建筑能耗模拟与分析

摘要：随着我国经济的快速发展，能源供需紧张状况也日益严重，我国目前建筑消耗的能源已经占全国商品能源的21％一24％。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。因此，节约能源和开发利用可再生能源，势在必行。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。建筑节能是我国可持续发展战略的一个重要组成部分，办公建筑由于其能耗比较高、节能潜力大更是建筑节能的重点。建筑设计过程的节能考虑十分重要，建筑能耗模拟也正对建筑设计过程中的节能决策发挥着越来越重要的作用。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。

关键词：建筑能耗、模拟软件、能耗模拟与分析的应用

随着国民生活水平的提高，建筑总量的大幅增加，人们对居住的舒适度要求也提高，相应的建筑能耗急剧增大，建筑能耗已经与工业能耗、交通能耗并列成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。而热水供应能耗约占全社会总能耗的30%，其中最重要的是采暖和空调，其占到建筑能耗的65%、而热水供应能耗占建筑能耗的15%.根据建设部推算，如果不推行建筑节能或绿色建筑，到2020年，我国建筑的能耗要达到11亿吨标准煤，也就是现在我们建筑能源的3倍以上，那时我国也就成为碳排放量最大的国家。相反，如果城镇建筑全部达到节能标准，每年将节省3.35亿吨标准煤；空调高峰负荷将减少8000万千瓦，相当于我国国家从1998年到2002年五年新增电力容量的总和，或4.5个三峡大坝的发电量。在建筑的全生命周期里，建筑材料和建造过程中所消耗的能源一般只能占到其总的能源消耗的20%左右，大部分能源消耗则发生在建筑物运行过程中。因此，建筑运行能耗是建筑节能任务中最主要的关注点之一。

随着城市的不断发展以及产业结构的调整，建筑能耗将超越工业能耗，交通能耗等其他行业而居于全部社会能源消耗的首位，将可能达到30%—40%。我国人口众多，如果照搬发达国家的模式及发达国家的人均水平的话，那么中国建筑能源的消耗将达到全球目前能源消耗的1/4，很显然这是不可能的。因此必须高度重视这一问题，提前防范，并探索一条适合中国发展的办法，在满足社会经济发展和人民生活水平的前提下，大幅度减少能源消耗，实现城市建设的可持续发展。我国目前既有建筑约为400亿㎡，每年将新建约20亿㎡，建筑物用电量为4600亿kWh。如果延续目前的能源消耗情况，预计到2020年底，将达到全社会

能源消耗的46.7%。目前，国内所有大城市的新建建筑中，只有10%-15%符合规范的要求。能源的利用效率目前也仅为33%，落后发达国家将近20年；同时我国能源消耗强度也远高于发达国家及世界平均水平。因此，我国必须大力推进建筑节能的实施，而建筑能耗模拟技术则是建筑节能设计中强有力的工具。只有通过计算机模拟计算的方法才能有效地预测建筑环境在没有环境控制系统时和存在环境控制系统时可能出现的状况，例如室内温湿度随时间的变化、采暖空调系统的逐时能耗、以及建筑物全年环境控制所需的能耗。

建筑模拟主要在如下两方面得到广泛的应用：建筑物能耗分析与优化和空调系统性能分析和优化。利用建筑能耗模拟与分析软件对建筑能耗模拟，可以随时模拟任意地点、任意气候区及任意季节的情况，而不受实际因素的影响。也可以对我们提供各种各样的可能方案进行可行性分析，开拓我们的思路，实现各种可能性。除了在设计阶段可以使用外，还可以预测并调整建筑建成后可能出现的问题。因此，在设计阶段尽早进行能耗模拟分析的话，将可以增加设计过程的预测性和可控性。

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。

模拟软件是建筑能耗模拟的工具。现在有许多个大型工程中得到应用。不同类型的模拟软件，各个软件有各自的特点，并且面对众多的模拟软件，要进行比较和做出选择并还在不断的发展。有些模拟软件计算详细精确，但是不容易。选择软件时首先要考虑清楚所要解决的问使用起来很复杂，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,TRN-SYS和Energy-Plus。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、HV AC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列建筑能耗举了几种模拟软件及其特点，供参考。