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1、- 28 -新一代的建筑全能耗分析软件EnergyPlus及其应用潘毅群 1 同济大学高等技术学院楼宇设备工程与管理系吴刚 特灵空调公司Volker Hartkopf 美国卡内基梅隆大学建筑性能与诊断中心摘要：EnergyPlus 被称为新一代的建筑全能耗分析软件。本文介绍其基本原理、特点和功能等，并将其用于某一实际的建筑冷热电联产系统的模拟，根据模 拟结 果对整个系统进行全年能耗和经济分析，并介绍使用该软件的心得和体会。关键词：EnergyPlus，建筑全能耗分析软件，建筑冷 热电联产New Generation Whole Building Energy Analysis Tool Ene
2、rgyPlus and Its ApplicationYiqun PanDept. of Facilities Engineering & Management, Tongji UniversityGang Wu, Volker HartkopfCenter for Building Performance & Diagnostics, Carnegie Mellon University, USAAbstract: The basic principles, features, and new functions of EnergyPlusa new-generation whole bui
3、lding energy analysis toolare introduced firstly in the paper. Then the application of EnergyPlus in the energy simulation of a real building cooling, heating and power (BCHP) system is presented. Performance and economic analyses are conducted on the BCHP system based on the simulation results. It
4、is finally presented the challenges we have encountered in simulating the building energy systems using EnergyPlus.Keywords: EnergyPlus, whole building energy analysis tool, BCHP1 引言EnergyPlus 由美国能源部（Department of Energy, DOE）和劳伦斯 伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL）共同开发。二十多年里，美国政府同
5、时出资支持两个建筑能耗分析软件DOE-2 和 BLAST 的开发，其中 DOE-2 由美国能源部资助，BLAST 由美国国防部资助。这两个软件的主要区别就是负荷计算方法DOE-2 采用传递函数法（权重系数）而 BLAST 采用热平衡法。这两个软件在世界上的应用都比较广。因为这两个软件各自具有其优缺点，人们质疑美国政府为什么同时资助两个毫不相干的但功能相同的软件的开发，而不是把它们合而为一。因此美国能源部于 1996 年决定重新开发一个新的软件EnergyPlus，并于 1998 年停止BLAST 和 DOE-2 的开发。EnergyPlus 是一个全新的软件，它不仅吸收了 DOE-2 和 BL
6、AST 的优点，并且具备很多新的功能。EnergyPlus 被认为是用来替代 DOE-2 的新一代的建筑能耗分析软件 【2】 。正因为 EnergyPlus 具备其他的软件所没有的很多优点和功能，我们选择它来对一个建筑冷热电1 潘毅群，1970 年 12 月 28 日生，博士，副教授 联系地址：上海市赤峰路 67 号同济大学南校区楼宇设备工程与管理系 (200092)电话：86 21 65981921 传真：86 21 65984588 e-mail: - 29 -系统进行全面的能耗模拟和经济分析。该建筑是即将在美国卡内基梅隆大学内建造的一幢 6 层楼的办公教学楼，将主要采用一个 250kW
7、的固体氧化物燃料电池和双效吸收式制冷机组为建筑提供冷、热和电。2 EnergyPlus 简介2.1 建筑全能耗分析软件EnergyPlus 是一个建筑全能耗分析软件（whole building energy analysis tool） 【4】 。什么是建筑全能耗分析软件（whole building energy analysis tool）呢？世界上有很多用来设计或分析建筑及暖通空调系统的软件，它们具有不同的功能和复杂程度，面向不同的用户。它们可以大致分为以下的四大类： 设计用软件（Practitioner design tools）：建筑师、工程师等用作进行建筑及系统的设计的软件，如
8、AutoCAD； 建筑全能耗分析软件（Whole building energy analysis tools）：用来模拟建筑及系统的实际运行状况，从而预测年运行能耗和费用的软件； 能耗与环境影响分析软件（Energy and environmental screening tools）：主要用来分析采用新的节能技术所带来的经济及环境的益处，往往对计算进行简化，输入也比较简单，并能够迅速地给出比较直观的结果； 专业分析软件（Specialized analysis tools）：用作科研用途，拥有专门开发的精确的模型，例如计算流体力学（CFD）模拟软件 Fluent、照明模拟软件 Radian
9、ce 等。建筑全能耗分析软件可以用来模拟建筑及空调系统全年逐时的负荷及能耗，有助于建筑师和工程师从整个建筑设计过程来考虑如何节能。大多数的建筑全能耗分析软件由四个主要模块构成：负荷模块（Loads ） 、系统模块（Systems） 、设备模块（Plants）和经济模块（Economics）LSPE。这四个模块相互联系形成一个建筑系统模型。其中负荷模块是模拟建筑外围护结构及其与室外环境和室内负荷之间的相互影响的。在负荷模块中有多种计算墙体传热和负荷的方法，如反应系数法（response factor）和热传导传递函数法（conduction transfer functions, CTF）用来计
10、算墙体传热；传递函数法（transfer function method, TFM） 、热平衡法（ heat balance method）和热网络法（thermal network method）用来将窗、墙得热及内部负荷转变为冷、热负荷。系统模块是模拟空调系统的空气输送设备、风机、盘管以及相关的控制装置的。设备模块是模拟制冷机、锅炉、冷却塔、能源储存设备、发电设备、泵等将冷热源设备的。经济模块是计算为满足建筑负荷所需要的能源费用的。有些软件没有经济模块，有些软件把系统模块和设备模块合并为一个模块。目前世界上比较流行的建筑全能耗分析软件主要有：Energy-10 、HAP、TRACE 、DO
11、E-2、BLAST、EnergyPlus、TRNSYS、ESP-r、DeST 等。这些软件具有各自的特点，例如，Energy-10 只能用来模拟 1000 平米以下的小型建筑，DOE-2 能够准确地模拟较复杂的围护结构的负荷，TRNSYS 在模拟空调系统时能够提供最大的灵活性，等等。2.2EnergyPlusEnergyPlus 是在 BLAST 和 DOE-2 的基础上开发的，兼具两者的优点以及一些新的特点。它是在美国能源部的支持下，由美国劳伦斯伯克利国家实验室（ LBNL） 、伊利诺斯大学 (University of Illinois)、美国军队建筑工程实验室（U.S. Army Con
12、struction Engineering Research Laboratory） 、厄克拉河马洲立大学（Oklahoma State University）及其他单位共同开发的。EnergyPlus 于 2001 年 4 月正式发布，现在已经发布了 EnergyPlus1.0.3 版，可以免费下载。2.2.1 负荷模拟EnergyPlus 是一个建筑能耗逐时模拟引擎，采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法。在计算负荷时，时间步长可由用户选择，一般为 10 到 15 分钟。在系统的模拟中，软件会自动设定更短- 30 -的步长（小至数秒，大至 1 小时）以便于更快地收敛。EnergyPlus
13、 采用 CTF 来计算墙体传热，采用热平衡法计算负荷。CTF 实质上还是一种反应系数，但它的计算更为精确，因为它是基于墙体的内表面温度，而不同于一般的基于室内空气温度的反应系数。热平衡法是室内空气、围护结构内外表面之间的热平衡方程组的精确解法，它突破了传递函数法（TFM）的种种局限，如对流换热系数和太阳辐射得热可以随时间变化等。在每个时间步长，程序自建筑内表面开始计算对流、辐射和传湿。由于程序计算墙体内表面的温度，可以模拟辐射式供热与供冷系统，并对热舒适进行评估。区域之间的气流交换可以通过定义流量和时间表来进行简单的模拟，也可以通过程序链接的 COMIS模块对自然通风、机械通风及烟囱效应等引起
14、的区域间的气流和污染物的交换进行详细的模拟。COMIS 是 LBNL 开发的用来模拟建筑外围护结构的渗透、区域之间的气流与污染物交换的免费专业分析软件（Specialized analysis tools） 。窗户的传热和多层玻璃的太阳辐射得热可以用WINDOW5（LBNL 开发的计算窗户热性能的免费专业分析软件）计算。遮阳装置可以由用户设定，根据室外温度或太阳入射角进行控制。人工照明可以根据日光照明进行调节。在 EnergyPlus 中采用各向异性的天空模型对 DOE-2 的日光照明模型进行了改进，以更为精确地模拟倾斜表面上的天空散射强度。2.2.2 系统模拟EnergyPlus 采用模块化
15、的系统模拟方法，时间步长可变。空调系统由很多个部件所构成，这些部件包括风机、冷热水及直接蒸发盘管、加湿器、转轮除湿、蒸发冷却、变风量末端、风机盘管等。部件的模型有简单的，也有复杂的，输入的复杂性也不同。这些部件由摹拟实际建筑管网的水或空气环路（loop）连接起来，每个部件的前后都需设定一个节点，以便连接。这些连接起来的部件还可以与房间进行多环路的连接，因此可以模拟双空气环路的空调系统（如独立式新风系统，Dedicated Outdoor Air System DOAS） 。一些常用的空调系统类型和配置已做成模块，包括双风道的定风量空气系统和变风量空气系统、单风道的定风量空气系统和变风量空气系统
16、、组合式直接蒸发系统、热泵、辐射式供热和供冷系统、水环热泵、地源热泵等。2.2.3 设备模拟EnergyPlus 模拟的冷热源设备包括吸收式制冷机、电制冷机、引擎驱动的制冷机、燃气轮机制冷机、锅炉、冷却塔、柴油发电机、燃气轮机、太阳能电池等。这些设备分别用冷冻水、热水和冷却水回路连接起来。设备模型采用曲线拟合方法。2.2.4 EnergyPlus 的特点EnergyPlus 具有以下主要特点 【3】 ： 采用集成同步的负荷/系统 /设备的模拟方法 在计算负荷时，用户可以定义小于 1 个小时的时间步长；在系统模拟中，时间步长自动调整，以加快收敛。 采用热平衡法模拟负荷 采用 CTF 模拟墙体、屋顶、地板等的瞬态传热 采用三维有限差分土壤模型和简化的解析方法对土壤传热进行模拟 采用联立的传热和传质模型对墙体的传热和传湿进行模拟 采用基于人体活动量、室内温湿度等参数的热舒适模型模拟热舒适度 采用各向异性的天空模型以改进倾斜表
