7建筑能耗分析用逐时气象模型
建筑能耗模拟分析.pptx
书山有路
目前有许多可用于全年建筑冷热负荷计算的计算机建筑能耗模 拟软件。如 DeST、PKPM、EnergyPlus、DOE-2、ESP-r 等。 1DOE2 DOE-2 是现今世界上最为流行的建筑能耗分析和建筑能耗 模 拟软件。冷热负荷的能耗模拟模拟采用的反应系数法，假定室内温 度恒定，不考虑不同房间之间的相互影响。
书山有 路
建筑能耗模拟析
建筑能耗包括室内能耗、新风能耗、附加能耗。室内能耗包括围 护结构能耗、空气渗透能耗、室内热源散热形成的能耗。具体的计算 可参照《实用供热空调设计手册》进行计算。 空调区的建筑能耗， 应根据所服务空调区的同时使用情况、空调系统的类型及调节方式， 按各空调区逐时能耗的综合最大值或各空调区能耗的累计值确定，并 应计入各项有关的附加能耗。 各空调区逐时能耗模拟的综合最大值， 是从同时使用的各空调区逐时能耗相加之后得到的数列中找出最大 值；各空调区能耗的累计值，即找出各空调区逐时能耗的最大值并将 它们相加在一起，而不考虑它们是否同时发生。
2 EnergyPlus 是在 BLAST 和 DOE-2 的基础上开发的，兼具两者的 优点以及一些新的特点。EnergyPlus 是一个建筑能耗逐时模拟引擎， 采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法。EnergyPlus 采用CTF 来计算墙体、屋顶、地板等的瞬态传热，采用热平衡法计算负荷。 3ESP-r 是在欧洲应用非常广泛的建筑能耗模拟分析软件。 ESP-r采 用半隐式差分格式求解导热方程。可以计算房间各个内、外 表面的 太阳辐射得热；模拟整个建筑各个房间之间的空气流动；基于 人体 活
例如：当采用变风量集中式空调系统时，由于系统本身具有自适 应各空调区建筑能耗变化的调节能力，此时即应采用各空调区逐时建 筑能耗的综合最大值；当采用定风量集中式空调系统或末端设备没有 室温控制装置的风机盘管系统时，由于系统本身不能适应各空调区建 筑能耗的变化，为了保证最不利情况下达到空调区的温湿度要求，即 应采用各空调区建筑能耗的累计值。 设计负荷是按照标准规定的室 内外计算参数进行的负荷计算的结果，它是全年负荷中的最大冷（热 ） 负荷，是选择设备最大容量的依据，并不代表实际运行负荷。实 际上 全年室外气象参数在逐时变化，而室内的热湿环境参数也是在逐 时变 化，因此，采用动态能耗模拟计算进行建筑全年能耗分析的变 化，为 空调系统提供真实的能耗分析设计依据。
建筑热环境模拟分析用逐时相对湿度生成方法_高庆龙
第33卷 第6期2007年12月四川建筑科学研究S i chuan Bu il d i ng Sc ience收稿日期:2006-07-03作者简介:高庆龙(1978-),男,山东阳谷人,博士研究生,主要从事绿色建筑设计研究。
基金项目:国家自然科学基金资助项目 建筑气候设计方法及其应用基础 (50408014);重大国际合作项目 建筑节能设计的基础科学问题研究 (51410083)E -m a i :l gao3066@163.co m建筑热环境模拟分析用逐时相对湿度生成方法高庆龙1,2,杨 柳1,刘大龙1,王丽娟1(1 西安建筑科技大学建筑学院,陕西西安 710055;2 中国建筑西南设计研究院,四川成都 610081)摘 要:分别采用对4次相对湿度、4次含湿量、4次露点温度以及4次湿球温度进行直线插值或3次样条插值等8种计算方法生成的逐时相对湿度,从统计学和能耗模拟两个角度,与实测值进行对比分析。
分析结果表明,由4次含湿量(或露点温度)进行线性插值计算生成的逐时相对湿度与实测相对湿度吻合较好;并据此给出了由逐时相对湿度根据关联性计算生成逐时含湿量、湿球温度、露点温度的方法。
关键词:热环境模拟;4次相对湿度;逐时相对湿度中图分类号:TU 111 文献标识码:A 文章编号:1008-1933(2007)06-0203-04The m et hod of getting hourl y relative hu m idity for buil di ng t her m al condition si m ulationGAO Q ing long 1,2,YANG L iu 1,LIU D along 1,WANG Lij u an1(1.X i an U niversity of A rchitecture &Science ,X i an 710055,China ;2.Chi na South w est A rch itectura l D esi gn and R esearch Instit ute ,Chengdu 610081,Ch i na)Abstrac t :Se ries o f hour l y re l a ti ve hu m idity has been g iven v ia e ight kinds of i nterpo lati on ,such as i n terpolation li near and i nterpo l a ti on cub ic spli ne to 6-hour steps re lati ve hu m i dity da ta ,6-hour steps abso l ute hu m i d it y data ,6-hour steps dew po i nt te m perature and 6-hour steps w et bu l b temperat u re .The differences a m ong them have been study on t wo si des o f stati stic and si m u l a ti on .The concl usion t hat the i n terpolation li nea r to abso lute hu m i dity has the m i n i m u m i n terpolation error has been drawn .A nd at t he sa m e ti m e the better m ethod of ge tti ng hourly abso lute hu m i d i ty ,hourly we t bulb te m pera t ure and hourly dew po i nt te m pe rature have been g i ven .K ey word s :bu ildi ng t her m a l cond iti on si m ulati on ;6-hour steps re l a ti ve hu m i d ity ;hour l y re lati ve hu m i d ity0 引 言随着计算机技术的发展,建筑能耗模拟以及热环境动态分析逐步成熟[1]。
建筑能耗与地域气象条件的关系研究
建筑能耗与地域气象条件的关系研究1. 建筑能耗与地域气象条件密切相关，地域气候条件对建筑能耗的影响非常显著。
2. 首先，研究表明气候条件会直接影响建筑的能源消耗。
不同地区的气温、湿度、风速等气象因素会对建筑的采暖、制冷、通风等能耗产生不同程度的影响。
3. 在寒冷地区，高耗能用于供暖的建筑更容易受到气候条件的影响。
冬季气温低、风大的地区需要更多的能源来加热建筑，因此建筑能耗会相对较高。
4. 而在炎热地区，制冷能耗往往成为建筑的主要能源消耗来源。
高温多湿的气候条件下，建筑需要消耗大量能量来维持舒适的室内温度，因此能耗也相对较高。
5. 不仅如此，地域气象条件还会影响建筑的朝向、窗户设计、保温材料选择等方面。
合理设计建筑的朝向和窗户布局可以最大程度地利用自然采光和通风，减少能源消耗。
6. 另外，根据地域气象条件选择合适的保温材料也可以有效降低建筑的能耗。
在寒冷地区选择优良的保温材料可以减少供暖能耗，而在炎热地区选择隔热性能好的材料可以减少制冷能耗。
7. 除了直接影响建筑能耗，地域气象条件还会间接影响建筑的能源利用方式。
例如，气候条件对可再生能源的利用具有重要影响。
8. 在阳光充足的地区，利用太阳能发电可以成为一种较为经济且环保的能源选择。
而在风力资源丰富的地区，利用风力发电也可以有效减少建筑的能耗。
9. 此外，地域气象条件还会影响建筑能源系统的设计。
不同气候条件下，建筑需要设计不同的暖通空调系统，以最大程度地提高能源利用效率。
10. 因此，建筑能耗与地域气象条件的关系研究不仅可以帮助我们更好地了解能源消耗的规律，还可以指导我们合理设计建筑，减少能源消耗，实现建筑节能减排的目标。
建筑能耗分析
（VAV），空调水系统采用同程式两管制水系统。 能耗分析与节能研究的主要目的是使该建筑消耗
最低的能源达到舒适、健康的最优室内环境，并使其具 有可持续设计的鲜明特征；将其建成生态化、智能化、 地标性的高档办公建筑，并成为该区绿色和环保的标 志性建筑。
1 研究目标
建筑能耗由各耗能系统的能耗组成，包括照明、空 调、采暖和设备能耗等。对建筑能耗的分析包括建筑能 耗性能指标的分析和能耗组成的分析，通过设计能耗 性能指标与能耗性能基准（本文以《公共建筑节能设计 标准（GB 50189- 2005）》为基准，以下简称《节能标准》） 比较，从而了解整个建筑的能耗性能水平；另一方面， 通过能耗组成的分析，可以为节能优化提供指导和决 策支持。
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确定，见表 7。
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4 设计模型 能 15：00 95
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耗分析
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4.1 设计模型能耗组成
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通过照明模拟软件调整布灯间距，使 照明功率密度（LPD）降到最低。高大空间采用高效金 属卤化物灯，并结合直接照明方式，将照明配电降到最 低。优化后的照明功率密度详见表 4。
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经过模拟可以得出以下结果：年总耗电量为 20：00 0
一种基于统计的逐时太阳辐射数据计算方法(1).
一种基于统计的逐时太阳辐射数据计算方法(1)逐时气象参数是建筑物全年能耗计算机模拟的必输入参数之一，其中的太阳辐射数据通常难以得到。
本文提出了一种基于统计的逐时太阳辐射数据计算方法，在计算出大气层外水平面逐时太阳辐射数据的基础上，利用典型气象年逐时气象参数中的太阳辐射数据，拟合出水平面逐时太阳总辐射量与大气层外水平面逐时太阳总辐射量之间的关系，以及法线方向太阳直射辐射量与水平面太阳总辐射量之间的关系，再结合实际气象年的相关气象数据，从而可以计算得到实际气象年的逐时太阳辐射数据。
关键词：气象参数太阳辐射统计0 前言当前，采用计算机模拟的方法对建筑物的全年能耗进行分析越来越普遍，这种方法既可以在设计阶段，对新建建筑的能耗进行预测，从而指导建筑物能源系统的设计，使之符合国家相关的节能标准。
同时，也可以用于已建建筑，对建筑物的能耗进行评价和预测，并为对其进行节能改造的可能性及其效果进行预估。
目前，常用于建筑物全年能耗模拟的计算机软件有DOE-2（包括VisualDOE）、EnergyPlus、eQUEST和DeST等。
由于空调系统在整个建筑物的全年能耗中占有相当大的比例，因此，在对建筑物的全年能耗进行计算机模拟的时候，不可避免地计算空调系统的全年能耗，而空调系统的能耗，与当地的气象条件，特别是温度、湿度和太阳辐射强度紧密相关。
通常，在设计阶段进行建筑物能耗预测时，一般采用典型气象年数据；而在对已建建筑进行全年能耗分析的时候，由于已经可以取得建筑物运行的实际能耗数据，通常需根据实际能耗数据和实际气象年逐时数据对计算机模型进行校准(calibration)，以保证模型具有足够的精度，然后再采用标准气象年数据进行计算，并根据计算结果进行评价和比较。
这种建模→模型校准→计算及结果评价的方法也是IPMVP 2002 (International Performance and Measurement Verification Protocol)中所推荐的方法。
几种能耗监测软件对比
1、DOE-2：可以通过提供的实时天气信息、建筑几何结构、HVAC描述等预测建筑物每小时能耗和能源成本。
适用于各种住宅建筑和商业建筑。
由一个用于输入的子系统（BDL处理器）和四个仿真子系统（LOADS、SYSTEMS、PLANT 和ECON ）组成。
LOADS的输出信息作为SYSTEMS的输入信息，SYSTEMS的输出信息作为PLANT的输入信息，PLANT的输出信息作为ECON的输入信息，层层相关。
在建筑设计研究和翻新改造分析中应用近20年。
优点：有非常详细的建筑能耗逐时分析报告，可处理结构和功能较为复杂的建筑。
不足：DOS下操作界面，输入较为麻烦；对专业知识要求高。
2、EcoTect：一种连接了3D模具的高视觉性建筑设计和分析工具，具有广泛的分析功能，包括：热量、能源、照明、声学和成本等方面。
其建模和分析能力可以处理各种大小和复杂程度的建筑几何结构。
最主要的优点是专注于反馈建筑设计过程的初期。
可以提供包含输入3D CFD模拟数据的可视化空间分析结果。
随着由于建筑物的几何形状和材料特性变化而不断更新的交互式声学和太阳能射线追踪提供实时动画功能。
优点：可以处理各种复杂程度的建筑结构，简单准确，而且可提供可视化分析报告。
不足：由于其可以执行许多不同类型的分析,用户在输入建筑的相关信息之前需要了解不同的建模和数据要求。
3、EnergyPlus：基于BLAST和DOE-2的最受欢迎的特性和功能的结构化模型，采用文本文件进行输入输出。
在用户设置的时间步长(默认为15分钟) 计算的负荷被传给建筑系统仿真模块在同一时间步长。
根据变化的时间步长，进行加热和冷却系统和电气系统响应的计算。
主要用于多区域气流分析、太阳能利用方案设计和建筑热性能研究。
优点：提供关键词解释，操作相对简单。
通信接口使用IFC标准建筑模型，因此可以从CAD程序获取建筑几何结构。
不足：相比图形文件，文本文件输出不够直观，需要经过电子数据表格作进一步的处理。
建筑设计中的建筑能耗模拟技术使用方法总结
建筑设计中的建筑能耗模拟技术使用方法总结建筑能耗模拟是一项能够帮助建筑设计师评估建筑能效并提出优化方案的关键技术。
通过模拟建筑物在不同气候条件下的能耗情况，可以准确预测和优化建筑的能源消耗，从而节约能源并提高建筑的可持续性。
在本文中，将对建筑能耗模拟技术的使用方法进行总结。
首先，进行建筑能耗模拟需要建立一个准确的模拟模型。
模型可以包括建筑物的几何形状、建筑材料的热物性参数、建筑物的使用情况等等。
为了准确预测建筑的能耗情况，模型需要基于真实的数据进行构建，并且需要根据实际情况进行调整和验证。
其次，选择合适的模拟软件是非常重要的。
市场上存在许多专业的建筑能耗模拟软件，如EnergyPlus、DesignBuilder、TRACE等。
这些软件提供了各种模拟功能和分析工具，可以帮助用户对建筑的能耗进行准确分析和优化。
选择合适的软件需要考虑模拟需求、使用难度、计算速度等因素。
在进行建筑能耗模拟时，需要输入准确的气候数据。
气候数据包括温度、湿度、太阳辐射等变量，这些数据对于准确模拟建筑的热传递和能耗非常关键。
可以使用气象站的历史数据或者气象预报数据来获取准确的气候数据，以保证模拟结果的可靠性。
在模拟过程中，还需要设置合理的边界条件和参数。
边界条件包括建筑的外部环境、室内温度、照明和空调系统的设置等等。
这些条件和参数会对建筑的能耗产生重要影响，需要根据实际情况进行准确设置。
建筑能耗模拟的输出结果通常包括建筑的能耗情况和能源消耗分布图。
根据这些结果，建筑设计师可以评估建筑的能效，并制定相应的优化方案。
例如，可以通过调整建筑物的传热和透光性能、改善建筑物的绝热性能、优化照明和空调系统的运行策略等方法来减少能源消耗。
此外，建筑能耗模拟还可以用于评估建筑节能措施的有效性。
在建筑设计的早期阶段，可以通过模拟不同节能措施的效果，从而选择最具成本效益的措施，提前进行预测和优化。
需要注意的是，建筑能耗模拟只是一个辅助工具，真正的节能效果还需要依靠建筑设计师的经验和综合思考。
上海地区建筑能耗计算用典型年气象数据的研究
★ Tongji University , Shanghai , China
①
0 引言 随着 EnergyPlus , Equest , DeS T , DO E2 等建
筑能耗模拟软件的开发 ,反映全年逐时建筑能耗的 动态模拟技术已得到普遍应用 。我国目前用于建 筑能耗模拟的典型年气象参数共 5 套 ,然而由于过 去气象观测值的不完善 ,对缺损的观测值需要通过 插值 、拟合 、推定等数理统计处理 ,基础数据来源及 推定模型的不同导致即使是对同一地区 ,各套典型 年气象数据也不尽相同 ,甚至一些重要的基础参 数 ,如太阳辐射等数据存在较大差异 ,并与实际气 象参数存在偏离 ,将有可能影响建筑能耗模拟的可 靠性和精度 。本文探讨了 5 套典型年气象数据的 适用性及其统计特性 。 1 我国常用的建筑全年能耗模拟典型年气象数据
照明强度
11 W/ m2 (办公室 ,教室) ; 5 W/ m2 (走廊 ,节
能灯具)
办公设备负荷密度 20 W/ m2 (办公室) ;5 W/ m2 (教室)
设计室内空气温度 夏季空调 26 ℃;冬季供暖 20 ℃
冷热源
变频多联机 VRV (部分办公室) ;地埋管地源
热泵系统 (教室)
空调末端
变频多联机 VRV 末端 (部分办公室) ;吊顶辐
项进行模拟计算最接近 2008 年实际能耗 。从表 4 IW EC 的全年模拟结果偏大 。
可知 ,C T YW 中各气象要素的年平均值都比其他 3 典型气象年中的主要气象要素分析
表 4 上海地区各气象参数空调供冷期的平均值及与实际值的偏差
CSWD
DeS T
CT YW
IW EC
SWERA
2008 年
CTYW Chinese Typical
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的情况下产生的，主要应用于逐日数据的模拟。然而，这 两种方法所模拟出来的气象数据仍不能完全反映实际的逐 日气象变化规律。
随着我国逐日气象资料的公开，我们已获 得遍布全国的194个气象站台的近50年的逐 日气象数据。
在逐日数据充足的有利条件下，就无需再 用复杂繁琐的方法模拟逐日参数，也就是 说，可以越过气象模型建立的第一步，直 接进行第二步——模拟逐时参数。
权重 2/24 1/24 2/24 1/24 2/24 1/24 1/24 1/24 12/24 1/24
干球温度模型的建立
资料表明，一天内最高温度一般出现在午 后三时，而最低温度出现在日出前一小时 左右。温度在一天内的变化规律可以近似 用余弦函数来表示。
干球温度模型的建立
日平均温度
用傅立叶级数模拟逐时温度
日最低温度
用一种简易方法模拟逐时温度
tw, tw,m 0.489tw cos(15 225.8) 0.062tw cos(30 35.2)
日最高温度
没有考虑各天之间的影响， 各天之间的温度都是孤立的
各天温度之间都是连续的
逐时模拟温度的日均值与实测值 的误差较小
逐时模拟温度的日均值与实测值 的误差较大
典型气象年的选择方法
设有N年的 逐日数据
统计出每年每月的各气象参数的平均值 X i,m, y
计算每月各气象参数的 N年平均值Xi,m 及方差 i,m
i—参数序号 m—月份序号 Y—年份序号
对于月份m，如果第y年的实际气象参数能 同时满足以下条件者，可认为该年该月有条
件成为“平均月”X：i,m, y Xi,m i,m
风速风向
典型气象年的选择
由于气象参数的随机性，根据各年的实测 气象参数来计算建筑负荷，其结果常有较 大差别；
这就有必要选取一个“典型年”, 它由 “平均月”构成，按每一“平均月”的气 象参数算得的负荷应与该月的、按历年实 际气象参数算得的负荷的平均值吻合；
典型年反映了气象环境的平均状况。
太阳总辐射的逐时模拟采用ColloresPerein和Rabl模型（简称C.P.R模型）：
水平面日辐射总量
y(t) Qrt (a b cost )
rt
I0 (t) Q0
大气层外水平面逐时辐射量 大气层外水平面日辐射总量
小时中点的时角
t
（t-12）
12
直射和散射的分离
可计算
研究目的和主要内容
研究目的——在逐日实测数据的基础上，建立一套完备
可靠的气象模型,获得满足一定统计要求的全年逐时气象 数据,为空调系统动态过程的研究建立坚实的基础。
主要内容
——在历年气象数据中挑出具有气候代表性的典型气象年； ——找出空气干球温度、绝对湿度、太阳辐射、风速风向以及
天空有效温度等气象参数的一天内的变化规律，建立各气 象参数的逐时模型； ——验证逐时气象模型； ——应用模型于空调系统的动态负荷模拟中； ——模拟全国194个站点的典型年逐时气象数据。
国内外气象模型的研究情况
统计法 随机数模拟法 随机过程模拟法
综合考虑以上三种建立气象模型的方法，我们可以看到：
统计法利用长期的逐时数据构成典型年（或参考年）。
然而我国的逐时气象观测数据却很不完整，目前只有少数 城市有近几年的逐时气象数据，而且这些数据由于某些原 因还未公开。
除统计法外，气象模型由分两步进行：首先，用随机方法 模拟逐日气象参数；然后，再用模拟出的逐日气象参数配 出或随机模拟出最终要求的逐时参数。
初选平均月
如有若干个年份的m月都能满足“初选平均月的条件”，
计算Dm值，选择Dm最小的月份作为第m月的“平均
月”：Dm Ki Xi,m, y Xi,m
i
Ki—各气象 参数的权重
选择典型气象年的气象参数及其权重
气象参数 日平均温度 日最低温度 日平均相对湿度 日最低相对湿度 日平均风速 日最大风速 日最大风速时刻的风向 日日照时数 日总辐射量 日最高温度
日最低相对湿度 日平均相对湿度
日最高相对湿度＝ 2×日平均相对湿度－日最低相对湿度
RH 0.55 RH SIMPLE, 0.45 RH F , 各天衔接处平滑处理
太阳辐射模型的建立
太阳辐射量的逐时模拟主要包括两方面： 总辐射的逐时模拟 直射和散射的分离
总辐射的逐时模拟
建筑能耗分析用逐时气象模型
问题的提出 国内外气象模型的研究情况
内容提要
研究目的和主要内容
结论
气象模型建立的总体思路 选择典型气象年
气象模型的实际应用 逐时模拟数据与实测数据的比较
逐时气象模型的建立
问题的提出
外界气象条件的变化情况与建筑物的动态 热特性是研究空调系统动态过程的基础。
只有基于一整套切实反映气象环境的数据 才能真正对建筑物的冷热能耗有更加准确 的计算分析，对整个空调系统的动态过程 有更全面的了解。
T 0.55TSIMPLE, 0.45TF ,
各天衔接处平滑处理
绝对湿度模型的建立
绝对湿度的模拟是通过间接的方法得到：
利用已模拟出的逐时温度计算逐时饱和水蒸气压力；
模拟出逐时相对湿度；
逐时水蒸汽分压力（绝对湿度）＝逐时相对湿度×逐时饱 和水蒸气压力；
水蒸气分
压力
相对湿度
Pq 100%
Pb,q
饱和水蒸
Pb,q f (T )
气分压力
相对湿度的逐时模拟
资料表明，相对湿度日变化主要决定于气温日变化，但位 相相反，即最低相对湿度出现在午后最高温度时段，而相 对湿度最高值出现在清晨温度最低时刻。
因此可用模拟温度的方法来模拟相对湿度，只要变化方向 相反即可。
气象模型建立的总体思路
原始逐日气象数据
典型气象年的选择
干球温度 绝对湿度
模拟逐时气象数据
太阳辐射 （直射和散射）
天空有效温度
风速 风向
原始逐日气象数据构成
日最高 温度
日平均 温度
日最低 温度
来自 中国气象中心
日照 小时数
日总辐射
原始逐日 气象数据
日平均 相对湿度
日最低 相对湿度
日平均
日平均
风速 日最大 大气压
已知
得到
根据水平面接受到的太阳日总辐射与大气层外
太阳日总辐射之比Kt的范围，可分为如下四种情况：