建筑能耗模擬軟件分析及課程實(shí)踐應(yīng)用探討

彭章娥 馮勁梅

上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)與安全工程學(xué)院

1 建筑能耗模擬軟件產(chǎn)生的背景

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)與能耗模擬工具軟件產(chǎn)生的推動(dòng)力來源于能源危機(jī)與氣候變化的大背景對(duì)建筑節(jié)能的要求。發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑能耗占全部社會(huì)能耗的比例較高，其建筑能耗高于社會(huì)總能耗的30%[1]。隨著建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)建筑能耗占全國(guó)社會(huì)總能耗的比率也從2000年的27.8%上升到近幾年的接近30%，其中住宅能耗約占到總建筑能耗的60%[2]。從全球范圍來看，建筑能耗占了世界全年總能源消耗的40%[3]。

在建筑物的使用過程中，能量主要消耗在建筑物內(nèi)的空調(diào)、照明、熱水、炊事、電器等方面，其中建筑物內(nèi)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)軟件對(duì)建筑能耗和采暖空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行模擬分析及動(dòng)態(tài)計(jì)算，從而對(duì)建筑物及其空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估。隨著各國(guó)節(jié)能減排的政策推動(dòng)，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)也要求開發(fā)與發(fā)展可用的建筑能耗模擬軟件。

得益于計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在建筑及環(huán)境控制領(lǐng)域，上世紀(jì)60年代中期開始了建筑環(huán)境及控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的研究。在經(jīng)歷了上個(gè)世紀(jì)70年代的全球石油之后，建筑能耗的模擬受到了越來越多的重視，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，復(fù)雜的計(jì)算變?yōu)榭尚小?/p>

2 主要能耗模擬軟件

2.1 世界主要國(guó)家建筑能耗模擬軟件

國(guó)際上比較流行的建筑能耗分析軟件以美國(guó)開發(fā)的居多，另外加拿大、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、芬蘭、瑞典、瑞士等國(guó)也相繼開發(fā)了自己的能耗分析與模擬軟件，有些大學(xué)還自行開發(fā)了自己的建筑能耗模擬的教學(xué)軟件。在上個(gè)世紀(jì)七十年代中期，美國(guó)開發(fā)了兩個(gè)代表性的建筑能耗模擬程序：伊利諾斯大學(xué)研發(fā)的BLAST （Buildin oad nalysi n ystem Thermodynamics）和美國(guó)能源部（DOE）和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）研發(fā)的DOE-2。

在上世紀(jì)70年代末期，隨著模塊化集成思想發(fā)展，暖通空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的模擬軟件也逐漸出現(xiàn)，在美國(guó)，先后開發(fā)出TRNSYS和HVACSIM+。

歐洲也于上個(gè)世紀(jì)70年代初開始研究模擬分析法，產(chǎn)生的具有代表性的能耗模擬軟件是ESP-r。與此同時(shí)，我國(guó)建筑領(lǐng)域也逐漸認(rèn)識(shí)到建筑模擬技術(shù)的重要性，投入大量力量進(jìn)行研究開發(fā)，出現(xiàn)的主要軟件有建筑科學(xué)研究院的PKPM，清華大學(xué)的BTP、DeST等。

2.2 DOE-2

DOE-2由美國(guó)能源部支持，能源部所屬的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）開發(fā)，于1979年首次發(fā)布的建筑全年逐時(shí)能耗模擬軟件，是國(guó)際上應(yīng)用最普遍的建筑能耗模擬軟件。DOE-2的功能強(qiáng)大，由于其經(jīng)過了多數(shù)工程的實(shí)測(cè)驗(yàn)證，是國(guó)際上都公認(rèn)的模擬比較準(zhǔn)確的能耗分析軟件，也是美國(guó)暖通制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）高度推薦的能耗模擬工具[4]。由于DOE-2的一些使用和開發(fā)維護(hù)的局限性，美國(guó)能源部組織多個(gè)部門共同開發(fā)出新的建筑能耗模擬軟件EnergyPlus來代替DOE-2。

EnergyPlus綜合了BLAST和DOE-2的特色和優(yōu)點(diǎn)，并且是一個(gè)開放式的模擬平臺(tái)，可以讓任何開發(fā)者進(jìn)行二次開發(fā)。由于Energy Plus程序輸入較為復(fù)雜，其用戶界面不友好，EnergyPlus軟件大多直接地用于科研，而用于新建建筑設(shè)計(jì)和既有建筑改造的實(shí)際工程的模擬分析很少。通過第三方界面程序的開發(fā)，可將圖形化界面引入到建筑及空調(diào)系統(tǒng)建模過程中，能極大地簡(jiǎn)化用戶的工作量[5]。

3 建筑能耗模擬軟件的課堂應(yīng)用實(shí)踐探討

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源消耗的急增，建筑節(jié)能成為建筑設(shè)備專業(yè)的一項(xiàng)重要學(xué)習(xí)內(nèi)容和研究方向，通過在實(shí)踐課程或計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程中引入建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)與項(xiàng)目實(shí)踐，可以提升學(xué)生的興趣和拓展能力，便于學(xué)生整體掌握建筑節(jié)能的政策、規(guī)范要求、要點(diǎn)和整體概念。

目前節(jié)能軟件較多，適合學(xué)習(xí)的軟件，既需要軟件能結(jié)合工程實(shí)際，又需要其具備課程可操作性。目前具有廣泛應(yīng)用的為 DOE-2和 EnergyPlus。但是DOE-2和EnergyPlus的開發(fā)人員將主要精力投入到開發(fā)模擬工具的核心——計(jì)算源代碼上，所以它的用戶界面復(fù)雜，用戶使用起來很不方便。同時(shí)，在DOE-2和EnergyPlus中所要考慮的建筑信息條件較多，功能較為復(fù)雜，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，所以這類軟件更適合研究和二次開發(fā)使用[6，7]。

基于項(xiàng)目及課程實(shí)踐的需要，選用我國(guó)的PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件和美國(guó)的基于DOE-2的eQUEST軟件作為課程實(shí)踐的基本軟件。

3.1 PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件

PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件一般由建筑科學(xué)研究院開發(fā)，為根據(jù)國(guó)家頒布的針對(duì)不同地區(qū)的居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)編制的節(jié)能設(shè)計(jì)及能耗分析軟件。

該類軟件界面較為簡(jiǎn)單，適宜于課堂教學(xué)使用。其中，建筑物的基本參數(shù)和數(shù)據(jù)，包括氣象資料，軟件都已內(nèi)置了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，在建模及參數(shù)賦值設(shè)計(jì)時(shí)可以方便地調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)還可以在一定程度上添加特殊材料數(shù)據(jù)，因此可以很方便快捷地進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，完成建筑能耗計(jì)算，生成詳盡的設(shè)計(jì)說明和計(jì)算報(bào)告，其建筑物能耗指標(biāo)分析結(jié)果能以直觀的形式顯示出來，并且可以與標(biāo)準(zhǔn)建筑對(duì)比，指出不滿足節(jié)能要求的部位，便于改進(jìn)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)，滿足建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能降耗目標(biāo)。

通過課堂實(shí)踐使用此軟件，能直觀了解這一類能耗模擬軟件的使用方式，并且培養(yǎng)學(xué)員工程實(shí)踐能力和對(duì)耗能系統(tǒng)的分析能力，對(duì)于各種專業(yè)計(jì)算軟件的應(yīng)用也具有一定的引導(dǎo)作用，對(duì)于學(xué)員基于CAD的建模能力的培養(yǎng)也有一定的作用。另外，通過參數(shù)的選取，調(diào)動(dòng)學(xué)員對(duì)于節(jié)能材料的認(rèn)識(shí)，深入了解墻體材料、保溫材料等的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)，熟悉節(jié)能材料的選取。

此類軟件的主要特點(diǎn)在于：適合我國(guó)國(guó)情和環(huán)境條件，軟件內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)建筑對(duì)比，軟件結(jié)果可以直觀顯示是否符合國(guó)家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。

由于此類軟件主要為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)階段服務(wù)，因此軟件主要從建筑物的使用性質(zhì)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)出發(fā)，調(diào)整建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到從改進(jìn)建筑主體設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

3.2 eQUEST軟件

eQUEST是在美國(guó)能源部和電力研究院的支持下，由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于DOE-2的一款快速能耗模擬軟件[8]。該免費(fèi)軟件涵蓋了DOE-2的所有模擬功能[9]，同時(shí)，eQUEST在DOE-2的基礎(chǔ)上做了大量的優(yōu)化，其建模過程簡(jiǎn)化，操作步驟簡(jiǎn)便，具有友好的參數(shù)輸入界面，可以快速預(yù)測(cè)出建筑全負(fù)荷，是較為簡(jiǎn)單實(shí)用的能耗分析軟件。由于其軟件較小，課堂教學(xué)上使用比較靈活，輸出結(jié)果較快。

eQUEST類軟件的特點(diǎn)：該軟件突出建筑物內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)能耗的模擬。可以細(xì)致地模擬幾類空調(diào)系統(tǒng)，可以在模型設(shè)置時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的空調(diào)類型和設(shè)備、能源品種等。eQUEST軟件可以通過調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)類型來分析建筑耗能的情況，從而可指導(dǎo)建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)。

在項(xiàng)目計(jì)算的課程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于建筑參數(shù)的選取，需要學(xué)員有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，特別是其中的氣象資料的獲取，由于我國(guó)全面氣象資料的缺乏，需要搜尋基于DOE-2來源的氣象資料，因此對(duì)于我國(guó)范圍的建筑能耗模擬，其結(jié)果可能會(huì)有影響與偏差。

3.3 軟件課程實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果和問題探討

用PKPM和eQUEST兩類軟件分別對(duì)建筑物進(jìn)行模擬計(jì)算，分析比較模擬結(jié)果，可得出基于實(shí)際建筑物的更為合理的模擬結(jié)果。胡艷軍等[7]的研究表明，由于eQUEST軟件在以建筑模型為基礎(chǔ)的建筑環(huán)境參數(shù)設(shè)置過程采用靜態(tài)值計(jì)算分析，使得其模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有一定的偏差。

為比較分析PKPM和eQUEST兩類軟件模擬計(jì)算的結(jié)果，本文采用某小型賓館建筑作為設(shè)計(jì)案例，分別對(duì)其應(yīng)用PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件和eQUEST軟件進(jìn)行能耗模擬計(jì)算。該案例建筑共3層，總面積為831.15m2，總高10.3m。在滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果：該設(shè)計(jì)建筑空調(diào)采暖年耗能量之和為95989kWh/a，其中設(shè)計(jì)建筑采暖年耗熱量為31858kWh/a，設(shè)計(jì)建筑空調(diào)年耗冷量64131kWh/a；eQUEST軟件能耗模擬計(jì)算該建筑全年耗電量為166840kWh/a（含空調(diào)耗冷、照明、風(fēng)扇、泵和設(shè)備），其中空調(diào)耗冷量為62960kWh/a。比較兩種模擬軟件對(duì)案例建筑的全年空調(diào)耗冷量的計(jì)算，其結(jié)果表明：應(yīng)用eQUEST軟件對(duì)該建筑的能耗模擬分析的計(jì)算結(jié)果與PKPM的計(jì)算結(jié)果接近，eQUEST的計(jì)算結(jié)果比PKPM的計(jì)算結(jié)果低1.8%。從參數(shù)賦值過程可以看出，兩者的數(shù)據(jù)庫(kù)選項(xiàng)的選擇有偏差，另外eQUEST軟件中對(duì)于空調(diào)機(jī)組選型和運(yùn)行時(shí)間表的選項(xiàng)更細(xì)微，但是這些細(xì)節(jié)的差異對(duì)結(jié)果的影響不大。由于計(jì)算采用的案例建筑物為非實(shí)際存有建筑物，因此沒有計(jì)算建筑對(duì)象的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)參考對(duì)照，因此尚無法分析哪個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果更為接近實(shí)際數(shù)據(jù)。由于國(guó)內(nèi)的PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件是根據(jù)國(guó)家頒布的針對(duì)不同地區(qū)的居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)編制的節(jié)能設(shè)計(jì)及能耗分析軟件，因此其結(jié)果應(yīng)更切合國(guó)內(nèi)實(shí)際建筑的使用能耗。

從案例計(jì)算結(jié)果可以看出，應(yīng)用eQUEST軟件模擬計(jì)算可以作為國(guó)內(nèi)同類軟件計(jì)算結(jié)果的校核和對(duì)比參考，也可以作為建筑物能耗模擬計(jì)算的替代選擇。此外，eQUEST軟件的界面為英文，其中選項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)大部分為美國(guó)實(shí)際，對(duì)于專業(yè)詞匯理解的偏差和國(guó)內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)選擇的差異都會(huì)影響到對(duì)該軟件的使用，從而可能會(huì)影響到軟件模擬計(jì)算的結(jié)果。

4 結(jié)論與建議

1）鑒于對(duì)兩類能耗模擬軟件的課程實(shí)踐的使用結(jié)果分析，可選用我國(guó)的PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件和美國(guó)的eQUEST作為課程實(shí)踐的基本軟件。與國(guó)際能耗分析軟件eQUEST相比，我國(guó)的PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件是根據(jù)國(guó)家頒布的針對(duì)不同地區(qū)的居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)編制的節(jié)能設(shè)計(jì)及能耗分析軟件，應(yīng)更適宜于國(guó)內(nèi)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)使用。

2）與PKPM節(jié)能設(shè)計(jì)軟件側(cè)重點(diǎn)不同，eQUEST軟件更加著重于建筑物空調(diào)系統(tǒng)的模擬。對(duì)比建筑物空調(diào)耗冷量的計(jì)算結(jié)果得出，應(yīng)用eQUEST軟件對(duì)建筑物的全年空調(diào)耗冷量的計(jì)算結(jié)果與PKPM動(dòng)態(tài)計(jì)算的結(jié)果差異不大，因此eQUEST軟件的計(jì)算結(jié)果可以作為同類軟件計(jì)算結(jié)果的校核和對(duì)比參考。

3）由于PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件目前的商業(yè)售價(jià)不適應(yīng)于學(xué)校實(shí)踐教學(xué)及研究應(yīng)用，建議PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件開發(fā)教學(xué)試用版本，便于更好地推動(dòng)國(guó)產(chǎn)能耗模擬軟件的應(yīng)用和國(guó)家建筑節(jié)能工作的廣泛開展。

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