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建筑节能计算机评估体系研究同济大学 黄俊鹏 李峥嵘摘要 介绍了国外的建筑能耗模拟软件和建筑节能规范一致性评估软件,指出建立符合我国国情的建筑节能计算机评估体系的必要性,构建了针对我国现状的建筑节能计算机评估体系的框架以及以此为基础的建筑节能设计和改造流程。关键词 建筑节能 评估体系 计算机 能耗模拟 一致性评估 软件Building e nergy efficie nc y c o mp uter e valuation syste msBy HuangJunpengandLi ZhengrongAbstractPresents some foreignbuilding energy simulation softwareandbuilding energy codecompliance software.Points out the necessity for developing a building energy efficiency evaluation systemsuitable for China based on computer simulation.Establishes the system frame and the building energyefficiency design and renovation flow.Keywordsbuilding energy efficiency,evaluation system,computer,energy simulation,complianceevaluation,softwareTongji University,Shanghai,China 继西方发达国家20世纪70年代末的能源危机所掀起的节能运动高潮以来,由于能源不合理使用所造成的不可再生能源的枯竭和环境污染的全球化,使这一趋势在发展中国家得以延续和发展。在此背景下,占国民经济总能耗30%左右(我国20%25%)12的建筑能耗日益引起各界人士的关注。许多国家对建筑能耗作出了明确的法律规定,并制定了各种评估方法和技术标准。中国在20世纪80年代初开始颁布相关国家和行业标准3,由于缺少必要的建筑能耗评估体系和推进建筑节能规范标准执行的有效措施,大部分标准在贯彻执行中举步维艰4。在推进建筑节能工作的开展方面发达国家有许多成熟的做法,比如推行DSM(需求侧能源管理)、国家房屋能源等级制(national home energy rating)、建筑用能审计等,但以上措施的顺利实施都是建立在科学的建筑能耗评估上。本文首先介绍了国外是如何利用计算机技术促进建筑节能规范和标准实施的,而后指出建立符合我国国情的建筑节能计算机评估体系的必要性,构建了针对我国现状的建筑节能计算机评估体系的框架以及以此为基础的建筑节能设计和改造流程。1 国外建筑节能评估计算机技术的应用美国是开展建筑节能研究最早的国家之一,计算机技术在建筑节能中的应用也最为蓬勃。当前,在美国与节能标准相关的软件有120多种,其中有关建筑节能评估的有70多种。这些应用软件的开发和运用不仅可定性或定量地对建筑能耗进行评估,从而使建筑节能规范的实施变得相对容易,而且促进了规范本身的完善和发展。同为北美国家的加拿大,在20世纪70年代的能源危机后也开始注重建筑节能的研究和计算机技术在建筑节能评估中的应用。80年代初加拿大开发了两个计算机程序:一是FRAME和VISION,生产厂家和设计师可以用此程序迅速、精确地计算出各种玻璃窗和窗框的热性能;另一是HOT22000,可使设计者校验建筑运行能耗。许多欧洲国家都发展了自己的03科技综述 暖通空调HV&AC2004年第34卷第11期 繱 黄俊鹏,男,1978年12月生,在读硕士研究生200092同济大学暖通空调及燃气研究所(021)63193686E2mail:flyjeep 收稿日期:20030903修回日期:20040906建筑能耗模拟软件,在实际的运用中发挥了较大的经济和社会效益5。虽然软件很多,但按照这些软件的功能可将它们大致分为两类:基于建筑热过程模拟的建筑能耗模拟软件和基于建筑节能标准审核的一致性评估软件。各类软件由于数学模型、编程语言、使用对象、主要功能和实现目的不一样,在实际使用中表现出很大的差别。本文首先就它们在具体功能、输入输出、长处和不足等几个方面作一比较。1.1 建筑能耗模拟软件(building energy simulationsoftware)由于节能标准的实施直接建立在建筑能耗模拟的基础上,因此国外不同的能源机构基于相同或不同的节能标准制定了相当多的模拟软件,仅美国就有77种(2002年10月)。笔者将其中具代表性的几种软件作一简单描述、归纳和比较。详细内容见表1。表1 国外建筑能耗模拟软件比较软 件主要功能输入或输出长 处不 足DOE22.1E逐时能耗分析,HVAC系统运行的寿命周期成本(LCC)分析。适用各类住宅建筑和商业建筑。20种输入校核报告,50种月度或年度综合报告,700种建筑能耗逐时分析参数,用户可根据具体需要选择输出其中一部分。当前最强大的模拟软件,其BDL内核为类似多种软件使用。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。DOS下操作界面,输入较为麻烦,须经过专门的培训;对专业知识要求较高。BLAST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。输入文件可由专门的模块HBLC在Windows操作环境下输入,也可在记事本中直接编辑。基于Windows的友好的操作界面,结构化的输入文件,可分析热舒适度,高强度或低强度的辐射换热,变传热系数下能耗分析。对专业知识和工程实际有较深刻的理解才能设计出符合要求的模型。EnergyPlus多区域气流分析,太阳能利用方案设计及建筑热性能研究。简单的ASCII输入、输出文件,可供电子数据表作进一步的分析。新版本的EnergyPlus(Release1.0.2)提供了即时的关键词解释,使得操作变得更加简单。对建筑的描述简单,输出文件不够直观,须经过电子数据表作进一步处理。ENER2WIN瞬时热流计算,能耗分析,寿命周期成本分析。适用大型商业建筑。提供一个简单的画板输入建筑的基本布局,建筑围护结构的热工性能,室内逐时温度设定。表格和图像形式的月度、年度能耗报告。图形操作界面,可用紧凑模式的气候资料作替代设计方案的快速测试,有较为合理的缺省值。建筑可超过98个分区,提供20多种墙窗类型。算法较为简单,只有9种HVAC系统可供选择。Energy210方案设计阶段建筑能耗评价,逐时空调能耗分析和照明计算。适用住宅建筑和小型商业建筑。12种HVAC系统选一。基于当前方案与标准方案(当前共有12种能量效率策略)之间比较的汇总图表(27种图形表达方式),也可生成详细的报表。易于操作,快速,准确。傻瓜化的操作(自动生成参考方案和最低能耗方案,自动调节HVAC系统,使其满足设计日负荷的需求,提供参考方案,方案的优劣排名)。建筑描述过于简单,只能用于小型建筑(建筑面积小于929 m2(10000 ft2)和小型HVAC系统。TRNSYSHVAC系统和控制分析,多区域气流分析,太阳能利用方案设计以及建筑热性能研究。基本输出格式为ASCII,包括生命周期成本,月度、年度能耗报告。当前最灵活的模拟软件。用户可自定义标准库中没有的组件,强大的帮助系统,可分时 段 模 拟,可 直 接 导 入SimCAD生成的建筑布局作为热工模型的基础。没有为建筑和HVAC系统设定合理的缺省值,用户必须逐项输入两者较为详细的信息。HOT2 XP能耗模拟,负荷计算。适用住宅建筑。建筑特性描述,HVAC系统的详细说明,所消耗的燃料类型。图形和文本两种格式的输出文件,可供电子数据表作进一步处理。图形界面。考虑到了热桥的作用,非常详细的空气渗透模型和热损失模型,提供广泛的HVAC系统型式,提供多种燃料类型。无法进行多区域HVAC系统的模拟。SPARK能耗模拟。适用复杂布局的住宅建筑和商业建筑。用符号表示的计算模型(可自定义或者从列表中选取),系统运行参数。图形输出分析后的结果。复杂建筑围护结构建模,复杂HVAC系统建模,多样的时间间隔可供选择,图形编辑器简化了对建筑物的描述,预置多种HVAC系统。需较高的电脑操作技巧,熟悉HVAC系统运行原理。ESP2r可对影响建筑能源特性和环境特性的因素作深入的评估。内置CAD绘图插件,或者直接导入CAD文件,HVAC系统的详细描述。比较接近实际,整体性的评价。可模拟和分析当前比较前沿或创新的技术。较强的专业知识,须对专业知识有较深入的理解。13 暖通空调HV&AC2004年第34卷第11期 科技综述 表1中的DOE22.1E以及其他基于DOE22内核的软件(如PowerDOE,VisualDOE,EZDOE,DesiCalc)是由美国能源部(DOE)和美国劳伦斯 伯克利国家实 验 室(LBNL,LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)研发的,BLAST(building loads analysisand system thermodynamics)是由伊利诺斯大学研发的,ENER2WIN是由得克萨斯建筑工程大学建筑学院(College of Architecture,Texas A&MUniversity)开发的,Energy210是由美国可持续建筑工 业 委 员 会(Sustainable BuildingsIndustryCouncil)主持开发的,TRNSYS(transient systemsimulation program)是由威斯康星大学太阳能实验室(SolarEnergyLaboratory,UniversityofWisconsin)开发的,HOT2 XP(HOT2000系列)是由加拿大CANMET能源科技中心(CANMETEnergyTechnologyCenter)开 发 的,SPARK(Simulation Problem Analysis and Research Kernel)是由美国劳伦斯 伯克利国家实验室开发的,ESP2r是由英国斯特拉思克莱德大学机械学院(Departmentof Mechanical Engineering,University of Strathclyde)开发的。1.1.1 建筑能耗系统67在进行模拟时,首先要确定影响建筑能耗的各种因素,然后才能建立相应的数学模型。按照影响建筑能耗的内外因素(外部影响、建筑设计和设备运行)可综合出各种模拟软件的建筑能耗系统(见表2)。1.1.2 数学物理模型随着计算机技术的飞速发展,计算机处理容量和计算速度得到大幅度提高,建筑热工分析也从过表2 建筑能耗系统分 类项 目外部影响地理环境经度,纬度,海拔,时区,建筑方位,绿化气候环境全年逐时干湿球温度,相对湿度,空气焓,空气密度,大气压,室外风速及其方向,云态和云量,太阳直射和散射辐射照度,降水、降雪量建筑设计建筑功能商业建筑,住宅建筑,公共建筑等(或依使用功能作更细的划分)建筑体型形状,层数,面积围护结构门,窗(含天窗、老虎窗),外墙,内墙,窗墙比,挑檐建筑材料外墙粉刷材料,屋顶(或外墙)隔热保温材料,墙材室内装潢内外遮阳(材料、颜色),地板,家具设备运行空调系统分区,室内设计参数,系统形式,新风,设备、人员工作规律照明系统天窗,室内照明,开窗位置、数量热水系统电加热或燃气加热热水系统电力电气通讯系统,智能控制系统,电梯其他设备办公设备,家用电器去繁重的手算、近代快速准确的静态电算,到现代整栋建筑全年运行工况的动态模拟,以及将过程识别理论、随机统计理论和模糊逻辑理论移植到建筑热工过程而产生的谱分析法、随机分析法和模糊数学法等数理模型,使得对建筑热工过程、建筑能耗系统的模拟越来越趋近于实际。目前国外建筑能耗模拟软件大多是对整栋建筑的能耗系统作全年运行工况的动态模拟,其算法主要有反应系数法(response factor)和热流平衡法(heatbalance),用于计算全年8 760 h建筑逐时冷热负荷。静态算法,如度日数法(degree days)、箱法(bin)、负荷频率表法和当量满负荷运行时间法已运用较少,而且随着计算机数据处理能力的增强,逐渐被计算精度更高更接近实际的动态方法所取代。表3对各种计算方法作了简要的比较,从中可表3 建筑负荷计算方法计 算 方 法基 本 原 理静态度日数法当日供暖度日数HDD=TB-T(TB为标准参考温度,T为日平均温度),建筑物供暖能耗量QS=24qHDDCD/tN-W(q为建筑物总的设计耗热量,kJ/h;CD为修正因数;tN-W为室内外温差)。箱法把室外气温分成几个不同的温度范围,分别计算每一温度间隔内的建筑能耗量,最后把全部温度间隔内的能耗量相加即得建筑物的总能耗量。负荷频率表法首先要知道计算地点室外空气焓、含湿量、干湿球温度在不同室外空气焓、含湿量、干湿球温度下出现的年频率数(用于全年运行的空调系统)或期间频率数(用于季节运行和间歇运行的空调系统),根据空调系统的全年运行工况和上述频率数,计算出不同室外空气状态参数下的加热量、冷却量、加湿量,然后,累计计算出全年能耗量和期间能耗量。当量满负荷运行时间法当量满负荷运行时间N为全年空调冷负荷(或热负荷)的总和qc(qh)=qdT(q为空调逐时冷(热)负荷,T为时间)与制冷机(或锅炉)最大出力qR(或qB)的比值,即NR=qc/qR或NB=qh/qB动态反应系数法(如DOE22)把墙体和房间分别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热负荷8。热流平衡法(如BLAST)建立在热力学第一定律(能量守恒)的基础上。对建筑的内外表面和室内空气分别确定一个控制体(controlvolume),以此建立热平衡方程9,如室内空气的热平衡方程:cdT/dt=Q1+Q2+Q3+Q4(Q1Q4分别为空气与房间各内表面之间的对流换热量、与人员灯光设备之间的对流换热量、与渗透空气的换热量、与空调系统之间的换热量)。23科技综述 暖通空调HV&AC2004年第34卷第11期 以看出动态模拟的显著优势。1.1.3 软件编程语言在科学和工程计算中使用最为广泛的是Fortran(formula translation),在建筑热工模拟领域也不例外。但Fortran(如Fortran77,Fortran90)程序只能适应早期的DOS操作系统,使软件的使用相对复杂和困难。比如DOE22,由于其对建筑物和HVAC系统的所有描述都是在DOS下完成,即使一个经验丰富的工程师输完所有的数据也要花很长的时间,使其使用和推广较为 困 难。随 着Windows操作系统在计算机上的广泛运用,以及面向对象的编程技术的成熟,有着良好用户界面的应用软件逐渐发展起来,相应的程序编写也从DOS系统转到了Windows系统。Fortran本身的功能也在不断完善,新版本(Visual Fortran,Digital Visual Fortran)的开发系统几乎具备了VC,VB的所有特点,如图形界面编程、数据库等。同时在建筑能耗模拟领域,也兴起了用其他绘图能力、可移植性、数据处理能力更强的编程语言(如C+,Delphi等)开发的模拟软件。具体情况见表4。表4 模拟软件使用的编程语言 模拟软件 编程语言BLAST,DOE22,ENER2WIN,ESP2r,HOT2 XPFortranADELINE,APACHE2HVAC,BEACON,BUS+,Energy210C,C+,Visual C+EA2QUIP,AFT Mercury,AkWarm,AUDIT,ENER2WIN,Visual DOEBasic,Visual BasicCELLARDelphiCOMFIEPascalSystem AnalyzerCA2Realizer,N/A1.2建筑节能规范一致性评估软件(compliancesoftware)大部分能耗模拟软件都可以用于规范的评估检查。但在实际使用中需要一种软件直接针对规范标准,通过简单的计算,评价待评估建筑是否合乎相关标准规范的规定,即一致性评估软件。这样的软件目前大致有25种,该类软件的使用使节能法案或节能标准的推行和实施变得简捷高效。表5简单介绍了部分国外广泛使用的建筑节能规范一致性评估软件1。表5 国外建筑节能一致性评估软件简介软 件简 要 介 绍COMcheck2EZ面向商业建筑和高层住宅建筑的设计师和施工人员所开发的一致性评估软件,内置了ASHRAE/IESNA Standard90.121989和IECC 1998/2000/2002各个版本以及各个地方对商业建筑和高层住宅建筑所规定的必须强制执行的一些节能标准和规范。其界面友好,输入简单,目前被美国各能源审计机构和一些房地产开发商广泛使用。但因为其设计时没有考虑到新的节能措施的采用对建筑能耗的影响,因而对一些节能新举措的模拟无能为力。ECOTECT最直观的能耗模拟、成本分析和一致性评估软件。可直接建立建筑的三维模型,也可导入由第三方CAD绘图软件完成的DXF文件。功能广泛,可进行太阳能利用分析,建筑热过程分析,建筑声学分析,建筑光照分析,建筑生命周期成本分析等。可让设计者在设计初始阶段对建筑物的热工性质、光照等有直观的了解。但因为其功能过于广泛,给使用者输入数据造成了困难,因为对于不同的功能需要,同样的数据可能其重要性不一样,对有的使用者而言可能根本就不需要。EE4 CODE加拿大CANMET能源科技中心依据MNECB(Canadas Model National Energy Code for Buildings)开发的一款综合能源分析及一致性评估软件。采用DOE22.1E内核,可用于计算建筑全年能耗以及建筑方案的改变对建筑全年能耗的影响。无法直接模拟较为复杂的HVAC系统。EnergyGauge USA强大的住宅建筑能耗模拟软件,可快速方便地计算出住宅建筑逐时负荷、通风系统或建筑围护结构渗透损失,可进行多种家用电器的能耗分析,并提供参考方案的成本效益分析报告,多种标准的一致性评估报告。只适用于住宅建筑,仅使用英制单位。HEEDHEED(home energy efficient design)主要用于建筑的成本效益分析,简单的输入,图形化结果的输出使比较和分析变得相对容易。依据输入参数提供两种参考方案 一种简单满足节能法案,一种包含更多节能措施的优化方案。操作简单,计算迅速。只适用于单区域建筑和一般HVAC系统。分为一般用户和高级用户,一般用户只能模拟四种设定的住宅建筑,高级用户可自己设定参数。APACHE分为两种运行模式,在设计模式下可进行房间供冷、供热负荷分析,室内环境舒适度分析以及节能标准一致性分析。在模拟模式下可结合HVAC系统,自然通风等进行全年逐时能耗模拟。适用于各种功能的建筑、多种HVAC系统,并将HVAC系统的模拟与建筑热工性质整合在一起。当前还无法适用一些能量系统,如相变传热。CAPSCAPS(computer automated point system)依据ECMs(energy conservation measures)对建筑的绝缘等级、门窗类型、供冷和供热系统的效率等对建筑的节能效果与相应的节能法案作比较并以分数的形式给出评价。使用简单快捷。只基于ECMs作判断太简单,运行于MS2DOS操作系统下,输入不方便。2 中国建筑节能评估计算机应用概况1013我国从20世纪70年代中期开始介绍国外在建筑能耗计算机模拟方面的发展情况,很多科学技术人员作了大量的工作。80年代以来我们在理论研究、软件开发和工程应用方面不懈努力,缩短了与发达国家的技术差距,取得了一定的进展。在算法研究方面,对传递函数理论,墙体传递函数和房间传递函数等问题进行了深入研究。在软件开发33 暖通空调HV&AC2004年第34卷第11期 科技综述方面,初步建立了我国的软件系列。在工程应用方面,应用已有的理论和程序在供暖负荷计算、冷负荷计算、围护结构热工性能、经济热阻以及建筑节能措施和规范的制订、太阳能利用问题等方面都取得比较大的进展。但应该注意到,国内大部分软件都是针对工程设计阶段,为提高设计效率、准确性、科学性而开发的,对于已建成建筑的能耗综合评估还不足。由于我国建筑节能标准体系尚处于发展阶段,建筑用能审计工作尚未起步,辅助建筑节能综合评估还是一个空白。我国计算机模拟研究在建筑节能领域的应用和发展比发达国家和地区落后大约10年11,建筑节能的一致性评估则还未起步。我们在深入理论研究和完善数学模型及计算机程序等方面都还有很多工作要做。3 建立我国的建筑节能计算机评估体系3.1 评估体系的组成及其相互关系借鉴欧美等国家的成熟经验,结合我国现阶段的社会、经济发展水平,我国的建筑节能计算机评估体系应包括以下内容。3.1.1 符合我国各地气候条件和舒适性较好的整体系统仿真软件建立在建筑热过程动态模拟的基础上,计算建筑特定时间段内的总能耗量。用于对现有民用建筑或商业建筑的能量利用效率进行分析和评估。3.1.2 针对建筑材料热工性能的围护结构系统仿真软件建立在建筑围护结构热湿传递过程的动态模拟的基础上,计算建筑外围护结构的传热系数、窗户的渗透系数、挑檐等的遮阳系数。用于检测建筑外墙传热系数、外窗密封性能是否达到标准或规范的要求。3.1.3 针对人体舒适度的室内空气品质评估软件建立在室内气流流动、温湿度分布动态模拟的基础上,通过计算室内气流的流动状况、室内空气的温湿度分布状况,得出室内环境的舒适度评价指数。用于评价建筑的室内空气品质。3.1.4 针对室内照明状况的建筑室内照明评估软件建立在室内自然采光和人工照明动态模拟的基础上,通过计算不同自然采光方案和人工照明方案组合下的室内光环境指数,来评价室内光照是否达到规定的标准。3.1.5 针对HVAC系统节能运行的HVAC系统仿真和效用评估软件建立在各种HVAC系统运行状况动态模拟的基础上,计算系统周期运行能耗、寿命周期成本,经济效益分析,并对系统维护和管理提出建议。3.1.6 针对室外气象条件的室外气象分析软件建立在太阳活动及室外气象变化动态模拟的基础上,通过对室外干、湿球温度的分析计算,太阳活动对建筑热工状况的影响,确定最合适的室外气象设计参数和最有效的太阳能利用方案。3.1.7 针对在建筑环境与设备中利用可再生能源的能源利用方案评估软件根据对当地气象条件、建筑周围环境和建筑围护结 构 的 分 析,给 出 可 再 生 能 源 的 利 用 方案1416;或者对已有的可再生能源利用方案作出评估。包括是否可利用可再生能源降低建筑能耗需求,是否可利用可再生能源提高建筑能耗系统效率,或对利用其他更高级的可再生能源(如氢能)作投资回报分析、寿命周期成本分析等17。3.1.8 方便和促进建筑节能标准规范实施的一致性评估软件对建筑能耗进行计算或直接利用其他模拟软件的计算结果,将结果量化为我国现有的建筑节能相关标准规范所规定的指标,并与标准规范相比较,最后给出建筑的节能率、节能评估报告书。3.1.9 促进建筑节能观念推广和节能规范认知的建筑节能培训软件该类软件的功能主要在于宣传建筑节能的必要性和紧迫性,深入学习建筑节能标准规范,介绍日常生活中方便经济的节能措施和世界各国节能建筑的典型案例。最后形成一套符合我国国情的建筑节能计算机评估体系(见图1),以及建立在其基础上的建筑节能评估改造流程(见图2)。3.2 评估体系的特点由上文对国外建筑节能评估软件的对比分析,以及对我国建筑节能计算机评估体系的概述,可以得出我国的建筑节能计算机评估体系应该具有以下特点。3.2.1 完整性。该体系能较为全面地对建筑节能43科技综述 暖通空调HV&AC2004年第34卷第11期 图1 建筑节能计算机评估体系图2 建筑节能评估改造流程各个方面的问题进行评估。3.2.2 准确性。数理模型应建立在能较好地反映建筑全年逐时负荷变化的动态模拟基础上;模型应符合我国的气象条件、建筑材料热工性能、空调设备和空调系统的实际特点,计算结果与实际状况不应该有较大的偏差。3.2.3 易用性。相关软件应具有友好的人机交互界面,详细的即时提示、帮助系统;模块化的输入文件,输出结果为直观的图表格式,便于对比分析;提供较为完备的缺省值和资料库,简化输入;同时,高级用户能方便地自定义相关默认值或新的材料。3.2.4 互补性。体系中的各个板块各有自己的优势和长处,但不可避免地在某一方面存在薄弱环节,因此,各板块之间应能互相补充,发挥整体优势。3.2.5 扩展性。考虑到建筑节能观念日新月异,建筑节能设施也在不断更新,能耗系统中的各个要素也在不断变化,评估体系也应该与之相互呼应,协调发展。这就要求在设计软件时考虑到众多发展的因素,具有较强的扩展性。4 结语我国要实现经济持续快速的增长,在2050年进入中等发达国家行列,而我们的资源是有限的,我们的环境已经不堪重负。建筑节能在我国是一项长期而艰巨的任务,我国的人口、资源、环境和社会制度,决定了我们不可能像西方发达国家那样走能源高消费的老路,只有在合理、高效利用现有能源的基础上加强可再生能源的开发和利用,加强建筑节能标准规范的建设和执行力度,才能保证我国21世纪发展战略的顺利实施。在世纪之初,建立符合我国国情的建筑节能计算机评估体系,对我国的节能工作、环境保护和可持续发展无疑具有深远的影响。参考文献1 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