建筑能耗模拟软件的开发与应用

建筑能耗模拟软件的开发与应用

0.我国建筑能耗评估的现状20世纪70年代末，随着西方工业化国家的能源危机，节能运动达到了顶峰，由于能源的不合理使用，无法产生的能源短缺，以及污染的全球化，这一趋势在发展中国家得到了延续和发展。许多国家都对建筑能耗制定了明确的法律规定和各种评估方法及技术标准。我国也在20世纪80年代颁布了相关的国家和行业标准,但由于缺少相应的建筑能耗评估体系和推进建筑节能规范标准执行的有效措施,大部分标准在贯彻实施中举步维艰。为推进节能工作的顺利进行,许多发达国家开发了许多与节能标准相关的软件来促进建筑节能规范和标准的实施。1.doe-2节能评估软件的应用美国是开展建筑节能研究最早的国家之一,计算机技术在建筑节能中的应用也最为蓬勃。由美国劳伦斯伯克力国家实验室模拟研究小组开发的DOE-2,在全球40多个国家用于建筑的节能分析、节能标准的制定。我国的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中明确规定采用DOE-2软件作为建筑节能设计的节能综合性能指标的计算工具。目前美国的建筑能耗模拟,节能评估软件已经多达70多种。这些软件的开发和运用不仅可定性或定量地对建筑能耗进行评估,从而使建筑节能规范的实施变得相对容易,而且促进了规范本身的完善和发展。1.1建筑能耗模拟对建筑物寿命周期进行全方位分详细的建筑能耗模拟软件通常是逐时、逐区模拟能耗,考虑了影响建筑能耗的各个因素,如建筑结构、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。建筑能耗模拟的用途主要有:建筑冷、热负荷的计算;对建筑、系统的设计及建筑构造进行评价和优化;进行建筑能源管理和控制系统的设计;进行成本分析;研究建筑节能措施。1.2节能计算软件的比较建筑能耗模拟软件有很多,按照这些软件的功能大致可分为两类:基于建筑热过程模拟的建筑能耗模拟软件和基于建筑节能标准审核的一致性评估软件。由于节能标准的实施直接建立在建筑能耗模拟的基础上,因此国外不同的能源机构基于相同或不同的节能标准制定了很多的模拟软件。各种软件由于数学模型、编程语言、使用对象、主要功能和实现目的不同,在实际使用中表现出很大的差别。本文将国内外具代表性的几种软件在主要功能、输入输出、优点以及缺点等几个方面作一简单描述、归纳和比较(表1)。2.euest建筑能快速模拟软件的应用2.1建筑全能耗分析软件eQUEST是一款基于DOE-2基础上开发的界面建筑能耗模拟软件,它允许设计者进行多种类型的建筑能耗模拟,并且也向设计者提供了建筑物能耗经济分析、日照和照明系统的控制以及通过从列表中选择合适的测定方法自动完成能源利用效率。eQUEST建筑能耗模拟软件的计算核心是DOE-2的高级版本DOE-2.2,并在其基础上做了许多优化。开发eQUEST软件的主要目的就在于逐时能耗模拟能够为更多的设计人员更方便的应用。DOE-2是目前世界上最为流行的建筑全能耗分析软件,包括负荷计算模块、空气系统模块、机组模块、经济分析模块。负荷模块是基于反应系数法利用建筑描述信息以及气象数据计算建筑全年逐时冷热负荷。冷热负荷,包括显热和潜热,与室外气温、湿度、风速、太阳辐射、人员班次、灯光、设备、渗透、建筑结构的传热延迟以及遮阳等因素有关。整个负荷分为外部负荷和内部负荷,其中外部负荷来自围护结构的传导、从窗户进入的太阳辐射以及渗透;内部负荷包括人员、设备及照明负荷,由于负荷计算中,假定没有空调运行且每个区域的温度保持在用户设定的温度值,所以eQUEST的负荷模块计算的冷热负荷是为保持房间设定温度所带走的热量。空气系统模块利用负荷模块的结果以及用户输入的系统描述信息,确定需要系统移去或加入的热量。该模块考虑了新风需求、系统设备控制策略、送回风机功率以及系统运行特性。机组模块利用系统模块结果以及用户输入的设备信息,计算建筑及能量系统的燃料耗量和耗电量。该模块考虑了部分负荷性能。经济模块进行寿命周期分析。输入数据通常包括建筑及设备成本、维护费用、利率等。这四个模块相互联系形成一个建筑系统模型。eQUEST软件模拟前必须收集大量信息,包括建筑场地信息和气象数据,建筑外形、结构、材料,建筑的运营及时刻表,内部负荷,空调系统各设备及性能及公用事业等。eQUEST能够模拟常见的60多种空调系统,其中可模拟的一些特殊的空调系统有:地源热泵系统、水侧变流量系统、双风机双风管变风量系统、自然通风、热电联产、蓄能系统、光电转换、热回收通风等。2.2建筑能耗模拟分析的示例2.2.1地下主副产物主建筑物系本工程为黑龙江兴达房地产综合开发有限公司开发建设的香木小区二区7#楼住宅工程,位于动力区木材街以东,互助街以南。建筑参数:总建筑面积:7345.4m2,阁楼建筑面积:937m2。层数:地上6层,一、二层为商服及车库,层高为3.3m及3.6m;三层以上为住宅,层高2.8m。其中:车库面积:653.7m2,商服面积:936.6m2,住宅面积:4818.1m2。建筑外表面积4053.6m2,建筑体积20120.3m3,体形系数0.201。2.2.2模拟得该建筑的耗热量指标:qH=16.54w/m2。为了验证eQUEST模拟结果的准确性,将模拟结果与规范中的有效传热系数法计算出来的结果进行对比。3.对能耗计算结果的分析从表中的对比结果可以看出:在围护结构传热耗热量指标方面的差异率在10%以下,空气渗透耗热量指标差异较大,内部得热差异率在10%左右,总的耗热量指标差异在20%左右,eQUEST模拟的结果明显要小于规范计算的结果。产生差异的主要原因是:(1)两种计算方法的理论基础不同。《民用建筑节能设计标准》中关于建筑能耗的计算方法是基于传热原理的有效传热系数法,将建筑物的热过程看作静态的、不变的。而eQUEST(DOE-2)是一个动态的模拟过程,采用的是哈尔滨地区的典型气象年(TMY)数据,能比较真实全面的反映建筑物所处的气候状况,从而得出的结论也更接近实际能耗水平。(2)从空气渗透传热量指标的较大差异看,主要还是与二者的计算方法的理论依据相关。空气渗透传热量受外界气候条件影响因素较大,同时与室外温度、室外风速、风压等多个条件相关联,eQUEST采用的TMY数据中将这些气象影响因素全部考虑进去,因而计算得到的结果更接近实际情况。而传热系数法并没有考虑这些气象影响因素。(3)从内部得热因素差异看,规范中将所有住宅的内部得热量规定为一个定值3.8W/m2,但实际情况要比这复杂得多,比如各种房间的人员密度、人员活动的时间、照明和设备开关时间等都有很大的差异。