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1、 .建筑能耗模拟软件的特点及应用中存在的问题中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院 李骥 邹瑜华中科技大学 骆婉婧【摘 要】本文对现有主要建筑能耗模拟软件的特点进行了分析，并以此为基础，结合个人实际应用经验，对软件应用中常见的问题进行分析，提出应用建筑能耗模拟软件时应注意的问题。最后对建筑能耗模拟软件的发展提出了展望。【关键词】建筑能耗，建筑节能，模拟软件Abstract: This article gives a brief introduction to the characteristics of the main building energy simulation software.
2、 According to the authors own experience, we bring forward some problems we should attach importance to when applying them. At last, we give some prospects to the development of building energy simulation software.Keywords：Building energy consumptionBuilding energy efficiency Energy simulation softw
3、are一、 建筑能耗模拟软件的目的和使用的意义 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在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的复杂性，建筑能耗取决于很多因素.只有通过计算机这个能够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。所以，在进行建筑能耗计算时，能耗模拟软件有它不可替代的作用。笔者认为在使用这些软件以前首先应该弄清这些软件的主要用途和目的。它们主要有：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
4、统，控制系统，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。通过建筑能耗软件能够比较方便地预测在各种工况下系统中的参数。4. 为节能标准和规范的制定和实施提供辅助。我国的夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准【1】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在中国使用的建筑能耗模拟软件主要有：DOE-2，Energyplus，TRNSYS，PKPM, DEST等，现将这些软件的特点简要介绍如下：1. DOE-
5、2。提到建筑能耗模拟软件，就不得不提DOE-2。DOE-2在建筑能耗模拟软件发展的历史上具有重大的意义。DOE-2是公认最权威的建筑能耗模拟软件之一。它被很多能耗模拟软件，诸如：eQUEST, Energyplus，CHEC, PowerDOE等借鉴和引用。它采用经典的LSPE结构【2】（即Load模块，System模块，Plant, Economic模块），其流程图见图1。 图1 DOE-2软件的流程图许多软件至今仍采用DOE-2的LSPE结构，并在其基础上改进与创新。 DOE-2可以很精确的处理各种功能和结构复杂的建筑。但是其对系统的处理能力很有限，只能处理有限的几种暖通空调系统。而且它是
6、一个DOS环境下的软件，界面不太友好。DOE-2的输入较为麻烦，有固定的格式，必须采用手动编程的方法输入，并且有关键字的要求。而且对于DOE-2来说，一个很大的缺陷就是它的顺序结构。实际的暖通空调过程中，建筑的热环境，空调系统以及主机的运行情况等是耦合的。顺序驱动的理念彼此没有反馈，影响了计算结果的准确性。但是，它的设计思想和方法至今仍被很多软件吸收和借鉴。2. Energyplus。Energyplus整合了DOE-2和BLAST的优点，并加入了很多新的功能。它被认为是DOE-2的一个很好的替代。Energyplus吸收了DOE-2的LSPE结构，并做出了改进。它采用如图2所示的集成同步的负
7、荷、系统、设备的结构【3】。在上层管理模块的监督下，模块之间彼此有反馈，而不是单纯的顺序结构，计算结果更为精确。图2 Energyplus流程图Energyplus与其说是个建筑能耗模拟软件，不如说是个建筑能耗模拟引擎。它在开发的时候就把重心放在计算方法上，并没有在软件的界面上下很多功夫。它的源代码是完全开放的，鼓励第三方来开发合理的界面来调用Energyplus来完成模拟。现在比较著名的DsignBuilder【4】就是在它的基础上的二次开发。同时，它可以与很多常有软件，诸如：TRNSYS,WINDIW5,COMIS等完成链接。Energyplus的这种开放性加上它能精确地处理较为复杂的各类
8、建筑。它在处理建筑热过程时，考虑到了很多方面的因素，包括建筑的遮挡，绿化，风，光，雨，雪等，可以说是同类软件中在这方面最为全面的。但是，Energyplus本身还是立足于建筑模拟。虽然它在DOE-2的基础上有很大的改进，力图完成对所有暖通空调系统的模拟，而且也封装了很多常用的诸如：热泵，辐射供热供冷等系统，以方便调用。但是其处理系统的能力还是偏弱。而且它在暖通空调系统控制方式上模拟的能力较弱，只能进行简单的控制方式的模拟。它通常假定设备的调节为理想化的连续调节，这对于设备部分负荷的模拟是不太准确的。同时，Energyplus还具有不稳定【5】，不太容易收敛以及经济性分析简单的缺点。3. TRN
9、SYS。TRNSYS以及HVACSIM+等软件采用了和Energyplus以及DOE-2等软件完全不同的设计思想。有些文献也把他们认为是不同的两类软件【6】，【7】。TRNSYS最大的特点是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的组成各种系统。所以TRNSYS被认为是建筑能耗模拟软件中模拟系统的最灵活的软件之一。同时，TRNSYS还具有十分强大的模拟控制器的功能，它可以十分精确地模拟各种控制方式，在部分负荷的模拟中相对于Energyplus等软件
10、有一定的优势。因此，它在模拟系统，设备，控制方式等的最优化问题以及系统中参数的监测等模拟上比较方便而准确。由于TRNSYS立足于系统而不是建筑，它在系统的模拟上相对于Energyplus和DOE-2这些立足于建筑的软件是有优势的。但是正是由于其立足于系统，它在建筑负荷以及建筑热性能的模拟上偏弱。它所设定的建筑模型比较简单，它很难完成复杂建筑的描述。它在建立建筑模型时，围护结构都是按照朝向来建立模型，而不是像很多其它的软件按照实际外形建立。它也没有DEST，Energyplus等软件中的建筑阴影的计算，处理自然通风和渗透通风等问题时需要借助于其他软件的帮助。TRNSYS采用开放式的结构，用户可以
11、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中来完成模拟。而且它与很多专业软件，诸如：EES,Genopt,Transflow,COMIS,CONTAM等都可以完成链接。而且可以很方便的使用EP等软件的气象文件和处理结果。它的这一特点使得它成为一个分享计算机能耗模拟成果的一个很好的平台，它的功能也不断扩展。TRNSYS的另外一个不得不提的优势是，由于软件开发者本身在太阳能领域的优势，它在新能源系统尤其是太阳能系统的模拟上具有其他软件无法比拟的巨大优势。而且TRNSYS 是目前常用软件中唯一有地耦合模型的软件。4. DEST。DEST采用的是现代控制理论中的“状态空间法”【
12、8】。求解时空间上离散，时间上保持连续。其求解的稳定性以及误差和时间步长没有关系，所以在步长的选取上较为灵活。DEST嵌入AUTOCAD中，界面友好，所见即所得，但无法像PKPM那样从CAD中读取数据，必须用户自己建模。笔者认为DEST采用“分阶段设计，分阶段模拟” 【7】的思想使得它相比较其它软件有自己的独到之处。DEST以设计过程为驱动，利用已有的信息，未知的信息按理想的缺省值来设定，逐步深入，将未知转化为已知，直到最后完成模拟。DEST模拟设计时采用建筑负荷计算，空调系统模拟，AHU方案模拟，风网和冷热源模拟的步骤，完全符合我们设计的习惯，对设计有很好的指导作用。DEST也可求解比较复杂
13、的建筑。它考虑了邻室房间的热影响，可以对围护结构和房间联立方程求解。DEST也吸收了TRNSYS的开放式特性，以期待能成为应用建筑能耗模拟成果的一个优良的通用平台，为在将来的扩展提供了坚实的基础。DEST的适用范围也是十分的广泛，也针对不同的使用对象推出了不同的版本，如：评估板，分析版等。然而DEST在组件的扩充上还是没有TRNSYS方便，它的控制方式也没有TRNSYS多样灵活，本身所包含的设备,系统数目也没有TRNSYS等丰富。而且由于目前中国还没有完整的气象数据文件，DEST也没有直接使用比较公认的TMY数据，它的气象数据库为实测结合拟合得到的。但是一般认为在能耗模拟中还是应该使用逐时气象
14、数据，拟合的结果会给计算的准确性带来隐患。5. PKPM-CHEC。CHEC也是以DOE-2软件作为计算内核。它最大的特点就是和标准规范结合的紧密。CHEC在设计的时候就完全按照夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准。它能生成符合要求的建筑节能设计分析报告书和审查备案登记表。PKPM软件另一个比较大的优势是界面比较友好，输入比较方便，它和国内的多种建筑软件都有接口，设计人员可以将CAD图纸直接转换成模型中需要的数据。CHEC比较注重对工程实际的指导，在设计时，能较好地结合能耗分析和经济指标进行最佳方案的选择。6. FLUENT等。FLUENT,ANSYSY,Airpak等软件本身应用最主要不是在建筑
15、能耗模拟上 ，而是模拟室内环境状态上。但是当我们碰到比较复杂的，比较新的传热传质系统而现有的能耗模拟软件无法处理时，借助它们强大的解决流体换热问题的功能，可以在一定程度上得到问题的求解。7. MATLAB. Matlab本身并不是一个建筑能耗模拟软件，而是一个数学处理工具。但是它有强大的数值处理和可视化功能。它的最优化，神经网络和模糊系统等工具箱，为我们二次开发提供了有力的工具。Matlab自带的Simulink本身就是系统仿真的一个良好的平台。近年来，也有很多用户借助这个良好的平台进行二次开发来完成模拟计算。三 、 建筑能耗模拟中的问题今天，建筑能耗模拟在建筑节能领域使用的越来越广泛。在它们
16、广泛应用的同时，我们也发现了很多问题。下面结合笔者自己的体会谈谈建筑能耗模拟中碰到的问题。1. 今天，我们有各种种类繁多，功能齐全的软件。很多用户不禁要问：这些软件模拟的结果可靠吗？它们模拟的结果吻合吗？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候模拟的结果根本和实际情况不相符。即使在模拟一个很简单的建筑的时候结果也很难说完全正确【9】。甚至在完全相同的条件下，使用不同的软件得出的结果差别有时候都很大。为什么我们在能耗模拟的时候结果会不可靠，不准确呢？笔者认为有主观和客观的原因。客观上，由于建筑的热湿过程是非常复杂的，取决于很多因素。在实际的计算中，软件设计者都根据设计者自己对问题的理解，适用对象，目的，以及编程语言等等问题做了很多假设和简化。下面笔者结合自己的经验谈谈软件模拟中的客观困难。（1）
