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1、建筑能耗模拟综述建筑能耗, 模拟, 建筑能耗, 模拟1.1 为什么要进行建筑模拟& $ c7 j- 5 h3 建筑环境是由室外气候条件、室内各种热源的发热状况以及室内外通风状况所决定。建筑环境控制系统的运行状况也必须随着建筑环境状况的变化而不断进行相应的调节，以实现满足舒适性及其它要求的建筑环境。由于建筑环境变化是由众多因素所决定的一个复杂过程，因此只有通过计算机模拟计算的方法才能有效地预测建筑环境在没有环境控制系统时和存在环境控制系统时可能出现的状况，例如室内温湿度随时间的变化、采暖空调系统的逐时能耗、以及建筑物全年环境控制所需的能耗。建筑模拟主要在如下两方面得到广泛的应用：建筑物能耗分析与
2、优化和空调系统性能分析和优化。 n) i$ M( I. d随着人们对建筑环境质量要求的不断提高和对建筑节能的日益重视，建筑模拟也越来越成为建筑与建筑环境控制系统的设计、评价、分析工作中必不可少的重要工具之一。# I. D$ C: D3 n+ k* V3 # I* 1.2 建筑模拟技术的发展1 v, I5 m: V1 v O4 n- s/ D7 h3 r得益于计算机技术的发展，在建筑及环境控制领域，本世纪60 年代中期就开始了对建筑环境及控制系统动态模拟的研究。初期的研究内容主要是传热的基础理论和负荷的计算方法，例如一些简化的动态传热算法，如度日法，bin 法等等，在这一阶段，建筑模拟的主要目的
3、是改进围护结构的传热特性。在经历了上个世纪70 年代的全球石油危机之后，建筑模拟受到了越来越多的重视，同时随着计算机技术的飞速发展和普及，大量复杂的计算变为可行。于是在上个世纪七十年代中期，逐渐形成了至今在美国两个著名的建筑模拟程序：BLAST和DOE-2。欧洲也于上个世纪70 年代初开始研究模拟分析的方法，产生的具有代表性的软件是ESP-r。在70 年代末期，随着模块化集成思想的出现，空调和其它能量转换系统及其控制的模拟软件也逐渐出现，在美国，先后开发出TRNSYS和HVACSIM+。与此同时，亚洲各个国家也逐渐认识到建筑模拟技术的重要性，先后投入大量力量进行研究开发，主要有日本的HASP和
4、中国清华大学的BTP。: q K8 i% J2 f2 A进入九十年代，模拟技术的研究重点逐渐从模拟建模（Simulation Modeling）向应用模拟方法（Simulation Method）转移，即研究如何充分地利用现有的各种模型和模拟软件，使模拟技术能够更广泛更有效地应用于实际工程的方法和步骤，而使其不仅仅是停留在院校及研究机构中。时至今日，建筑模拟技术通过40 余年的不断发展，已经在建筑环境等相关领域得到了较广泛的应用，贯穿于建筑设计的整个生命周期里，包括设计、施工、运行、维护和管理等。主要表现在以下几方面：8 E8 g b: Z建筑冷/热负荷计算，用于空调设备的选择；+ Y3 V8
5、 / J5 Y在设计或者改造建筑时，对建筑进行能耗分析；8 T& g9 R7 d; A2 y; P1 F. 9 I Z建筑能耗的管理和控制模式的制订，帮助制订建筑管理控制模式，以挖掘建筑的最大节能潜力；& U7 Z; M* h! G6 E5 ?9 C5 T与各种标准规范结合，帮助设计人员设计出符合当地节能标准的建筑；4 3 v! l; e1 F# Y/ s% F对建筑进行经济性分析，使设计者对所设计方案在经济上的费用有清楚的了解，有助于设计者从费用和能耗两方面对设计方案进行评估。 6 k. f) k5 M+ S y: g; Z8 m8 F ?! L, H1.3建筑模拟工具介绍8 f: i7 ;
6、 x$ p3 g$ q4 q$ ; N详细的建筑能耗模拟软件通常是逐时、逐区模拟建筑能耗，考虑了影响建筑能耗的各个因素，如建筑围护结构、HVAC系统、照明系统和控制系统等。在建筑物寿命周期分析（LCC）中，建筑能耗模拟软件可对建筑物寿命周期的各环节进行分析，包括设计、施工、运行、维护、管理。建筑能耗模拟软件应用领域包括建筑冷热负荷的计算、建筑能耗特性的分析、建筑能源管理和控制系统的设计、费用分析、CFD模拟等。: Q2 W1 a- f2 n _$ c详细的建筑能耗模拟软件按照系统模拟策略可分为两类：顺序模拟（图1）和同步模拟（图2）。$ MF) t( F M& |在顺序模拟方法中，首先计算建筑
7、全年冷热负荷，然后计算二次空调设备的负荷和能耗，接着计算一级空调设备的负荷和能耗，最后进行经济性分析。在顺序模拟方法中，每一步的输出结果是下一步的输入参数。顺序模拟方法节约计算机内存和计算时间，但是建筑负荷、空调系统和集中式空调机组三者之间缺乏联系；如果空调设备满足不了建筑冷热负荷的要求，就会产生错误。5 F, o: o5 8 / D& d2 G4 ( X3 在同步模拟方法中，考虑了建筑负荷、空调系统和集中式空调机组之间的相互联系。同步模拟方法与顺序模拟方法不同，在每一时间段同时对建筑冷热负荷、空调设备和机组进行模拟、计算。同步模拟法提高了模拟的准确性，但需要更多的计算机内存和计算时间。* %
8、 L8 z0 e/ f1 n- g( t& s: j1 i0 图1 顺序模拟法& V2 d( s: W; N- % o1 T9 |: x& c# Z, W0 G$ A& t$ p l% n; g0 B* iM7 W; d - XE 8 x9 C5 K7 b; t5 c0 k% M图2同步模拟法7 N1 C* 3 E Z7 Y( Z建筑能耗模拟软件有许多，但在全世界范围内有影响且可以免费获取的能耗软件只是少数。国外较常用的建筑能耗模拟软件有DOE-2、BLAST、COMBINE、TRNSYS、ESP、HVACSIM+、EnergyPlus、SPARK、TRACE等；国内较有影响的建筑能耗模拟软件
9、是清华大学开发的DEST。$ x, 5 _- |+ b; I) 2 _当然，除了详细的建筑能耗模拟软件外，还有相对简单的建筑能耗模拟软件，如美国德克萨斯州大学开发的建筑能耗模拟软件ENERWIN，ENERWIN是用FORTRAN语言编写的，能够评估建筑全年能耗特性。如果是进行系统或方案比较、研究建筑能耗趋势，简单的能耗模拟软件已经足够。3 G* c8 y3 v- y; Ws 8 K6 l! S14前景0 N9 c, d( k * D2 N. P建筑HVAC系统能耗在建筑能耗中占了相当大的比重，研究HVAC系统能耗具有重要的意义。计算建筑HVAC系统能耗方法有很多种，既包括简单的计算方法，又包括
10、复杂的计算方法；应根据具体的用途，选择合适的计算方法或能耗模拟软件。$ |! t( c) $ V$ k 建筑可持续发展是目前较热门的话题，HVAC系统作为建筑的一个子系统，对建筑可持续发展也具有不可推卸的责任，因此在进行HVAC系统方案决策或设计时，不仅要考虑HVAC系统的可持续发展，而且也应考虑整个建筑的可持续发展，与别的专业一起走建筑集成化设计道路。 6 A7 M9 + r5 2 n8 v2 n- t: r; n( e q1 z/ T5 c15国外能耗模拟软件比较& V- o7 _, y8 z( b , e2 Q0 _1 h1 B; |( G p J. HDOE-2.1E 适用范围：逐时能
11、耗分析，HVAC系统运行的寿命周期成本（LCC）。适用各类住宅建筑和商业建筑。有20种输入校核报告，50种月度或年度综合报告，700种建筑能耗逐时分析参数，用户可根据具体需要选择输出其中一部分。当前最强大的模拟软件，其BDL内核为类似多种软件使用。有非常详细的建筑能耗逐时分析报告，可处理结构和功能较为复杂的建筑。DOS下操作界面，输入较为麻烦，须经过专门的培训；对专业知识要求较高。& 1 g0 W4 q- D2 4 H# l( s M% w! z1 t5 Q2 o+ _s, W8 X1 x% x& D6 X5 BBLAST适用范围：工业供冷，供热负荷计算，建筑空气处理系统以及电力设备逐时能耗模
12、拟。输入文件可由专门的模块HBLC在Windows操作环境下输入，也可在记事本中直接编辑。基于Windows的友好的操作界面，结构化的输入文件，可分析热舒适度，高强度或低强度的辐射换热，变传热系数下能耗分析。对专业知识和工程实际有较深刻的理解才能设计出符合要求的模型。 U6 k& # u9 F. N. z7 t, l; T% A; Q8 A! p$ c* s1 R. A KEnergy Plus适用范围：多区域气流分析，太阳能利用方案设计及建筑热性能研究。简单的ASCII输入、输出文件，可供电子数据表作进一步的分析。新版本的Energy Plus（Release 1.0.2）提供了即时的关键词
13、解释，使得操作变得更加简单。对建筑的描述简单，输出文件不够直观，须经过电子数据表作进一步处理。9 P- a) Z( A, B; * U* C5 U5 k% _* x. W XENER-WIN 适用范围：瞬时热流计算，能耗分析，寿命周期成本分析，非空调区的浮动温度，大型商业建筑。提供一个简单的画板输入建筑的基本布局，建筑围护结构的热工性能，室内逐时温度设定。表格和图像形式的月度，年度能耗报告。图形操作界面，可用紧凑模式的气候资料做替代设计方案的快速测试，有较为合理的缺省值。建筑可超过98个分区，提供20多种墙窗类型。算法较为简单，只有9种HVAC系统可供选择。. 1 c! 9 Q/ Bq) +
14、j0 4 V. j X8 JEnergy-10 适用范围：方案设计阶段建筑能耗评价，逐时空调能耗分析和照明计算。住宅建筑和小型商业建筑。12种HVAC系统选一。基于当前方案与标准方案（当前共有12种能量效率策略）之间比较的汇总图表（27种图形表达方式），也可生成详细的报表。易于操作，快速，准确。傻瓜化的操作（自动生成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，提供参考方案，方案的优劣排名）。建筑描述过于简单，只能用于小型建筑（建筑面积小于10，000ft2）和小型HVAC系统。# w2 I) y* o) 5 g6 a% e3 v: u. 8 iTRNSIS 适用范围
15、：HVAC系统和控制分析，多区域气流分析，太阳能利用方案设计以及建筑热性能研究。基本输出格式为ASCII，包括生命周期成本，月度，年度能耗报告。频率曲线，绘出预期参数曲线。当前最灵活的模拟软件。用户可自定义标准库中没有的组件，强大的帮助系统，可分时段模拟，可直接导入SimCAD生成的建筑布局作为热工模型的基础。没有为建筑和HVAC系统设定合理的缺省值，用户必须逐项输入两者较为详细的信息。7 a U B. n, y3 F9 6 d# h# S+ W9 d8 ! c5 WHOT2 XP适用范围：能耗模拟，负荷计算，住宅建筑。输入包括：建筑特性描述，HVAV系统的详细说明，所消耗的燃料类型。图形和文本两种格式的输出文件，可供电子数据表作进一步处理。图形界面。考虑到了热桥的作用，非常详细的空气渗透模型和热损失模型，提供广泛的HVAC系统型式，提供多种燃料类型。无法进行多区域HVAC系统的模拟。- E0 F* X* b5 L( a0 x# My : u9 * R- # USPARK 适用范围：能耗模拟，复杂布局的住宅建筑和商业建筑。用符号表示的计算模型（可自定义或者从列表中选取），系统运行参数。图形输出分析后的结果。复杂的建筑围护结构建模，复杂HVAC系统建模，多样的时间间隔可供选择，图形编辑器简化了对建筑物的描述，预置多种HVAC系统。需较高的电脑操作技巧，熟悉HV
