基于能耗分析软件的建筑负荷预测

基于能耗分析软件的建筑负荷预测

建筑能耗是指建筑使用过程中产生的能源消耗，包括供暖、空调、通风、水电、供暖、照明、家用电器、电梯和建筑物相关设备对建筑的能有效利用。现在，中国的能有效能力约占中国社会终端总能量的27.6%。随着社会经济的发展和人们生活质量的提高，生活舒适度的要求也在不断提高。因此，建筑能耗的比例仍在增加。预测10年后，中国建筑能耗占中国社会终端总能量的比例将增加到32%以上。这是工业、农业和交通运输的主要生活能耗。过去，对建筑能耗的组成的分析主要是预先选择的项目条件和静态算法的计算，忽视了建筑传统疲劳的延迟和衰减效应，并没有区分不同的热和冷负荷，计算负荷误差较大。随着计算机和能源评估方法的发展，世界各国先后开发出合适的模拟软件，使建筑的动态负荷得到准确计算。当前,国内外对建筑能耗计算方法的研究和评价软件的开发也屡见不鲜,如国外较成熟商业软件DOE-2,EnergyPlus,eQUEST等.DOE-2和EnergyPlus的开发人员将主要精力投入到开发模拟工具的核心—计算源代码上,所以它的用户界面复杂,输入和输出文件都是以ASCⅡ文本形式为主,这给用户使用带来很大的不便.2002年EnergyPlus1101版虽然有了一个简单输入文件编辑器(IDFeditor),但它仅是将所有的输入项目简单罗列在一起,并且其全英文的输入界面也给中国用户学习和使用带来很大的困难.同时,在DOE-2和EnergyPlus中所要考虑的建筑信息条件较多,功能较为复杂,运算时间较长,所以EnergPlus更适合研究和二次开发使用.然而,eQUEST在DOE-2和EnergyPlus基础上,简化二者的能耗计算核心,开发的界面友好型软件,但在我国建筑能耗评价方面的应用还较少.笔者以杭州地区典型办公大楼的全年动态建筑负荷为研究对象,探讨了eQUEST软件模拟计算建筑能耗的使用方法和特点,评价了eQUEST能耗模拟计算软件的优缺点,并分析该方法的可靠性.1软件和建筑的总结1.1能耗模拟软件的简单操作步骤eQUEST是theQuickEnergySimulationTool的缩写,是由美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和J.J.Hirsch及其联盟(Associates)共同开发,开发的主要目的于让逐时能耗模拟能够为更多的设计人员的应用.建筑能耗评价涉及复杂建筑传热的动态过程,而建筑得热或失热随室内外的气候条件变化而变化.eQUEST能耗计算软件根据室外气象条件、围护结构情况,采用一种正向思维计算出室内温度以及室内得热量进而计算出负荷.它的计算过程是一个动态平衡的过程,后一时刻室内温度、冷热负荷以及供暖空调设备的耗电量要受前一时刻的影响,可根据输入的建筑情况(建筑结构、围护结构材料、供暖空调方式与系统布置形式、室内人员活动规律、照明设备情况)和室内设计温度值,计算出建筑的全年动态能耗.eQUEST能耗模拟软件的简单操作步骤为:1)定义全局参数;2)赋值EditUserExpression;3)定义变参数运行;4)运行;5)分析.其中能够变参数运行的策略包括:改变空调系统内某个设备的效率、静压、压头、运行温度、性能曲线或其他参数;改变自定义窗户(玻璃)的太阳/光学性能;改变任何一个或所有窗户的玻璃类型;改变墙体和屋面的保温水平;改变某个区域或所有区域的照明功率密度;改变建筑的朝向;使用自动昼光控制策略;改变人员、照明和设备的运行活动时间表;改变墙体、屋面、建筑遮挡的几何性质(如尺寸、位置等).目前不能变参数运行的策略:改变空调系统的类型;BaseCase中没有天窗和建筑遮挡,但需增加遮挡时;从DOE-2材质库中选择的物体或从自定义的材质库中选择的物体.1.2建筑高度分区。在5杭州市某办公大楼,共分六层,主要有办公室、会议室、休息室、展厅等功能用房;一层主要为展厅和业务受理区等大空间区域,其高度为3.1m;其余五层主要为办公室、会议室以及设备间,高度均为2.1m,建筑外墙墙体厚度为0.24m,建筑朝南面主要位玻璃幕体结构和钢结构框架结合;总建筑面积为42370m2;空调采用两管制风机盘管加新风系统,夏季供冷、冬季供热.表1和2出示了实例建筑能耗模拟计算所需要的建筑围护结构材料以及热工参数、室内负荷等参数.1.3生态设计模型的建立eQUEST能耗模拟软件的建模过程一共包括两个阶段:WizardDataEdit和DetailedDateEdit.在WizardDataEdit设置中主要包括两个模块:BldgshellComponents和Air-sideSystemtypes,在BldgshellComponents设置中包括每层楼的建筑类型、楼层的内部布局设置、楼层高度、朝向、屋顶结构设置、楼层地板设置/玻璃幕墙材料设置、建筑物运营时间表、活动区域设置以及电器设备能耗设置等.在AirsideSystemtypes中包括空调系统、冷、热循环系统室内外设计温度和空调系统运行时间等.在DetailedDateEdit设置中包括project&site,BuildingShell,InternalLoads,Water-sideHVAC和Air-sideHVAC五个模块设置,其中包括建筑每日、月、年的运营时刻表、气象参数、建筑围护结构设置等.采用eQUEST软件模拟建立的建筑模型如图1所示.2典型月能耗分析本实例中主要模拟计算的是全年范围内逐时、逐月以及典型日的建筑冷、热、电负荷变化量,模拟计算的负荷量覆盖全年7853h.根据杭州地区冬夏空调供冷/热运行的规律,选定从6月1日至9月30日为供冷季节,从12月1日至2月28日为采暖季节.由建筑物仿真模型,利用杭州市典型气象年逐时气象数据进行目标建筑全年负荷计算.图2出示了建筑全年7853h的逐时冷热负荷模拟计算的结果.从图2(a)中可以明显看到冷负荷超过80W/m2是集中出现在5月至9月之间,热负荷超过60W/m2主要集中在12年到下一年的2月.因此,模拟计算所得的冷/供热量的时间范围与在设计初选定的供冷季节一致.从模拟计算的冷/热负荷全年逐时变化结果也可以看出,全年的八月和一月是冷/热负荷需求量最大的月份,因而根据其能耗峰值,将八月和一月确定为最冷月和最热月.图3出示了最冷月(1月)和最热月(8月)的冷、热、电以及新风负荷逐时变化规律.8月份建筑总的冷负荷为70800kW,总的电负荷为22000kW,总的新风负荷为4580kW.同时,可以发现,每天8点钟开机时负荷并不会迅速增大到最大,这是因为在每天上班前通过提前1h开机预热来保证空调系统正常运行.由于杭州属于夏热冬冷地区,在夏季每天14:00~15:00气温达到最高,因此此时建筑物内所需要空调系统提供的冷量是最大的,此后逐渐降低.可以看出,冷负荷峰值出现在8月31日(周二)的14:00,该日建筑总冷负荷、电负荷和新风负荷和变化曲线如图3(a)所示,其中单位面积冷负荷最大值为133.01W/m2,该日空调总的冷负荷为3780kW.查询夏热冬冷地区建筑能耗概算指标,其规定建筑物冷负荷变化范围在80~120W/m2.由于建筑正面全部为玻璃幕墙,玻璃幕体面积占朝阳方向墙体面积的90%,因此该建筑在夏季所需的冷负荷要高,虽然高出概算指标最高值的10%,但仍属于正常现象.而建筑的新风负荷在工作时间比较稳定,冷负荷消耗一般只分布在工作时间段,并且其值并不稳定.空调系统在工作时间前会提前运行1h左右进入预热运行状态,并且在工作时间刚开始阶段冷负荷会迅速上升,但并不会达到最大值.由于冷负荷受室外气温影响较大,所以冷负荷值并不稳定,随室外气温和人员流动等其他因素不断变化.在17:00左右,而冷负荷会迅速下降.电负荷开始发生变化要比冷负荷提前1h左右,也是因为设定的空调系统在工作前1h进入预热状态.在非工作时间段只有电负荷是不为零的,由于其他办公设备和电梯等设备是处于待运营状态,因此仍需消耗电能.从图2可以看出建筑热负荷总量并不高,且小于冷负荷.在杭州冬季气温并不是太低的区域且供热季节短,供热量往往小于供冷量.热负荷峰值出现在1月11日(周一)的9:00,该日总热负荷、电负荷、新风负荷变化曲线如图3(b)所示,其单位面积内最大值热负荷为71.7W/m2,由于7:00左右,室内外气温较低,所以当空调开始正常运行时,对热负荷需求最大,会迅速上升至最大值,待室内温度温度达到恒定值时空调稳定后,所需空调提供的热量减少,热负荷曲线下降.同时,建筑所需热量根据室外气温在不断变化,因此曲线并不稳定.在17:00左右,热负荷值逐渐降低,最后变为零.峰值日空调总的热负荷为1900kW.选取供冷季节典型日(6月1日和9月30日)的逐时冷负荷与最热日(8月31日)逐时冷负荷的变化曲线进行对比-见图4.可以看出所选取的典型日冷负荷需求总量较小,但是逐时冷负荷变化趋势与最热日冷负荷曲线变化趋势基本相似.同样选取供暖季节中热负荷峰值日(1月11日)与典型日(3月1日和12月28日)的热负荷变化曲线进行对比-见图5.可以看出,由于气温影响,典型日的热负荷值较小,且在早9:00左右逐渐降低,典型日负荷变化规律与供热峰值日热负荷变化规律相似.笔者选取几个典型月的电负荷预测值与该建筑办公楼实际耗电量值进行对比,表3出示了该建筑的典型月的电负荷模拟计算结果和其实际能耗量(其中实际电能耗量数据来源于所监测既有运行办公楼物业管理处).可以看出,建筑物模拟计算值高于实际耗电量,其偏差是15%~30%,最大偏差发生在6月和9月.这可能由于eQUEST软件中部分参数采用静态设置方法,并没有考虑到动态的人员密度、新风量、设备能耗、照明能耗等动态变化对建筑能耗影响.但根据建筑节能设计规范中建筑负荷设计要求,建筑设计负荷应不高于实际负荷的20%,而在建筑围护结构等设计参数条件下,利用eQUEST软件模拟计算出的建筑能耗,其所得结果高于实际值是合理的.3年冷、热、电负荷逐月变化准确评价建筑动态全能耗有助于提高空调系统的设计、选型的精确度、优化设计方案、减少能源消耗.随着节能呼声的高涨,能耗模拟分析在建筑节能材料开发、新型节能建筑设计和空调系统性能预测等方面发挥着越来越重要的作用.以杭州现有办公大楼作为实例分析对象,采用eQUEST软件模拟计算了该建筑全年动态冷、热、电以及新风负荷;对eQUEST软件模拟所得的全年冷热电负荷逐时、逐月变化进行了数据分析,系统介绍了eQUEST软件使用方法和特点;通过对eQUEST软件模拟计算结果分析建筑动态负荷变化规律.可以发现eQUEST可以快速预测出建筑全负荷,其操作步骤的简便、具有友好的