热负荷和冷负荷；第二种方法是基于时度数dh，这种方法也是以全年为计算周期，以基本温度和室外小时温度为依据得到全年的热负荷和冷负荷。以上两种方法的主要缺陷是：没有考虑建筑的实际运行安排，计算冷热负荷时过程均假定建筑全天24小时不停运转，但是很多建筑夜里是不运行的，如门诊楼，商城等，这就造成计算的冷热负荷与实际之间存在较大差距；另外，研究中用到的基本温度是静态的，假定全天的室内温度都是恒定不变的，这与实际不符，如门诊楼在采暖季节不同时段的基本温度是不同的，夜间温度仅为5℃，夏季不营业时间段空调是关闭的，此时不应计算冷负荷；最后，不同类型建筑的运行基本温度是不同的，传统方法没有考虑这个问题，均假定所有建筑类型的基本温度都是相同的。基于此，本文提出依据建筑的运行计划计算小时耗电，来确定最优的保温层厚度，这种方法依据建筑类型来分别计算最优保温层厚度，弥补了传统方法的缺陷。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法，解决现有方案中无法根据不同的建筑类型以及不同的温度调整建筑的保温外圈最优厚度的问题。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
3、一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法，包括以下步骤：
4、步骤一、根据医疗建筑所在地区气候确定建筑的主体结构材料以及医疗建筑设备系统实际运行的采暖时间和制冷时间；
5、步骤二、根据医疗建筑所在地区气候的室外气温以及制冷和采暖的基本温度计算制冷和采暖实际运行的总时间，医疗建筑分为门诊楼和住院楼；
6、步骤三、根据计算所得制冷和采暖实际运行的总时间，计算外墙的年冷热负荷量，得到全年能耗；
7、步骤四、依据全年能耗和保温材料成本进行全生命周期总成本计算；
8、步骤五、根据全生命周期的经济性分析结果确定最优外墙保温层厚度。
9、作为本发明进一步的方案：所述计算制冷和采暖实际运行的总时间具体方法为：
10、根据门诊楼与住院楼制冷和采暖设备运行时间的不同，设定基本温度恒定不变，通过以下公式计算制冷和采暖实际运行的总时间；
11、
12、
13、在上式中：cdh为制冷实际运行的总时间，hdh为采暖实际运行的总时间；tb是动态的基本温度，to室外气温，采用典型气象年室外逐时温度；nc制冷时间，单位为天；nh采暖时间，单位为天；tc制冷设备每天的运行时间，单位为小时，非运行时间不计算热负荷；th采暖设备每天的运行时间，单位为小时，非运行时间不计算热负荷；括号上方的+号表示只计算正值。
14、作为本发明进一步的方案：所述计算外墙的年冷热负荷量中，制冷时间以全空气空调系统为主，消耗能源电能；采暖季以燃气锅炉为热源，消耗能源为天然气，全年能耗的计算根据制冷和采暖的耗能类型分别计算。
15、作为本发明进一步的方案：所述计算外墙的年冷热负荷量，得到全年能耗具体方法为：
16、首先计算外墙的热阻值和传热系数，计算公式为：
17、r＝ri+rw+rins+re (3)
18、在式(3)中：r是外墙总热阻值，rw表示没有保温层的外墙层的热阻，rins表示保温层的热阻，ri和re表示墙内侧和外侧的热阻；
19、令rwt＝ri+rw+re,通过以下公式计算外墙的总传热系数u：
20、
21、
22、
23、在式(5)中，δu为非隔热墙和隔热墙的总传热系数之差；
24、在式(6)中，x是保温层厚度，λins是保温层的导热系数；
25、根据外墙的总传热系数u计算全年的制冷和采暖能耗；
26、外墙单位面积的热损失计算如下式：
27、q＝u×(tb-to) (7)
28、在式(7)中，q为通过单位面积的热传递量，tb是基本温度，to是室外空气温度；
29、年制冷和采暖能耗分别为：
30、
31、
32、在式(8)和式(9)中，eer是冷却系统的能效，η是供暖系统的能源效率，μf是燃料的低热值。
33、作为本发明进一步的方案：所述全生命周期总成本为计算外墙增加保温层后建筑的运行成本，其中运行成本包括建筑能耗成本和保温材料成本，建筑的能耗成本分为年能耗成本和生命周期能耗成本。
34、作为本发明进一步的方案：所述年能耗成本计算方法为：
35、根据建筑的年制冷和采暖能耗计算总能耗，计算公式如下：
36、
37、
38、在式(10)和式(11)中，ce为用电价格，cf为燃气价格，全年的总能耗是cc,h和ch,h的和；
39、则设置保温层后的建筑年能耗节约成本se,h的计算公式如下：
40、
41、作为本发明进一步的方案：所述生命周期能耗成本包括生命周期能源成本p1和生命周期支出成本p2，其中生命周期能源成本p1的计算公式为：
42、
43、在式(13)中，pwf是现值因子；i为市场贴现率；d为通货膨胀率；ne为分析周期；
44、生命周期支出成本p2的计算公式为：
45、
46、在式(14)中，d是首付款与初始投资的比率；ms是第一年杂项成本与初始投资的比率；rv是分析期结束时转售价值与初始投资的比率；nl为贷款期限；nmin是抵押贷款付款对分析期的贡献年限；
47、生命周期总成本的计算为建筑能耗成本与保温材料成本之和，其计算公式如下：
48、
49、在式(15)中，cl,h为生命周期总成本，cins为保温材料成本，其通过公式cins＝ci×x计算得出，其中ci为保温材料价格，x为保温层厚度。
50、作为本发明进一步的方案：所述确定最优外墙保温层厚度和对应的投资回收期具体方法为：生命周期总成本包含保温材料成本和建筑能耗成本两个方面，其中随着保温厚度的增加材料成本不断增大，而建筑能耗成本不断降低，最优厚度则当保温层的设置厚度达到某一点时，总成本最小，此点即为最优保温层厚度，即令生命周期总成本cl,h取最小值，得到最优外墙保温层厚度xop,h，具体计算公式如下：
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52、本发明的有益效果：
53、(1)本发明采用动态的计算方法，依据建筑的运行计划确定最优保温层厚度，得到的结论更符合实际，可以为不同类型建筑的节能设计提供指导，依据建筑的能耗大小确定保温层设置的优先次序，先考虑能耗大的建筑，再考虑小的建筑，这样更有利于总体的节能。
54、(2)着保温材料厚度的增加总节能不断变化，总体而言，可分为三个变化阶段：第一阶段是剧烈增速期，在一定范围内随着保温厚度的增加总节能成本快速的增加；第二阶段是平缓增速期，随着保温厚度的增加节能量增加缓慢，当厚度达到一个临界点时节能成本达到最大值；第三阶段是平缓减速期，越过节能量的极值点后，随着厚度的增加建筑能耗成本降低的很少，而保温材料成本始终线性增加，导致总节能成本开始下降；总节能成本最大时，对应的保温层厚度是最优值，可以依据总节能量大小来确定不同功能建筑设置保温材料的优先次序，实现对外墙成本的最大节约。
1.一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法，其特征在于，所述计算制冷和采暖实际运行的总时间具体方法为：
3.根据权利要求2所述的一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法，其特征在于，所述计算外墙的年冷热负荷量中，制冷时间以全空气空调系统为主，消耗能源电能；采暖季以燃气锅炉为热源，消耗能源为天然气，全年能耗的计算根据制冷和采暖的耗能类型分别计算。
4.根据权利要求3所述的一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法，其特征在于，所述计算外墙的年冷热负荷量，得到全年能耗具体方法为：
5.根据权利要求4所述的一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法，其特征在于，所述全生命周期总成本为计算外墙增加保温层后建筑的运行成本，其中运行成本包括建筑能耗成本和保温材料成本，建筑的能耗成本分为年能耗成本和生命周期能耗成本。
6.根据权利要求5所述的一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法，其特征在于，所述年能耗成本计算方法为：
7.根据权利要求6所述的一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法，其特征在于，所述生命周期能耗成本包括生命周期能源成本p1和生命周期支出成本p2，其中生命周期能源成本p1的计算公式为：
8.根据权利要求7所述的一种医疗建筑最优外墙保温厚度确定方法，其特征在于，所述确定最优外墙保温层厚度和对应的投资回收期具体方法为：生命周期总成本包含保温材料成本和建筑能耗成本两个方面，其中随着保温厚度的增加材料成本不断增大，而建筑能耗成本不断降低，最优厚度则当保温层的设置厚度达到某一点时，总成本最小，此点即为最优保温层厚度，即令生命周期总成本cl,h取最小值，得到最优外墙保温层厚度xop,h，具体计算公式如下：
