建筑能耗模拟技术的应用

建筑能耗模拟技术的应用

0我国建筑能源安全的发展状况经济的快速发展必然导致能源消耗的快速增加。其中建筑能耗占总能耗的比例也不断增大,目前发达国家的建筑能耗占总能耗的1/3左右。我国目前建筑消耗的能源已经占全国商品能源的21%～24%。随着城市化程度的提高,第三产业比例的增大,建筑能耗的比例会继续提高。但是能源供应量的增长速度滞后于经济的发展速度,能源紧张必将制约经济的可持续发展。目前,在缓解经济发展与能源短缺矛盾的各种途径中,建筑节能被认为是最直接有效的方式。在这种背景下,建筑能耗模拟技术作为建筑节能设计中强有力的工具,得到了前所未有的重视。1能耗计算的意义在建筑的使用过程中,能量的消耗主要用于建筑的空调、照明、热水、炊事、电器等,其中尤其是空调系统的能耗占了建筑能耗的一半以上。因此,建筑能耗模拟与空调的负荷计算密切相关。建筑能耗模拟是利用计算机对建筑能耗和采暖空调负荷进行动态的计算,从而对建筑物及其空调系统的性能进行分析和评价。空调负荷计算就是对空调系统的设计负荷进行预测。它是依据设计规范和建筑热工性能,计算出建筑物的冷负荷、热负荷、湿负荷以及新风负荷,并以此来确定空调系统设备的容量大小。负荷计算是建筑能耗模拟的基础。建筑物能耗计算的目的是预测建筑物全年的能源消耗量,从而为方案的分析和评价提供依据。能耗计算与空调设计中的负荷计算是类似的,它们的区别主要在于能耗计算一般选择有代表性的气候条件为计算基础,即所谓的典型气象年。负荷计算以极端的气候条件为计算基础。负荷计算可以确定暖通空调设计负荷的峰值,从而选择合适的设备容量和数量。能耗计算可以得到用来满足负荷的一年的能源消耗量。目前能耗计算的方法有多种,基本可以分为静态和动态两类。静态计算方法应用相对简单,但它不能给出能耗随时间的变化情况,它不考虑建筑结构蓄热的影响。常用的静态计算方法有度日法、bin法、温频法、满负荷系数法等。动态计算方法对能耗进行全年的逐时计算,它能详细反映能耗随时间的变化。常用的动态计算方法有加权系数法和热平衡法。建筑能耗模拟除了需要建筑设计的数据,当地的室外气象资料也是非常重要的信息。建筑能耗模拟是全年8760h逐时的动态模拟,因此需要逐时的气象数据。建筑能耗模拟所需要的气象参数包括太阳辐射、温度、湿度、风速、风向、云量、大气压力等约10到13种数据。模拟往往采用典型气象年的气象数据。典型气象年的数据可以根据过去多年的气象数据,通过一定的方法建立。2建筑能耗模拟分析模拟软件是建筑能耗模拟的工具。现在有许多不同类型的模拟软件,各个软件有各自的特点,并且还在不断的发展。有些模拟软件计算详细精确,但是使用起来很复杂,要求的专业知识较高,它们在过去通常用于研究目的,例如DOE_2,BLAST,ESP_r,TRNSYS和EnergyPlus。这些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。另外还有一些相对简单的软件,例如Energy_10,ENER-WIN和EnergyScheming等。这些软件可以进行建筑全年能耗的评估,用于系统方案的比较选择。在国内,清华大学的建筑能耗模拟软件DeST影响较大,并已经在几个大型工程中得到应用。面对众多的模拟软件,要进行比较和做出选择并不容易。选择软件时首先要考虑清楚所要解决的问题,软件并非功能越强大就越好,因为这种软件往往更昂贵,并且由于使用复杂而更易出错。另外要考虑软件使用的成本,包括培训、计算机资源等。表1列举了几种模拟软件及其特点,供参考。3建筑能耗模拟技术建筑能耗模拟的主要应用之一是建筑物能耗预测与设计优化。对于一个建筑物来说,建筑造型及其围护结构形式对它的能耗有决定性的影响。它们直接影响到建筑物与室外环境的热量传递、自然通风、自然采光,而与这些相关的负荷占建筑采暖通风空调负荷的70%以上。因此,不同的建筑设计形式将导致很大的能耗差别。但是建筑设计形式对能耗的影响是复杂的,很难简单地进行判断。例如加大外窗的面积可以增加自然采光,冬天可以增加太阳辐射热量,减少采暖能耗,但夜晚又会增加向室外的传热,增大采暖能耗;夏季还会增加室内的得热量,增大空调的能耗。这样要判断建筑设计的优劣必须依靠计算机的动态能耗模拟。目前,国内已经有越来越多的人开始利用建筑能耗模拟技术来分析建筑设计与能耗的关系。魏玲等人利用建筑能耗模拟分析了窗户对建筑能耗的影响,得到了减少南京地区全年空调建筑物由热传递及太阳辐射引起的窗户能耗的3条措施。陈红兵等人利用TRNSYS软件研究了天津地区窗户对建筑能耗的影响。周孝清等人利用DOE_2软件对广州一办公楼的不同外围护结构进行了能耗模拟,提出了围护结构设计的优化方案。刘洋等人利用EnergyPlus软件对天津某住宅小区的建筑能耗进行了模拟,并与实测结果比较,肯定了EnergyPlus对建筑设计的指导作用。曹毅然等人利用DeST软件模拟分析了上海混凝土砌块别墅建筑外围护结构的热工性能及其对建筑物能耗的影响,并给出了节能的方案。吴靖杰等人在一个节能住宅单体设计过程前期运用DOE-2进行建筑能耗模拟,并以计算结果为指导,结合实际做出了优化设计方案。空调系统的性能预测与设计优化也是建筑能耗模拟的主要应用之一。目前空调系统的设计中,一般通过计算出最大的冷负荷来确定设备容量和数量。但实际上空调系统要运行在各种气候条件和室内使用方式下,它大部分运行时间不是在最大负荷而是在部分负荷下运行。这些部分负荷工况的特点不同,使得空调系统在实际运行中常常出现问题。如果能在空调设计时进行动态能耗模拟,了解可能出现的各种工况,在设计中就可以选择合理的系统形式,确定合适的设备容量和数量,采取有效的控制方案,从而使设计优化。另外,建筑能耗模拟对于建筑节能标准的制定和实施也发挥重要作用。美国的DOE_2是目前最精确的动态模拟软件,它参与了许多国家的建筑节能标准制定。我国2001年颁布的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》在制定过程中,也采用了DOE_2进行动态模拟计算。另外,在评估一个设计方案是否满足节能标准时,同样少不了模拟软件的帮助。4