建筑环境模拟软件讲解

Energபைடு நூலகம்Plus
EnergyPlus 基于动态负荷理论，采用反应系数法对包括建筑物及 其相关的供 热、通风和空调系统设备能耗情况进行模拟分析的一款大 型能耗分析计算软件。 输入建筑的地理位置，相关的气象资料，建筑 材料及围护结构的基本信息，内部使用情况(包括人员、照明、设备和 空气流通的情况)，供热、通风及空调系统形式、运行状况以及冷热源 的选择情况等信息，EnergyPlus 便可模拟计算出建筑物 的全年建筑 能耗。并通过整个建筑的能耗分析情况，对其供热、通风、空调系统 及其相关冷、热源的设计、运行、控制提供指导。EnergyPlus 不但 可以对实际的 建筑物进行模拟计算，也可以对虚拟的建筑物情况通过 建立分析模型进行能耗模 拟计算。
基本假设
几种模拟软件
• • • • • • DOE-2 BLAST ESP DEST ENETGYPLUS MiniTab
DOE-2
美国能源部主持，由劳伦斯伯克利国家实验室 （LBNL）开发，可用于逐时能耗分析，HVAC系统运行 的寿命周期成本(LCC),1979年首次发布，曾经是国际上
应用最普遍的建筑热模拟商用软件。
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DOE-2 采用反应系数法求解房间不透明围护 传热，冷负荷系数法计算房间负荷和 房间温度。 DOE-2 不直接计算各围护内表面的长波辐射换热， 而是将其折合在内 表面与空气的对流换热系数中; 在考虑围护内表面与空气的对流换热时，将空气温 度设为固定值，求得自围护传入室内的热量，当空气 温度改变后，不再重新计算; 在考虑邻室换热时采用 邻室上一时刻的温度进行计算，以避免房间之间的 联立求 解。所以，DOE-2 在负荷计算时没有严格考 虑房间热平衡。在 DOE-2 软件结构 中，计算模块 LOADS 和 SYSTEMS 均会计算房间负荷，前者的负 荷计算结果是 假设各个房间全年都维持在一个恒定 空调温度，而后者是考虑了室外新风利用、 空调系统 控制等因素后对 LOADS 负荷计算结果的修正。计 算时间步长为1h。
冷热负荷模拟采用了反应系数法，假定室内温度恒
定，不考虑房间之间的相互影响。由于反应系数截取的项
数有限，因此在模拟厚重墙体时误差较大。
反应系数法
反应系数法是加拿大人D.G.Stepphonsen和G.P.Mitalas在60 年代末提出 来的，该方法将墙体和房间当作线性的热力 系统，利用系统传递函数得出某种单位扰量下的各种反应 系数,再用反应系数来求解传热量和负荷。 反应系数法并 不要求以周期扰量为前提，可以用时间序列表示外扰的变 化，适用于任何扰量，因此适用于全年的房间负荷计算和 模拟。这种方法把计算对象看成是一个线性系统，然后把 扰量、反应以及系统的数学模型进行 Laplace 变换，在频 域范围内进行问题的求解。
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EnergyPlus 采用集成同步的负荷/系统/设备模拟方 法。EnergyPlus 采用理想的空调设 备模型 ( IdealLoadsAirSystem) 来计算理想负荷，从而 与另外两种软件的负荷计算结果进行比较。 EnergyPlus 将房间热平衡分为围护结构表面热平衡 和空气热平衡两部分。在求解不透明围护 传热时， EnergyPlus 采用 CTF( Conduction Transfer Function) 或有限差分法，CTF 实质 上也是一种反应系数法，但 不同于 DOE-2 的基于室内空气温度的反应系数法， 它是基于墙体 的内表面温度，而有限差分法可以处理相变材料或变导热系数材料等问题。EnergyPlus 先采用 状态空间法求解单面围护的热特性，基于热 特性系数得到其内外表面热流与内外表面温度的关 系，然后在考虑围护内外表面的热平衡时，考虑各围 护内表面之间的长波互辐射换热及与室内 空气的对 流换热，构成围护结构表面热平衡方程，再结合空气 热平衡，严格保证了房间的热平 衡。在处理邻室换 热时，EnergyPlus 采用邻室上一时刻的温度，但由于 EnergyPlus 在计算 负荷时一般采用 10 ～ 15min 的时 间步长，且各房间不断迭代求解，保证了多房间的热 平衡。
BLAST
BLAST是70年代由国家标准局（NBSLD）
组织开发的用于计算建筑能耗的应用软件。使 用热平衡法计算负荷。适用于工业供冷、供热 负荷计算，建筑空气处理系统 以及电力设备逐 时能耗模拟，但需要用户对专业知识和工程实 际有较深刻理解才能设计出符合要求的模型。
DOE-2和BLAST
这两种软件都存在一个同样的问题，那就是随着时间 的推移，对软件的维护、修正和扩展越来越困难。因 为这需要具有多年程序开发 经验的程序员，且不能 是源代码的开发者。更重要的是，这一工作将会耗费 大量的时间和资金。1996 年美国能源部和劳伦斯伯 克利国家实验室（LBNL）决心集多方之力，取上述 两个软件之精华，用新的软件开发思想构造出 21 世 纪的建 筑能耗模拟软件，这就是 EnergyPlus。
DOE-2
DOE一2采用经典的LSPE结构，即Load模块、System 模块、Plant模块和Economic模块可以很精确地处理各 种功能和结构复杂的建筑环境，但是对系统的处理能力很 有限，只能处理有限的几种暖通空调系统，且它是基于 DOS环境下的软件，界面不太友好。其次，DOE一2的输 入较为麻烦，有固定的格式，必须采用手动编程的方法输 入，且有关键字的要求。另外，顺序结构是DOE一2的重 大缺陷，在实际的暖通空调过程中，建筑室内热环境、空 调系统以及主机的运行情况等是耦合的，顺序结构的理念 彼此没有反馈，影响了建筑环境模拟计算结果的准确性。
几种建筑环境模 拟软件简介
建筑环境模拟软件的主要用途和目的：
1)建筑负荷和建筑环境模拟：为后续的节能设计、节 能评估、节能审计以及节能措施的制定提供参考。 2)优化分析：通过不同工况的环境模拟，进行围护结 构、设备、暖通空调系统、控制系统和控制策略等的 优化，得出最佳结果；同时还可以进行各种方案的比 对，通过经济性分析得出最佳方案。 3)设备与系统各种运行状况的预测：在内外扰动等复 杂因素的作用下，系统中参数的变化很复杂。通过建 筑能耗模拟软件能够比较方便地预测各种工况下的系 统参数。 4)为节能标准和规范的制定和实施提供辅助作用