建筑能耗模擬技術(shù)的應(yīng)用

建筑能耗模擬技術(shù)的應(yīng)用

0我國(guó)建筑能源安全的發(fā)展?fàn)顩r經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展必然導(dǎo)致能源消耗的快速增加。其中建筑能耗占總能耗的比例也不斷增大,目前發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑能耗占總能耗的1/3左右。我國(guó)目前建筑消耗的能源已經(jīng)占全國(guó)商品能源的21%～24%。隨著城市化程度的提高,第三產(chǎn)業(yè)比例的增大,建筑能耗的比例會(huì)繼續(xù)提高。但是能源供應(yīng)量的增長(zhǎng)速度滯后于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度,能源緊張必將制約經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。目前,在緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源短缺矛盾的各種途徑中,建筑節(jié)能被認(rèn)為是最直接有效的方式。在這種背景下,建筑能耗模擬技術(shù)作為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中強(qiáng)有力的工具,得到了前所未有的重視。1能耗計(jì)算的意義在建筑的使用過(guò)程中,能量的消耗主要用于建筑的空調(diào)、照明、熱水、炊事、電器等,其中尤其是空調(diào)系統(tǒng)的能耗占了建筑能耗的一半以上。因此,建筑能耗模擬與空調(diào)的負(fù)荷計(jì)算密切相關(guān)。建筑能耗模擬是利用計(jì)算機(jī)對(duì)建筑能耗和采暖空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)的計(jì)算,從而對(duì)建筑物及其空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。空調(diào)負(fù)荷計(jì)算就是對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。它是依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和建筑熱工性能,計(jì)算出建筑物的冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、濕負(fù)荷以及新風(fēng)負(fù)荷,并以此來(lái)確定空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的容量大小。負(fù)荷計(jì)算是建筑能耗模擬的基礎(chǔ)。建筑物能耗計(jì)算的目的是預(yù)測(cè)建筑物全年的能源消耗量,從而為方案的分析和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。能耗計(jì)算與空調(diào)設(shè)計(jì)中的負(fù)荷計(jì)算是類似的,它們的區(qū)別主要在于能耗計(jì)算一般選擇有代表性的氣候條件為計(jì)算基礎(chǔ),即所謂的典型氣象年。負(fù)荷計(jì)算以極端的氣候條件為計(jì)算基礎(chǔ)。負(fù)荷計(jì)算可以確定暖通空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷的峰值,從而選擇合適的設(shè)備容量和數(shù)量。能耗計(jì)算可以得到用來(lái)滿足負(fù)荷的一年的能源消耗量。目前能耗計(jì)算的方法有多種,基本可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類。靜態(tài)計(jì)算方法應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單,但它不能給出能耗隨時(shí)間的變化情況,它不考慮建筑結(jié)構(gòu)蓄熱的影響。常用的靜態(tài)計(jì)算方法有度日法、bin法、溫頻法、滿負(fù)荷系數(shù)法等。動(dòng)態(tài)計(jì)算方法對(duì)能耗進(jìn)行全年的逐時(shí)計(jì)算,它能詳細(xì)反映能耗隨時(shí)間的變化。常用的動(dòng)態(tài)計(jì)算方法有加權(quán)系數(shù)法和熱平衡法。建筑能耗模擬除了需要建筑設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù),當(dāng)?shù)氐氖彝鈿庀筚Y料也是非常重要的信息。建筑能耗模擬是全年8760h逐時(shí)的動(dòng)態(tài)模擬,因此需要逐時(shí)的氣象數(shù)據(jù)。建筑能耗模擬所需要的氣象參數(shù)包括太陽(yáng)輻射、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、云量、大氣壓力等約10到13種數(shù)據(jù)。模擬往往采用典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)。典型氣象年的數(shù)據(jù)可以根據(jù)過(guò)去多年的氣象數(shù)據(jù),通過(guò)一定的方法建立。2建筑能耗模擬分析模擬軟件是建筑能耗模擬的工具?，F(xiàn)在有許多不同類型的模擬軟件,各個(gè)軟件有各自的特點(diǎn),并且還在不斷的發(fā)展。有些模擬軟件計(jì)算詳細(xì)精確,但是使用起來(lái)很復(fù)雜,要求的專業(yè)知識(shí)較高,它們?cè)谶^(guò)去通常用于研究目的,例如DOE_2,BLAST,ESP_r,TRNSYS和EnergyPlus。這些詳細(xì)的建筑能耗模擬軟件通常是逐時(shí)、逐區(qū)模擬建筑能耗,考慮了影響建筑能耗的各個(gè)因素,如建筑圍護(hù)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(duì)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。另外還有一些相對(duì)簡(jiǎn)單的軟件,例如Energy_10,ENER-WIN和EnergyScheming等。這些軟件可以進(jìn)行建筑全年能耗的評(píng)估,用于系統(tǒng)方案的比較選擇。在國(guó)內(nèi),清華大學(xué)的建筑能耗模擬軟件DeST影響較大,并已經(jīng)在幾個(gè)大型工程中得到應(yīng)用。面對(duì)眾多的模擬軟件,要進(jìn)行比較和做出選擇并不容易。選擇軟件時(shí)首先要考慮清楚所要解決的問題,軟件并非功能越強(qiáng)大就越好,因?yàn)檫@種軟件往往更昂貴,并且由于使用復(fù)雜而更易出錯(cuò)。另外要考慮軟件使用的成本,包括培訓(xùn)、計(jì)算機(jī)資源等。表1列舉了幾種模擬軟件及其特點(diǎn),供參考。3建筑能耗模擬技術(shù)建筑能耗模擬的主要應(yīng)用之一是建筑物能耗預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)優(yōu)化。對(duì)于一個(gè)建筑物來(lái)說(shuō),建筑造型及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)它的能耗有決定性的影響。它們直接影響到建筑物與室外環(huán)境的熱量傳遞、自然通風(fēng)、自然采光,而與這些相關(guān)的負(fù)荷占建筑采暖通風(fēng)空調(diào)負(fù)荷的70%以上。因此,不同的建筑設(shè)計(jì)形式將導(dǎo)致很大的能耗差別。但是建筑設(shè)計(jì)形式對(duì)能耗的影響是復(fù)雜的,很難簡(jiǎn)單地進(jìn)行判斷。例如加大外窗的面積可以增加自然采光,冬天可以增加太陽(yáng)輻射熱量,減少采暖能耗,但夜晚又會(huì)增加向室外的傳熱,增大采暖能耗;夏季還會(huì)增加室內(nèi)的得熱量,增大空調(diào)的能耗。這樣要判斷建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)劣必須依靠計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)能耗模擬。目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)有越來(lái)越多的人開始利用建筑能耗模擬技術(shù)來(lái)分析建筑設(shè)計(jì)與能耗的關(guān)系。魏玲等人利用建筑能耗模擬分析了窗戶對(duì)建筑能耗的影響,得到了減少南京地區(qū)全年空調(diào)建筑物由熱傳遞及太陽(yáng)輻射引起的窗戶能耗的3條措施。陳紅兵等人利用TRNSYS軟件研究了天津地區(qū)窗戶對(duì)建筑能耗的影響。周孝清等人利用DOE_2軟件對(duì)廣州一辦公樓的不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了能耗模擬,提出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。劉洋等人利用EnergyPlus軟件對(duì)天津某住宅小區(qū)的建筑能耗進(jìn)行了模擬,并與實(shí)測(cè)結(jié)果比較,肯定了EnergyPlus對(duì)建筑設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。曹毅然等人利用DeST軟件模擬分析了上?；炷疗鰤K別墅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能及其對(duì)建筑物能耗的影響,并給出了節(jié)能的方案。吳靖杰等人在一個(gè)節(jié)能住宅單體設(shè)計(jì)過(guò)程前期運(yùn)用DOE-2進(jìn)行建筑能耗模擬,并以計(jì)算結(jié)果為指導(dǎo),結(jié)合實(shí)際做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案?？照{(diào)系統(tǒng)的性能預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)優(yōu)化也是建筑能耗模擬的主要應(yīng)用之一。目前空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,一般通過(guò)計(jì)算出最大的冷負(fù)荷來(lái)確定設(shè)備容量和數(shù)量。但實(shí)際上空調(diào)系統(tǒng)要運(yùn)行在各種氣候條件和室內(nèi)使用方式下,它大部分運(yùn)行時(shí)間不是在最大負(fù)荷而是在部分負(fù)荷下運(yùn)行。這些部分負(fù)荷工況的特點(diǎn)不同,使得空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中常常出現(xiàn)問題。如果能在空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)能耗模擬,了解可能出現(xiàn)的各種工況,在設(shè)計(jì)中就可以選擇合理的系統(tǒng)形式,確定合適的設(shè)備容量和數(shù)量,采取有效的控制方案,從而使設(shè)計(jì)優(yōu)化。另外,建筑能耗模擬對(duì)于建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施也發(fā)揮重要作用。美國(guó)的DOE_2是目前最精確的動(dòng)態(tài)模擬軟件,它參與了許多國(guó)家的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)制定。我國(guó)2001年頒布的《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》在制定過(guò)程中,也采用了DOE_2進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算。另外,在評(píng)估一個(gè)設(shè)計(jì)方案是否滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)時(shí),同樣少不了模擬軟件的幫助。4