建筑能耗模擬與優(yōu)化軟件平臺設(shè)計*

趙安軍, 魏廷劍,于軍琪

(西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

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建筑能耗模擬與優(yōu)化軟件平臺設(shè)計*

趙安軍, 魏廷劍,于軍琪

(西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

介紹了建筑能耗模擬與優(yōu)化軟件平臺設(shè)計,給出了軟件平臺的體系架構(gòu)和邏輯架構(gòu),分析了軟件平臺的功能和應(yīng)用場景。建筑能耗模擬與優(yōu)化軟件平臺針對新建建筑和已有建筑,可給出采用不同建筑參數(shù)的對比分析報告,向用戶提供建筑能耗模擬分析和優(yōu)化服務(wù); 針對綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)(綠建標(biāo)準(zhǔn))的實施,對綠建標(biāo)準(zhǔn)中要求的項目進行模擬分析,支撐綠建標(biāo)準(zhǔn)的實施。

建筑能耗模擬; 云計算; 能耗優(yōu)化; 軟件設(shè)計

趙安軍(1975—),男,副教授,研究方向為智能建筑、能耗檢測與評估。

0 引 言

目前,建筑能耗模擬軟件在建筑節(jié)能領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于建筑的物理特性復(fù)雜,熱濕過程的計算量巨大，只能采用計算機在短時間內(nèi)完成復(fù)雜的運算。因此,在進行建筑能耗分析計算時,能耗模擬軟件發(fā)揮著巨大作用。建筑能耗模擬主要包括建筑負(fù)荷和能耗的模擬，為后續(xù)的節(jié)能設(shè)計、節(jié)能評估、節(jié)能審計以及節(jié)能措施的制定提供參考;通過不同工況的模擬,進行圍護結(jié)構(gòu)、設(shè)備、暖通空調(diào)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和控制策略等的優(yōu)化,通過經(jīng)濟性分析得出最佳方案;設(shè)備與系統(tǒng)各種運行狀況的預(yù)測，在內(nèi)外擾動等復(fù)雜因素的作用下,系統(tǒng)中參數(shù)的變化很復(fù)雜。通過建筑能耗模擬軟件,能比較方便地預(yù)測各種工況下的系統(tǒng)參數(shù)，為節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定、實施提供輔助作用。

目前,建筑能耗模擬軟件主要有DOE-2、EnergyPlus、Trnsys、PKPM-CHEC和DeST等[1-2]。DOE-2建筑能耗模擬軟件采用模塊結(jié)構(gòu),包括Load模塊、Economic模塊、Plant模塊和System模塊。在實際的過程中,建筑室內(nèi)熱環(huán)境、主機以及空調(diào)系統(tǒng)的運行情況是相關(guān)的,但DOE-2方式彼此沒有反饋,導(dǎo)致計算結(jié)果失真。EnergyPlus整合了DOE-2和其他類型模擬軟件的優(yōu)點,采用集成同步的負(fù)荷、系統(tǒng)和設(shè)備的結(jié)構(gòu),在管理模塊的監(jiān)督下,彼此之間有反饋,計算結(jié)果準(zhǔn)確。EnergyPlus作為建筑能耗模擬引擎,能夠精確地處理較復(fù)雜的各類建筑。在處理建筑熱過程時考慮了多方面的因素[3-4]。

因此,基于云計算的建筑能耗模擬與優(yōu)化平臺采用EnergyPlus為能耗模擬引擎,通過軟件即服務(wù)(SAAS)的方式,構(gòu)建其輸入文件(IDF或IMF文件),對其標(biāo)準(zhǔn)輸出進行文檔化、圖形化等處理,向用戶提供建筑能耗模擬和優(yōu)化服務(wù)[5-8]。

1 平臺架構(gòu)

建筑能耗模擬與優(yōu)化軟件平臺能夠向用戶提供專業(yè)級建筑能耗模擬分析和優(yōu)化服務(wù)，對用戶的專業(yè)性要求低,操作簡單，支持不同類型的能耗模擬輸入文件,包括IDF文件、IMF文件、GBXML文件和自定義的建筑相關(guān)參數(shù)。該平臺提供了國內(nèi)常見建筑形式的熱工參數(shù)模板,可以通過簡單圖形化的修改,完成建筑能耗模擬相關(guān)參數(shù)的輸入,形成標(biāo)準(zhǔn)的IDF文件。同時，該平臺支持智能的任務(wù)管理,能夠同時針對多個用戶的多個模擬任務(wù)進行模擬計算、優(yōu)化和分析,并以數(shù)據(jù)和圖表的形式呈現(xiàn)專業(yè)建筑能耗模擬分析報告。針對用戶提交的建筑方案,模擬分析系統(tǒng)對新建建筑和已有建筑給出采用不同建筑參數(shù)的對比分析報告。

1.1 平臺體系架構(gòu)

平臺體系架構(gòu)如圖1所示。通過IaaS的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)為EnergyPlus模擬計算引擎、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、Web服務(wù),提供包括計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源等基礎(chǔ)設(shè)施保障。通過PaaS平臺即服務(wù)提供模擬、優(yōu)化應(yīng)用服務(wù)、EnergyPlus計算服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、Web應(yīng)用服務(wù),對前端客戶需要的功能進行支撐。通過SaaS軟件即服務(wù)的方式,以Web、APP等形式向用戶提供建筑能耗的模擬服務(wù),用戶可通過Web、APP生成模擬和優(yōu)化任務(wù),查看模擬和優(yōu)化結(jié)果。

圖1 平臺體系架構(gòu)

2 平臺邏輯架構(gòu)

平臺邏輯架構(gòu)如圖2所示，主要包括輸入文件處理、核心系統(tǒng)和輸出文件處理。

圖2 平臺邏輯架構(gòu)

輸入文件處理主要針對不同形式的數(shù)據(jù)輸入,包括EnergyPlus標(biāo)準(zhǔn)的IDF/IMF文件、Revit導(dǎo)出的綠建文件GBXML、用戶自定義的參數(shù)文件及相關(guān)的CAD文件。IDF/IMF作為EnergyPlus標(biāo)準(zhǔn)輸入文件,通過驗證后可以直接作為平臺的輸入文件;GBXML文件作為Revit導(dǎo)出文件,需要后端的輸入文件處理并進行轉(zhuǎn)換,用戶可對其參數(shù)進行調(diào)整,生成IDF文件作為輸入文件;用戶自定義文件根據(jù)不同的輸入文件模板,通過平臺軟件進行建筑及其相關(guān)參數(shù)的自定義,最終生成IDF文件。

平臺核心部分包括Web服務(wù),EnergyPlus、Trnsys計算引擎、數(shù)據(jù)庫服務(wù)。Web服務(wù)對用戶的Web應(yīng)用軟件、APP軟件提供服務(wù),實現(xiàn)包括模擬任務(wù)、用戶管理、優(yōu)化管理、系統(tǒng)管理等業(yè)務(wù)邏輯;EnergyPlus、Trnsys計算引擎完成能耗的模擬計算,并輸出相關(guān)的模擬計算結(jié)果;數(shù)據(jù)庫服務(wù)存儲與平臺相關(guān)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),包括模擬任務(wù)數(shù)據(jù)、模擬產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)、文檔結(jié)果信息、輸入文件信息等。輸出文件處理模塊針對EnergyPlus、Trnsys計算引擎輸出的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果文件,按照用戶的需要,輸出不同格式、不同形式的能耗模擬分析報告。

2 平臺功能

用戶端的系統(tǒng)功能包括模擬任務(wù)管理、建筑模板、氣候參數(shù)、優(yōu)化設(shè)定和系統(tǒng)管理,平臺端功能包括任務(wù)執(zhí)行管理、結(jié)果分析管理、建筑模板管理、計算引擎管理、氣候文件管理、優(yōu)化設(shè)定和系統(tǒng)管理。

任務(wù)管理以IDF/IMF、GBXML文件為輸入文件,結(jié)合平臺提供的建筑模板,實現(xiàn)模擬分析任務(wù)的創(chuàng)建。任務(wù)的輸入文件可以采用IDF、IMF、GBXML等文件,也可以采用建筑模板進行簡單的修改。模擬分析結(jié)果報告以任務(wù)為單位進行管理。新建任務(wù)中,可以關(guān)聯(lián)所處的地理位置和相關(guān)氣候參數(shù)。

建筑模板主要根據(jù)典型的建筑設(shè)計和實施方案給出,包括用來進行模擬的主要參數(shù),如建筑的建筑、結(jié)構(gòu)、水電暖等基本信息,以及建筑構(gòu)件、材料的數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)實際建筑情況選擇參數(shù),快速構(gòu)建用來模擬的IDF/IMF文件。

氣候參數(shù)給出平臺所支撐的氣候數(shù)據(jù),可根據(jù)所處的地理位置選擇,用戶也可以加入自定義的氣候參數(shù),在建立新任務(wù)時通過地理位置自動獲取氣候參數(shù)文件。在模擬中可以對建筑方案進行優(yōu)化對比,通過調(diào)整建筑的朝向、窗墻比、相關(guān)材料、空調(diào)系統(tǒng),給出建筑優(yōu)化的設(shè)計方案或節(jié)能改造方案。

3 平臺應(yīng)用分析

建筑能耗模擬與優(yōu)化軟件平臺主要應(yīng)用于新建建筑設(shè)計、現(xiàn)有建筑節(jié)能改造項目支撐、國家建筑節(jié)能、綠建標(biāo)準(zhǔn)實施的支撐等方面。

(1) 新建建筑通過平臺能夠給出不同方案的能耗情況,可以給出更加細(xì)致、精確的能耗分析報告。針對同種建筑設(shè)計方案,可以通過調(diào)整窗墻比、玻璃所用材料、外圍護等優(yōu)化設(shè)計。

(2) 節(jié)能改造項目通過平臺模擬輸出的精確能耗分析,可以精準(zhǔn)地了解節(jié)能改造建筑的潛力,支撐節(jié)能項目改造決策。該平臺能夠提供直觀、科學(xué)、合理的節(jié)能潛力分析報告,增強節(jié)能改造項目的必要性和可行性。

(3) 針對綠建標(biāo)準(zhǔn)的實施,可通過平臺對綠建標(biāo)準(zhǔn)中要求的項目進行模擬分析,支撐綠建標(biāo)準(zhǔn)的實施。同時該平臺提供當(dāng)前不同類型建筑的能耗模擬分析結(jié)果,為管理提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 語

介紹了建筑能耗模擬與優(yōu)化軟件平臺設(shè)計,并在軟件平臺功能的基礎(chǔ)上,闡述了該軟件平臺主要應(yīng)用于新建建筑設(shè)計、現(xiàn)有建筑節(jié)能改造項目支撐、國家建筑節(jié)能、綠建標(biāo)準(zhǔn)實施的支撐等方面。

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Design of Software Platform for Building Energy Consumption Simulation and Optimization

ZHAO Anjun,WEI Tingjian,YU Junqi

(School of Information and Control Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

This paper introduced the design of software platform for building energy consumption simulation and optimization,and gave the system architecture and logical architecture of software platform.The specific functions and application scenes of the software platform were analyzed.The software platform for building energy consumption simulation and optimization gives the comparative and analytic reports at different construction parameters for new building and existed building,and offers building energy consumption simulation analysis and optimization services for users.Aiming at the implementation of the green building standards,the software platform simulates the demand items in green building standards,which supports the implementation of the green building standards.

building energy consumption simulation; cloud computing; energy consumption optimization; software design

國家自然科學(xué)基金資助項目(51508445);陜西省科技計劃國際合作項目(2014kW17);教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金(教外司留[2014]1685號)

TU 201.5

B

1674-8417(2016)10-0018-03

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.006

2016-10-08

魏廷劍(1994—),男,碩士研究生,研究方向為建筑智能控制技術(shù)。

于軍琪(1969—),男,教授,研究方向為建筑智能與節(jié)能控制技術(shù)。