PDF《建筑能耗模拟——绿色建筑设计与建筑节能改造》

文章编号:1671-6612(2008)03-010-07 建筑能耗模拟――绿色建筑设计与建筑节能改造 的支持工具之一:基本原理与软件 潘毅群?1 左明明

2 李玉明

2 (1.

同济大学中德工程学院 上海

200092 2.同济大学机械工程学院 上海 200092) 【摘要】 建筑能耗模拟是绿色建筑设计和建筑节能改造的必不可少的支持工具.首先介绍了建筑能耗模拟 的基本原理,包括正向建模和逆向建模方法,然后介绍了三种常用的建筑能耗模拟软件和相关的 专业分析软件. 【关键词】 建筑能耗模拟;

绿色建筑设计;

建筑节能改造;

建筑能耗模拟软件;

专业分析软件 中图分类号 TU111.19+5 文献标识码 A Building Energy Simulation C Supporting Tool for Green Building Design and Building Commissioning C Part I: Basic Principle and Software Pan Yiqun1 Zuo Mingming2 Li Yuming2 (1.Sino-German College of Applied Sciences, Tongji University Shanghai

200092 2.School of machanical Engineering,Tongji University Shanghai 200092) 【Abstract】 Building energy simulation is an important supporting tool for green building design and building commissioning. The paper firstly introduces the basic principles of building energy simulation, including forward modeling and data-driven modeling. Then it introduces three popular building energy simulation tools and relevant specialized analysis tools. 【Keywords】 building energy simulation;

green building design;

building commissioning;

building energy simulation tool;

specialized analysis tool 收稿日期:2008-01-15 ? 潘毅群,女,1970 年出生,博士,副教授.

0 引言 建筑能耗模拟的发展开始于

20 世纪

60 年代中 期,一些学者采用动态模拟方法分析建筑围护结构 的传热特性并计算动态负荷.20 世纪

70 年代的全 球石油危机之后,建筑能耗模拟愈来愈受到重视, 同时随着计算机技术的飞速发展,使得大量复杂的 计算成为可能.因此在全世界出现了一些建筑能耗 模拟软件,包括美国的 BLAST、DOE-2,欧洲的 ESP-r,日本的 HASP 和中国的 DeST 等.20 世纪

90 年代,一方面建筑能耗模拟软件不断的完善,出 现了一些功能更为强大的软件,例如 EnergyPlus, 一方面建筑能耗模拟的研究重点逐步从模拟建模 (modeling)向应用模拟转移,即将现有的建筑能 耗模拟软件应用于实际的工程和项目, 改善和提高 建筑系统的能效和性能[5,9] . 建筑能耗模拟可以应用于两种类型的建筑: 新 建建筑和既有建筑.对于新建建筑,通过建筑能耗 的模拟与分析对设计方案进行比较和优化, 使其符 合相关的标准和规范,进行经济性分析等;

对于既 有建筑, 需要进行建筑能耗的模拟和分析计算基准 能耗和节能改造方案的能耗等. 美国绿色建筑标准 LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)Credit EA1――优化能耗性能[11] 中定义了 三种评估建筑能耗性能的方法, 建筑能耗模拟就是 第22 卷第

3 期2008 年6月制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning Vol.22 No.3 June 2008.10~16 第22 卷第

3 期 潘毅群:建筑能耗模拟――绿色建筑设计与建筑节能改造的支持工具之一:基本原理与软件 ・11・ 其中之一. 而 《国际测量与验证协议》 (International performance measurement and verify- cation protocol, IPMVP)[6] 、美国能源部能效与可再生能源办公室 编写的《测量与验证导则》(M&

V Guidelines: Measurement and Verification for Federal Energy Projects)[7] 和ASHRAE 标准委员会编写的 M&

V Guidelines: Measurement and Verification for Federal Energy Projects[8] 这三个文献中详细规定和叙述了 四种对于节能改造方案的节能量进行测试与认证 的方法,其中方法 D 为通过模拟部分或整个设备 系统的能耗水平来确定节能量. 因此对于绿色建筑 设计和建筑节能改造来说, 建筑能耗模拟都是非常 重要的支持工具.

1 建筑能耗模拟的基本原理 用来模拟建筑能耗的数学模型由三个部分组 成: (1)输入变量,包括可控制的变量和无法控制 的变量(如天气参数) (2)系统结构和特性,即对 于建筑系统的物理描述 (如建筑围护结构的传热特 性、空调系统的特性等) (3)输出变量,系统对于 输入变量的反应,通常指能耗.在输入变量和系统 结构和特性这两个部分确定之后, 输出变量 (能耗) 就可以得以确定.因应用的对象和研究目的的不 同,建筑能耗模拟的建模方法可以分为两大类:正 向建模的方法(forward modeling)和逆向建模 (inverse modeling) 的方法[1] . 前者用于新建建筑, 后者用于既有建筑. 正向建模方法(经典方法) :在输入变量和系 统机构与特性确定后预测输出变量(能耗) .这种 建模方法从建筑系统和部件的物理描述开始,例如, 建筑几何尺寸、 地理位置、 围护结构传热特性、 设备类型和运行时间表、空调系统类型、建筑运行 时间表、冷热源设备等.建筑的峰值和平均能耗就 可以用建立的模型进行预测和模拟. 逆向建模方法(数据驱动方法) :在输入变量 和输出变量已知或经过测量后已知时, 估计建筑系 统的各项参数,建立建筑系统的数学描述.与正向 建模方法不同, 这种方法用已有的建筑能耗数据来 建立模型.建筑能耗数据可以分为两种类型:设定 型和非设定型. 所谓设定型数据是指在预先设定或 计划好的实验工况下的建筑能耗数据;

而非设定型 数据则是指在建筑系统正常运行状况下获得的建 筑能耗数据. 逆向建模方法所建立的模型往往比正 向建模方法简单, 而且对于系统性能的未来预测更 为准确. 1.1 正向建模方法 正向建模方法的模型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. 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、 蓄能设备、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. 图1为计算流程图. 图1正向建模方法的计算流程示意图 在负荷模块中,有三种计算显热负荷的方法: 热平衡法 (heat balance method) 、 加权系数法 (weig- hting-factor method)和热网络法(thermal-network method) .前两种方法较为常用.热平衡法和加权 系数法都采用传递函数法计算墙体传热, 但从得热 到负荷的计算方法两者不同. 热平衡法根据热力学 第一定律建立建筑外表面、建筑体、建筑内表面和 室内空气的热平衡方程, 通过联立求解计算室内瞬 ・12・ 制冷与空调

2008 年 时负荷.图2所示为热平衡法原理图.热平衡法假 设房间的空气是充分混合的,因此温度为均一;

而 且房间的各个表面也具有均一的表面温度和长短 波辐射、 表面的辐射为散射、 墙体导热为一维过程. 热平衡法的假设条件较少,但计算求解过程较复 杂,耗计算机时较多.热平衡法可以用来模拟辐射 供冷或供热系统, 因为可以将其作为房间的一个表 面,并对其建立热平衡方程并求解[3,10] . 图2热平衡法原理图 加权系数法是介于忽略建筑体的蓄热特性的 稳态计算方法和动态的热平衡方法之间的一个折 衷.这种方法首先在输入建筑几何模型、天气参数 和内部负荷后计算出在某一给定的房间温度下的 得热, 然后在已知空调系统的特性参数之后由房间 得热计算房间温度和除热量.这种方法是由 Z-传 递函数法推导得来,有两组权系数:得热权系数和 空气温度权系数. 得热权系数是用来表示得热转化 为负荷的关系的;

空气温度权系数是用来表示房间 温度与负荷之间的关系的.加权系数法有两个假 设: (1)模拟的传热过程为线性.这个假设非常有 必要,因为这样可以分别计算不同建筑构件的得 热,然后相加得到总得热.因此,某些非线性的过 程如辐射和自然对流就必须被假设为线性过程. (2)影响权系数的系统参数均为定值,与时间无 关. 这个假设的必要性在于可以使得整个模拟过程 仅采用一组权系数. 这两点假设一定程度上削弱了 模拟结果的准确性. 热网络法是将建筑系统分解为一个由很多节 点构成的网络,节点之间的连接是能量的交换.热 网络法可以被看作是更为精确的热平衡法. 热平衡 法中房间空气只是一个节点, 而热网络法中可以是 多个节点;

热平衡法中每个传热部件(墙、屋顶、 地板等)只能有一个外表面节点和一个内表面节 点,热网络法则可以有多个节点;

热平衡法对于照 明的模拟较为简单,热网络法则对于光源、灯具和 整流器分别进行详细模拟. 但是热网络法在计算节 点温度和节点之间的传热 (包括导热、 对流和辐射) 时还是基于热平衡法.在三种方法中,热网络法是 最为灵活和最为准确的方法,然而,这也意味着它 需要最多的计算机时, 并且使用者需要投入更多的 时间和努力来实现它的灵活性. 在系统和设备模块中风机、 水泵等输送设备通 常采用回归多项式表达部分负荷工况下的功率输 入,盘管等热质交换设备采用传热单元数法 (effectiveness-NTU heat exchanger model)进行模 拟,制冷机组、锅炉、冷却塔等冷热源设备则通常 采用回归模型(regression model)进行模拟.更为 复杂和精确的热力学第一定律模型(First-Principle model)也有被采用. 在建立了建筑及其系统的各个部件的模块之 后,要对整个系统进行建模.图3所示为系统建模 方法示意. 图3系统建模方法示意图 系统模拟方法有两种:顺序模拟法(sequence modeling) 和同时模拟法 (simultaneous modeling) . 顺序模拟法的计算步骤是顺序分层的, 首先计算每 个建筑区域的负荷,然后进行空调系统的模拟计 系统控制反馈 设备容量反馈 能耗 热水/冷水 的需求量 房间负荷 天气负荷 模块 系统 模块 设备 模块 经济 模块 内部负荷 能耗费用 第22 卷第

3 期 潘毅群:建筑能耗模拟――绿色建筑设计与建筑节能改造的支持工具之一:基本原理与软件 ・13・ 算,即计算空气处理机组、风机盘管、新风机组等 的能耗量,接着计算冷热源的能耗量,最后根据能 源价格计算能耗费用. 顺序模拟法是顺序计算每一 层,每层之间没有数据反馈,计算步长为

1 小时, 即假设每小时内空调系统和机组的状态是稳定的. 由于没有数据反馈, 顺序模拟法无法保证空调系统 可以满足负荷要求,在空调系统和设备容量不足 时,仅能给出负荷不足的提示,却无法反映系统的 真实运行情况. 同时模拟法弥补了顺序模拟法的不足, 在每个 时间步长,负荷、系统和设备都同时进行模拟计算 (如图 3) ,能够保证空调系统满足负荷的要求, 因而使得模拟的准确性有很大的提高, 但要花费大 量的计算机内存和机时. 目前随着计算机技术的飞 速发展, 采用同时模拟法的软件在个人电脑上也可 以较快速的运行并得到模拟结果. 1.2 逆向建模方法(数据驱动方法) 逆向建模方法可以分为三种类型: 经验 (黑箱) 法(Empirical or Black-Box Approach) 、 校验模拟 法(Calibrated Simulation Approach)和灰箱法 (Gray-B........