建筑能耗模拟软件的特点及应用中存在的问题[摘要]本文对现有主要建筑能耗模拟软件的特点进行了介绍,在此基础上,结合，他人的实际应用经验,分析了专业人员在软件应用中经常遇到的问题,最后对建筑能耗模拟软件的发展提出了一些建议。

[关键词]建筑能耗;建筑节能;模拟软件[Abstract]In this paper, the character is tic soft current main energy consumptions imulation software were first lying troduced. And then, with the others’ experience, the common problems occurred during the application process were analyzed. Finally, some suggestions on development of building energy consumption simulations of tware were presented.[Keywords]building energy consumption, building energy efficiency, simulation software一、建筑能耗模拟软件的目的和使用意义目前,建筑节能已经成为一个越来越重要的热门话题。

建筑能耗模拟软件在建筑节能领域中也发挥着越来越重要的作用。

由于建筑的热湿过程以及建筑热工部件机理的复杂性,相应的热工计算复杂,计算量巨大。

只有通过计算机这个能够在短时间内大量重复人脑活动的工具,才可能完成这样复杂的运算。

因此,在进行建筑能耗计算时,能耗模拟软件具有不可替代的作用。

在使用这些软件之前,首先应该了解软件的主要用途和目的,主要包括如下4方面。

1)建筑负荷和能耗的模拟:为后续的节能设计、节能评估、节能审计以及节能措施的制定提供参考。

2)优化分析:通过不同工况的模拟,进行围护结构、设备、暖通空调系统、控制系统和控制策略等的优化,得出最佳结果;同时还可以进行各种方案的比对,通过经济性分析得出最佳方案。

3)设备与系统各种运行状况的预测:在内外扰动等复杂因素的作用下,系统中参数的变化很复杂。

通过建筑能耗模拟软件能够比较方便地预测各种工况下的系统参数。

4)为节能标准和规范的制定和实施提供辅助作用:《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134-2001)中明确规定采用DOE-2软件作为建筑节能设计的节能综合性能指标的计算工具。

二、建筑能耗模拟软件简介目前建筑能耗模拟软件在实际中获得广泛的应用。

按照这些软件的功能可将它们大致分为两类: 基于建筑热过程模拟的建筑能耗模拟软件和基于建筑节能标准审核的一致性评估软件。

由于节能标准的实施直接建立在建筑能耗模拟的基础上, 因此国外不同的建筑、能源机构基于各种节能标准制定了相当多的模拟软件。

各类软件由于数学模型、编程语言、使用对象、主要功能和实现目的不同, 在实际使用中表现出很大的差别, 以下介绍两类常用的软件。

1、建筑能耗模拟软件Energy Plus 是由美国能源部和高等院校联合开发的建筑模拟软件, 其基于热平衡法并且可以对建筑物和 HVAC系统进行同步的仿真计算。

能够进行多区域气流分析、太阳能利用方案设计及建筑热性能研究。

具有简单的输入、输出文件, 可供电子数据表做进一步的分析; 提供了即时的关键词解释, 使得操作变得更加简单。

但它对建筑的描述过于简单,输出文件不够直观, 需经过电子数据表做进一步处理。

Energy-10 由美国可持续建筑工业委员会主持开发, 可以进行方案设计阶段的建筑能耗评价, 逐时空调能耗分析和照明计算。

其适用于住宅建筑和小型商业建筑, 提供了12 种 HVAC系统选择方案。

输出为当前方案与标准方案 (共有12 种能量效率策略)的对比汇总图表, 有 27 种图形表达方式, 也可生成详细的报表。

使用快速、准确、易于操作、能自动生参考方案和最低能耗方案、自动调节 HVAC系统, 使其满足设计日负荷的需求; 可以提供参考方案及方案的优劣排序; 但它对建筑描述简单, 只能用于小型建筑和简单的 HVAC系统。

ESP-r 由英国斯特拉思克莱德大学机械学院开发。

该软件基于热网法, 可对影响建筑能源特性和环境特性的因素做深入的评估。

具有图形用户界面, 内置AUTOCAD绘图插件( 可直接导人 AUTOCAD文件), 对 HVAC系统有详细的描述。

该软件除了具有 Energy Plus 所拥有的特点外,还具有一些非常先进的特点,如两维和三维热传导、综合计算流体动态分析、湿度传输和霉菌生长、相变材料以及光电系统 / 功率通量模拟等。

因此它比较接近实际, 可做整体性的评价, 模拟和分析当前比较前沿或创新的技术; 但它要求操作人员须对专业知识有较深入的理解。

TRNSYS采用了模块化的思想。

每个模块代表一个小的系统、设备或者一个热湿处理过程。

它采用“黑盒子”技术封装了计算方法,使得用户把主要精力放在模块的输入和输出上,而不是组件的内部。

这些模块可以很方便地搭建组成各种复杂系统；具有十分强大的模拟控制器的功能,可以十分精确地模拟各种控制方式。

由于TRNSYS立足于系统而不是建筑,它在模拟系统、设备和控制方式的最优化问题以及系统中参数监测等问题时相对于EnergyPlus和DOE-2这些立足于建筑的软件是有优势的；开放式的结构,用户可以根据自己的实际情况在它提供的平台下编写并改进组件嵌入到TRNSYS中完成模拟,而且它与很多专业软件,如EES、GenOpt、RansFlow、COMIS和CONTAM等都可以完成链接,同时也可以很方便地使用EnergyPlus等软件的气象文件和处理结果。

因而TRNSYS成为了一个分享计算机能耗模拟成果的很好平台。

由于软件开发者本身在太阳能领域具有优势,它在新能源系统尤其是太阳能系统的模拟上具有其它软件无法比拟的优势,而且TRNSYS中的地耦合模型经过一些权威机构鉴定,被认为是较为准确合理的,可以很好地应用于地源热泵的设计和研究中。

DeST是建筑热环境设计模拟工具包的简称, 它的前一版本为 BTP。

该程序采用状态空间法的建筑物模型计算房间的自然室温及建筑物冷热负荷。

同时它也是清华大学在十余年对建筑和空调系统模拟的基础上, 从建筑采暖空调设计的实际情况出发,开发出的一套面向设计人员的设计用模拟工具。

目的是把模拟分析技术有效地引入设计中, 为设计人员提供全面有力的帮助。

该模拟软件已于2000 年 6 月份通过了国家教育部鉴定, 被评定为“具有世界先进水平”,也是国内惟一能够动态模拟建筑采暖、空调负荷的分析软件。

该程序能在建筑描述、室外气象数据和室内扰量以及室内要求温湿度给定的情况下, 动态模拟出该建筑的全年逐时自然室温和采暖、空调系统负荷等的变化情况。

2002 年, DeST推出了更适合于住宅建筑节能分析与设计的住宅版本(DeST E Housing)。

2、建筑节能规范一致性评估软件在实际使用中需要一种软件直接针对规范标准, 通过简单的计算,评价建筑是否合乎相关标准规范的规定, 即一致性评估软件。

该类软件的使用使节能法案或节能标准的推行和实施变得高效简捷。

COMcheck-EZ 是面向商业建筑和高层住宅建筑的设计师和施工人员所开发的一致性评估软件, 内置ASI-IRAE/IESNAStandard90. 1-1989和IECC1998/2000/2002 各个版本以及各个地方对商业建筑和高层住宅建筑所规定的必须强制执行的一些节能标准和规范。

其界面友好、输入简单。

目前被美国各能源审计机构和一些房地产开发商广泛使用。

但因为其设计时没有考虑到新的节能措施的采用对建筑能耗的影响, 因而对一些节能新措施的模拟无能为力。

EE4CODE是加拿大 CANMET能源科技中心依据 MNECB 开发的一套综合能源分析及一致性评估软件。

采用 DOE-2. lE为内核, 可用于计算建筑全年能耗以及建筑方案的改变对建筑全年能耗的影响, 但无法直接模拟较为复杂的 HVAC 系统。

EnergyGauge USA为强大的住宅建筑能耗模拟软件, 可快速方便地计算出住宅建筑逐时负荷、通风系统或建筑围护结构渗透损失, 可进行多种家用电器的能耗分析, 并提供参考方案的成本效益分析报告、多种标准的一致性评估报告。

只适用于住宅建筑, 且仅能使用英制单位。

HEED( Home Energy EfficientDesign) 主要用于建筑的成本效益分析, 简单的输入、图形化结果的输出使分析和比较变得相对容易。

依据输入参数可提供两种参考方案: 一种为简单满足节能的方案, 另一种为包含更多节能措施的优化方案。

操作简单, 计算迅速, 只适用于单区域建筑和一般 HVAC系统。

分为一般用户和高级用户, 一般用户只能模拟四种设定的住宅建筑, 高级用户可自己设定参数。

三、建筑能耗模拟中的问题目前,建筑能耗模拟在建筑节能领域的使用越来越广泛。

应用的同时,，也发现了很多问题。

1、模拟结果的准确性问题对于种类繁多、功能齐全的软件,很多用户不禁要问:1、这些软件模拟的结果可靠吗? 2、它们模拟的结果相互吻合吗? 3、哪个软件模拟的结果最精确?在模拟的过程中,很多用户都发现有时模拟的结果和实际情况不相符,即使模拟一个很简单的建筑,结果也很难说完全正确,甚至在完全相同的条件下,使用不同的软件得出的结果有时差别都很大。

4、为什么能耗模拟的结果会不可靠、不准确呢? ，认为有主观和客观两方面的原因。

1.1客观原因客观上,由于建筑的热湿过程非常复杂、取决于很多因素,而在实际的计算中,软件设计者根据自身对问题的理解,进行了假设和简化。

1)长波辐射难以确定。

建筑热负荷计算过程中,建筑内表面之间、建筑内表面和空气之间、建筑外表面和环境之间的长波辐射是一个非常复杂的过程,为四次方的非线性关系。

而且长波辐射联系的对象比较多,角系数难以确定,同时它和围护结构之间的传热是耦合的,计算过程复杂。

2)建筑内家具、设备和人员的不确定。

在实际应用中,建筑室内是不可避免的有家具、设备和人员的,它们都具有蓄热能力。

但是在模拟中,用户很难确定它们的具体数目、位置和特性。

3)实际参数的复杂性。

在实际建筑和系统中很多参数是不均匀的,并不是单一的状态,而为了模拟的方便,很多软件都采用集总参数法,认定状态均一。

比如在各类软件中常设定建筑每个房间的温度为单一值、设备内的参数值一样,这些和实际都是有差别的。

4)对流换热系数难以确定。

建筑的对流换热系数取决于很多因素,很多软件为了简化运算将它们取为定值。

然而在雨天或者雪天,对流换热系数急剧变化,可高达1 000W /(m 2·K),但是目前很少有软件考虑这个问题,并且在有对流和辐射综合换热的时候,二者的比率很难确定。