建筑能耗模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用

建筑能耗模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用

0.我國建筑能耗評估的現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代末，隨著西方工業(yè)化國家的能源危機(jī)，節(jié)能運(yùn)動(dòng)達(dá)到了頂峰，由于能源的不合理使用，無法產(chǎn)生的能源短缺，以及污染的全球化，這一趨勢在發(fā)展中國家得到了延續(xù)和發(fā)展。許多國家都對建筑能耗制定了明確的法律規(guī)定和各種評估方法及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國也在20世紀(jì)80年代頒布了相關(guān)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),但由于缺少相應(yīng)的建筑能耗評估體系和推進(jìn)建筑節(jié)能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的有效措施,大部分標(biāo)準(zhǔn)在貫徹實(shí)施中舉步維艱。為推進(jìn)節(jié)能工作的順利進(jìn)行,許多發(fā)達(dá)國家開發(fā)了許多與節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的軟件來促進(jìn)建筑節(jié)能規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施。1.doe-2節(jié)能評估軟件的應(yīng)用美國是開展建筑節(jié)能研究最早的國家之一,計(jì)算機(jī)技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用也最為蓬勃。由美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗(yàn)室模擬研究小組開發(fā)的DOE-2,在全球40多個(gè)國家用于建筑的節(jié)能分析、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定。我國的《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定采用DOE-2軟件作為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的節(jié)能綜合性能指標(biāo)的計(jì)算工具。目前美國的建筑能耗模擬,節(jié)能評估軟件已經(jīng)多達(dá)70多種。這些軟件的開發(fā)和運(yùn)用不僅可定性或定量地對建筑能耗進(jìn)行評估,從而使建筑節(jié)能規(guī)范的實(shí)施變得相對容易,而且促進(jìn)了規(guī)范本身的完善和發(fā)展。1.1建筑能耗模擬對建筑物壽命周期進(jìn)行全方位分詳細(xì)的建筑能耗模擬軟件通常是逐時(shí)、逐區(qū)模擬能耗,考慮了影響建筑能耗的各個(gè)因素,如建筑結(jié)構(gòu)、HVAC系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。在建筑物壽命周期分析(LCC)中,建筑能耗模擬軟件可對建筑物壽命周期的各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析,包括設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)、管理。建筑能耗模擬的用途主要有:建筑冷、熱負(fù)荷的計(jì)算;對建筑、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建筑構(gòu)造進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)化;進(jìn)行建筑能源管理和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì);進(jìn)行成本分析;研究建筑節(jié)能措施。1.2節(jié)能計(jì)算軟件的比較建筑能耗模擬軟件有很多,按照這些軟件的功能大致可分為兩類:基于建筑熱過程模擬的建筑能耗模擬軟件和基于建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)審核的一致性評估軟件。由于節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施直接建立在建筑能耗模擬的基礎(chǔ)上,因此國外不同的能源機(jī)構(gòu)基于相同或不同的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)制定了很多的模擬軟件。各種軟件由于數(shù)學(xué)模型、編程語言、使用對象、主要功能和實(shí)現(xiàn)目的不同,在實(shí)際使用中表現(xiàn)出很大的差別。本文將國內(nèi)外具代表性的幾種軟件在主要功能、輸入輸出、優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)等幾個(gè)方面作一簡單描述、歸納和比較(表1)。2.euest建筑能快速模擬軟件的應(yīng)用2.1建筑全能耗分析軟件eQUEST是一款基于DOE-2基礎(chǔ)上開發(fā)的界面建筑能耗模擬軟件,它允許設(shè)計(jì)者進(jìn)行多種類型的建筑能耗模擬,并且也向設(shè)計(jì)者提供了建筑物能耗經(jīng)濟(jì)分析、日照和照明系統(tǒng)的控制以及通過從列表中選擇合適的測定方法自動(dòng)完成能源利用效率。eQUEST建筑能耗模擬軟件的計(jì)算核心是DOE-2的高級版本DOE-2.2,并在其基礎(chǔ)上做了許多優(yōu)化。開發(fā)eQUEST軟件的主要目的就在于逐時(shí)能耗模擬能夠?yàn)楦嗟脑O(shè)計(jì)人員更方便的應(yīng)用。DOE-2是目前世界上最為流行的建筑全能耗分析軟件,包括負(fù)荷計(jì)算模塊、空氣系統(tǒng)模塊、機(jī)組模塊、經(jīng)濟(jì)分析模塊。負(fù)荷模塊是基于反應(yīng)系數(shù)法利用建筑描述信息以及氣象數(shù)據(jù)計(jì)算建筑全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷。冷熱負(fù)荷,包括顯熱和潛熱,與室外氣溫、濕度、風(fēng)速、太陽輻射、人員班次、燈光、設(shè)備、滲透、建筑結(jié)構(gòu)的傳熱延遲以及遮陽等因素有關(guān)。整個(gè)負(fù)荷分為外部負(fù)荷和內(nèi)部負(fù)荷,其中外部負(fù)荷來自圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)、從窗戶進(jìn)入的太陽輻射以及滲透;內(nèi)部負(fù)荷包括人員、設(shè)備及照明負(fù)荷,由于負(fù)荷計(jì)算中,假定沒有空調(diào)運(yùn)行且每個(gè)區(qū)域的溫度保持在用戶設(shè)定的溫度值,所以eQUEST的負(fù)荷模塊計(jì)算的冷熱負(fù)荷是為保持房間設(shè)定溫度所帶走的熱量。空氣系統(tǒng)模塊利用負(fù)荷模塊的結(jié)果以及用戶輸入的系統(tǒng)描述信息,確定需要系統(tǒng)移去或加入的熱量。該模塊考慮了新風(fēng)需求、系統(tǒng)設(shè)備控制策略、送回風(fēng)機(jī)功率以及系統(tǒng)運(yùn)行特性。機(jī)組模塊利用系統(tǒng)模塊結(jié)果以及用戶輸入的設(shè)備信息,計(jì)算建筑及能量系統(tǒng)的燃料耗量和耗電量。該模塊考慮了部分負(fù)荷性能。經(jīng)濟(jì)模塊進(jìn)行壽命周期分析。輸入數(shù)據(jù)通常包括建筑及設(shè)備成本、維護(hù)費(fèi)用、利率等。這四個(gè)模塊相互聯(lián)系形成一個(gè)建筑系統(tǒng)模型。eQUEST軟件模擬前必須收集大量信息,包括建筑場地信息和氣象數(shù)據(jù),建筑外形、結(jié)構(gòu)、材料,建筑的運(yùn)營及時(shí)刻表,內(nèi)部負(fù)荷,空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備及性能及公用事業(yè)等。eQUEST能夠模擬常見的60多種空調(diào)系統(tǒng),其中可模擬的一些特殊的空調(diào)系統(tǒng)有:地源熱泵系統(tǒng)、水側(cè)變流量系統(tǒng)、雙風(fēng)機(jī)雙風(fēng)管變風(fēng)量系統(tǒng)、自然通風(fēng)、熱電聯(lián)產(chǎn)、蓄能系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換、熱回收通風(fēng)等。2.2建筑能耗模擬分析的示例2.2.1地下主副產(chǎn)物主建筑物系本工程為黑龍江興達(dá)房地產(chǎn)綜合開發(fā)有限公司開發(fā)建設(shè)的香木小區(qū)二區(qū)7#樓住宅工程,位于動(dòng)力區(qū)木材街以東,互助街以南。建筑參數(shù):總建筑面積:7345.4m2,閣樓建筑面積:937m2。層數(shù):地上6層,一、二層為商服及車庫,層高為3.3m及3.6m;三層以上為住宅,層高2.8m。其中:車庫面積:653.7m2,商服面積:936.6m2,住宅面積:4818.1m2。建筑外表面積4053.6m2,建筑體積20120.3m3,體形系數(shù)0.201。2.2.2模擬得該建筑的耗熱量指標(biāo):qH=16.54w/m2。為了驗(yàn)證eQUEST模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,將模擬結(jié)果與規(guī)范中的有效傳熱系數(shù)法計(jì)算出來的結(jié)果進(jìn)行對比。3.對能耗計(jì)算結(jié)果的分析從表中的對比結(jié)果可以看出:在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量指標(biāo)方面的差異率在10%以下,空氣滲透耗熱量指標(biāo)差異較大,內(nèi)部得熱差異率在10%左右,總的耗熱量指標(biāo)差異在20%左右,eQUEST模擬的結(jié)果明顯要小于規(guī)范計(jì)算的結(jié)果。產(chǎn)生差異的主要原因是:(1)兩種計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)不同?！睹裼媒ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于建筑能耗的計(jì)算方法是基于傳熱原理的有效傳熱系數(shù)法,將建筑物的熱過程看作靜態(tài)的、不變的。而eQUEST(DOE-2)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的模擬過程,采用的是哈爾濱地區(qū)的典型氣象年(TMY)數(shù)據(jù),能比較真實(shí)全面的反映建筑物所處的氣候狀況,從而得出的結(jié)論也更接近實(shí)際能耗水平。(2)從空氣滲透傳熱量指標(biāo)的較大差異看,主要還是與二者的計(jì)算方法的理論依據(jù)相關(guān)?？諝鉂B透傳熱量受外界氣候條件影響因素較大,同時(shí)與室外溫度、室外風(fēng)速、風(fēng)壓等多個(gè)條件相關(guān)聯(lián),eQUEST采用的TMY數(shù)據(jù)中將這些氣象影響因素全部考慮進(jìn)去,因而計(jì)算得到的結(jié)果更接近實(shí)際情況。而傳熱系數(shù)法并沒有考慮這些氣象影響因素。(3)從內(nèi)部得熱因素差異看,規(guī)范中將所有住宅的內(nèi)部得熱量規(guī)定為一個(gè)定值3.8W/m2,但實(shí)際情況要比這復(fù)雜得多,比如各種房間的人員密度、人員活動(dòng)的時(shí)間、照明和設(shè)備開關(guān)時(shí)間等都有很大的差異。