建筑節(jié)能教案 第15章 建筑能耗的計(jì)算機(jī)分析

第十五章建筑能耗的模擬分析第一節(jié)概述建筑能耗模擬是建筑模擬的一個(gè)方面。建筑模擬（BuildingSimulation）是指對(duì)建筑環(huán)境與系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行模擬分析的方法，因此也可稱(chēng)為建筑性能模擬（BuildingPerformanceSimulation）。建筑性能模擬主要包括建筑能耗模擬、建筑環(huán)境模擬（氣流模擬、光照模擬、污染物模擬）和建筑系統(tǒng)仿真。其中建筑能耗模擬是對(duì)建筑環(huán)境、系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模，并計(jì)算出逐時(shí)建筑能耗的技術(shù)。第二節(jié)建筑能耗模擬基本原理一、概述用來(lái)描述建筑系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由三個(gè)部分組成：①輸入變量，包括可控制的變量和無(wú)法控制的變量（如天氣參數(shù)）；②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特性，即對(duì)于建筑系統(tǒng)的物理描述（如建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱特性、空調(diào)系統(tǒng)的特性等）；③輸出變量，系統(tǒng)對(duì)于輸入變量的反應(yīng)，通常指能耗。在輸入變量和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特性這兩個(gè)部分確定之后，輸出變量（能耗）就可以得以確定。因應(yīng)用的對(duì)象和研究目的的不同，建筑能耗模擬的建模方法可以分為兩大類(lèi)。（1）正向建模方法（經(jīng)典方法）（2）逆向建模方法（數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法）二、正向建模方法1．模塊建模方法正向建模方法的模型由四個(gè)主要模塊構(gòu)成：負(fù)荷模塊（Loads）、系統(tǒng)模塊（Systems）、設(shè)備模塊（Plants）和經(jīng)濟(jì)模塊（Economics）——LSPE。建筑描述建筑描述所在位置、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)、空調(diào)分區(qū)、內(nèi)部負(fù)荷、運(yùn)行時(shí)間表、滲透等系統(tǒng)描述系統(tǒng)類(lèi)型和容量、送回風(fēng)機(jī)、控制與運(yùn)行時(shí)間表、新風(fēng)量設(shè)備描述設(shè)備類(lèi)型和容量、特性參數(shù)、附屬設(shè)備、負(fù)荷分配、能源類(lèi)型經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)因素、項(xiàng)目壽命、初投資、維護(hù)費(fèi)用負(fù)荷模塊系統(tǒng)模塊設(shè)備模塊經(jīng)濟(jì)模塊天氣參數(shù)干球溫度、濕球溫度、云量、風(fēng)速、大氣壓力等建筑峰值負(fù)荷、逐時(shí)負(fù)荷系統(tǒng)逐時(shí)負(fù)荷能源需求和消耗壽命周期費(fèi)用圖15-1正向建模方法的計(jì)算流程示意圖圖15-2熱平衡法原理圖2．系統(tǒng)建模方法在建立了建筑及其系統(tǒng)的各個(gè)部件的模塊之后，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模。圖15-3所示為系統(tǒng)建模方法示意。系統(tǒng)控制反饋系統(tǒng)控制反饋設(shè)備容量反饋能耗熱水/冷水的需求量房間負(fù)荷天氣負(fù)荷模塊系統(tǒng)模塊設(shè)備模塊經(jīng)濟(jì)模塊內(nèi)部負(fù)荷能耗費(fèi)用圖15-3系統(tǒng)建模方法示意圖系統(tǒng)模擬方法有兩種：順序模擬法（sequencemodeling）和同時(shí)模擬法（simultaneousmodeling）。三、逆向建模方法（數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法）逆向建模方法可以分為三種類(lèi)型：經(jīng)驗(yàn)（黑箱）法（Empiricalor“Black-Box”Approach）、校驗(yàn)?zāi)M法（CalibratedSimulationApproach）和灰箱法（Gray-BoxApproach）。1．經(jīng)驗(yàn)（黑箱）法2．校驗(yàn)?zāi)M法3．灰箱法第三節(jié)建筑能耗模擬軟件介紹（1）設(shè)計(jì)用軟件（Practitionerdesigntools）建筑師、工程師等用作進(jìn)行建筑及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件，包括分析、選型、布置、畫(huà)圖、規(guī)范符合、建筑及空調(diào)系統(tǒng)費(fèi)用計(jì)算等，如AutoCAD。（2）建筑全能耗分析軟件（Wholebuildingenergyanalysistools）用來(lái)模擬建筑及系統(tǒng)的全年運(yùn)行狀況，從而預(yù)測(cè)年運(yùn)行能耗和費(fèi)用的軟件。（3）能耗與環(huán)境影響分析軟件（Energyandenvironmentalscreeningtools）主要用來(lái)分析采用新的節(jié)能技術(shù)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境的益處，往往對(duì)計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化，輸入也比較簡(jiǎn)單，并能夠迅速地給出比較直觀的結(jié)果；（4）專(zhuān)業(yè)分析軟件（Specializedanalysistools）用作科研用途，擁有專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的精確的模型，例如計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬軟件Fluent、照明模擬軟件Radiance等。一、建筑全能耗分析軟件分類(lèi)二、建筑全能耗分析軟件介紹1．DOE-21）DOE-2的負(fù)荷模塊2）DOE-2的系統(tǒng)模擬3）DOE-2的設(shè)備模擬4）DOE-2的經(jīng)濟(jì)模擬5）DOE-2.26）DOE-2的用戶(hù)界面圖15-4VisualDOE的總輸入界面圖15-5VisualDOE的空調(diào)系統(tǒng)輸入界面圖15-6VisualDOE的圖形化輸出報(bào)告圖15-7eQUEST的Wizard輸入界面圖15-8eQUEST的3D模型示意圖2．EnergyPlus圖15-9eQUEST的空調(diào)系統(tǒng)輸入界面圖15-10EnergyPlus的Launch界面圖15-11EnergyPlus的IDFEditor界面圖15-12用EnergyPlus建立的某建筑的3-D模型示意圖圖15-13DesignBuilder的界面3．TRNSYS圖15-14在TRNSHELL界面上建立的TRNSYS輸入文件圖15-15PRESIM界面示意圖圖15-16IISiBat輸入界面4．DeSTCABDCABDBShadowMedphaVentPlusLightingEAMBASSchemeDNAAHUCPS圖15-17DeST結(jié)構(gòu)示意圖5．ESP-r圖15-18Linux桌面示意圖第四節(jié)建筑能耗模擬的基本方法一、步驟1：事先規(guī)劃在創(chuàng)建輸入文件前，首先要完成以下清單：獲得建筑所在城市的位置和設(shè)計(jì)氣象資料；獲得足夠的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，使得可以描述全部的建筑幾何結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)（包括外墻、內(nèi)墻、隔墻、地板、天花板、房頂、窗和門(mén)）；獲得足夠的建筑使用信息，使得可以描述照明和其他設(shè)備（包括電、氣等設(shè)備），以及建筑內(nèi)每個(gè)區(qū)域的人數(shù)；獲得足夠的建筑溫度控制信息，使得可以描述建筑內(nèi)每個(gè)區(qū)域具體的溫度控制策略；獲得足夠的HVAC系統(tǒng)運(yùn)行信息，使得可以具體描述風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間表；獲得足夠的集中設(shè)備的信息，使得可以具體描述鍋爐、制冷機(jī)和其他設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間表。二、步驟2：對(duì)建筑分區(qū)圖15-19某建筑平面圖圖15-20熱區(qū)域示意圖圖15-21單一熱區(qū)域模型三、步驟3：準(zhǔn)備創(chuàng)建建筑模型步驟3.1：確定傳熱和蓄熱表面步驟3.2：根據(jù)需要定義等價(jià)表面步驟3.3：描述建筑表面構(gòu)造步驟3.4：編輯表面和子表面信息圖15-22使用等價(jià)表面簡(jiǎn)化模型步驟4：編輯區(qū)域內(nèi)部得熱數(shù)據(jù)圖15-23單一熱區(qū)域模型表面信息的示意圖第五節(jié)建筑能耗模擬的