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热环境相关
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建筑能耗模拟软件一览

时间:2013/7/19 8:50:14   作者:孙宇翔   来源:绿建之窗   阅读:1849   评论:0
内容摘要:目前,建筑节能已经成为一个越来越重要的热门话题。建筑能耗模拟软件在建筑节能领域中也发挥着越来越重要的作用。
1、建筑能耗模拟软件的目的和使用意义
    目前,建筑节能已经成为一个越来越重要的热门话题。建筑能耗模拟软件在建筑节能领域中也发挥着越来越重要的作用。由于建筑的热湿过程以及建筑热工部件机理的复杂性,相应的热工计算复杂,计算量巨大。只有通过计算机这个能够在短时间内大量重复人脑活动的工具,才可能完成这样复杂的运算。因此,在进行建筑能耗计算时,能耗模拟软件具有不可替代的作用。在使用这些软件之前,首先应该了解软件的主要用途和目的,主要包括如下4方面。
1)建筑负荷和能耗的模拟:为后续的节能设计、节能评估、节能审计以及节能措施的制定提供参考。
2)优化分析:通过不同工况的模拟,进行围护
结构、设备、暖通空调系统、控制系统和控制策略等
的优化,得出最佳结果;同时还可以进行各种方案的比对,通过经济性分析得出最佳方案。
3)设备与系统各种运行状况的预测:在内外扰动等复杂因素的作用下,系统中参数的变化很复杂。通过建筑能耗模拟软件能够比较方便地预测各种工况下的系统参数。
4)为节能标准和规范的制定和实施提供辅助作用。

5)夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准6(JGJ13422001)中明确规定采用DOE22软件作为建筑节能设计的节能综合性能指标的计算工具。

2、建筑能耗模拟软件简介

    目前在我国使用的建筑能耗模拟软件主要有DOE22、EnergyPlus、TRNSYS、PKPM2CHEC和DeST等。

1)DOE22

    DOE22在建筑能耗模拟软件发展的历史上具有重大意义。DOE22是公认的最权威、最经典的建筑能耗模拟软件之一,被很多能耗模拟软件,如eQUEST、EnergyPlus、CHEC和PowerDOE等借鉴和引用。DOE22采用经典的LSPE结构,即Load模块、System模块、Plant模块和Economic模块。许多软件至今仍采用DOE22的LSPE结构,并在其基础上改进与创新。DOE22可以很精确地处理各种功能和结构复杂的建筑,但是对系统的处理能力很有限,只能处理有限的几种暖通空调系统,且它是基于DOS环境下的软件,界面不太友好。其次,DOE22的输入较为麻烦,有固定的格式,必须采用手动编程的方法输入,且有关键字的要求。另外,顺序结构是DOE22的重大缺陷,在实际的暖通空调过程中,建筑室内热环境、空调系统以及主机的运行情况等是耦合的,顺序结构的理念彼此没有反馈,影响了计算结果的准确性。

2)EnergyPlus

    EnergyPlus整合了DOE22和BLAST的优点,并加入了很多新的功能。它被认为是DOE22的一个很好的替代软件。EnergyPlus吸收了DOE22的LSPE结构,并做出了改进,它采用如图2所示的集成同步的负荷、系统和设备的结构,在上层管理模块的监督下,模块之间彼此有反馈,而不是单纯的顺序结构,计算结果更为精确。EnergyPlus与其说是个建筑能耗模拟软件,不如说是个建筑能耗模拟引擎。它在开发的时候就把重心放在计算方法上,并没有在软件的界面上下很多功夫。它的源代码是完全开放的,鼓励第三方来开发合理的界面调用EnergyPlus并完成模拟。现在比较著名的DesignBuilder就是在它的基础上完成的二次开发。同时,它可以与很多常用软件,如TRNSYS、WINDOW5和COMIS等完成链接。

    EnergyPlus能精确地处理较为复杂的各类建筑。它在处理建筑热过程的时候,考虑到了很多方面的因素,包括建筑的遮挡、绿化、风、光、雨、雪等,在这方面,可以说是同类软件中最为全面的。虽然EnergyPlus在DOE22的基础上有很大的改进,力图完成对所有暖通空调系统的模拟,而且也封装了很多常用系统,如热泵和辐射供热供冷等系统。但是,EnergyPlus本身还是立足于建筑模拟,其处理系统的能力偏弱,而且它对暖通空调系统控制方式的模拟能力较弱,它通常假定设备的调节为理想化的连续调节,这对于设备部分负荷运行时的模拟是不太准确的。另外,EnergyPlus不稳定,不太容易收敛并且经济性分析较为简单。

3)TRNSYS

    TRNSYS和HVACSIM 等软件采用了和EnergyPlus以及DOE22等软件完全不同的设计思想。有些文献也把它们认为是不同的两类软件。TRNSYS最大的特点是采用了模块化的思想。每个模块代表一个小的系统、设备或者一个热湿处理过程。它采用/黑盒子0技术封装了计算方法,使得用户把主要精力放在模块的输入和输出上,而不是组件的内部。这些模块可以很方便地搭建组成各种复杂系统。所以TRNSYS被认为是建筑能耗模拟软件中模拟系统最灵活的软件之一。

    TRNSYS具有十分强大的模拟控制器的功能,可以十分精确地模拟各种控制方式,在部分负荷的模拟中相对EnergyPlus等软件有一定的优势。由于TRNSYS立足于系统而不是建筑,它在模拟系统、设备和控制方式的最优化问题以及系统中参数监测等问题时相对于EnergyPlus和DOE22这些立足于建筑的软件是有优势的,但正因如此,它在建筑负荷以及建筑热性能的模拟上偏弱。它所设定的建筑模型比较简单,很难完成复杂建筑的描述,如不能按照建筑实际外形建立模型、没有建筑阴影的计算、处理自然通风和渗透通风等问题时需要借助其它软件。

    TRNSYS采用开放式的结构,用户可以根据自己的实际情况在它提供的平台下编写并改进组件嵌入到TRNSYS中完成模拟,而且它与很多专业软件,如EES、GenOpt、RansFlow、COMIS和CONTAM等都可以完成链接,同时也可以很方便地使用EnergyPlus等软件的气象文件和处理结果。这些特点使得TRNSYS成为了一个分享计算机能耗模拟成果的很好平台。TRNSYS的另外一个重要优势是由于软件开发者本身在太阳能领域具有优势,它在新能源系统尤其是太阳能系统的模拟上具有其它软件无法比拟的优势,而且TRNSYS中的地耦合模型经过一些权威机构鉴定,被认为是较为准确合理的,可以很好地应用于地源热泵的设计和研究中。

4)DeST

    DeST采用的是现代控制理论中的/状态空间法,求解时空间上离散、时间上保持连续,其求解的稳定性以及误差与时间步长的大小没有关系,所以在步长的选取上较为灵活。DeST嵌入在AUTOCAD中,界面友好,所见即所得,但无法像PKPM那样从AUTOCAD中读取数据,用户必须自己建模。笔者认为,与其它软件相比,DeST采用/分阶段设计,分阶段模拟的思想具有独到之处。DeST以设计过程为驱动,利用已有的信息(未知的信息按理想的缺省值来设定),逐步深入,将未知转化为已知,直到最后完成模拟。

    DeST模拟设计时采用建筑负荷计算、空调系统模拟、AHU(AirHandingUnit)方案模拟、风网和冷热源模拟的步骤,完全符合设计的习惯,对设计有很好的指导作用。其次,DeST也可求解比较复杂的建筑,它考虑了邻室房间的热影响,可以对围护结构和房间联立方程求解。DeST吸收了TRNSYS的开放式特性,以期成为应用建筑能耗模拟成果的一个优良的通用平台,为将来的扩展提供了坚实的基础。再其次,DeST的适用范围十分广泛,针对不同的使用对象,DeST推出了不同的版本,如评估版和分析版等。然而,DeST在组件的扩充上没有TRNSYS方便,它的控制方式也没有TRNSYS多样灵活,本身所包含的设备和系统数目也没有TRNSYS等软件丰富。另外,DeST是基于AUTOCAD和MicrosoftAcess等平台,没有自己独立运行的平台,软件的发展受制于AUTOCAD和MicrosoftAcess的发展。同时,由于目前我国还没有完整的气象数据文件,DeST的气象数据库是实测结合拟合得到的,一般认为在能耗模拟中还是应该使用逐时气象数据,拟合的结果会给计算的准确性带来隐患。

5)PKPM2CHEC

    PKPM2CHEC也是以DOE22软件作为计算内核,最大的特点是与标准规范结合紧密,它在设计时完全按照5夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准6(JGJ13422001)进行。可以生成符合标准要求的建筑节能设计分析报告书和审查备案登记表。         PKPM2CHEC另一个比较大的优势是界面比较友好,输入比较方便,它和国内的多种建筑软件都有接口,设计人员可将CAD图纸直接转换成模型中需要的数据,同时比较注重对工程实际的指导,在设计时能较好地结合能耗分析和经济指标进行最佳方案的选择。

6)FLUENT等

    FLUENT、ANSYSY和Airpak等软件的最主要应用不是建筑能耗模拟,而是模拟室内环境状态。但是当遇到比较复杂的、比较新的传热传质系统,现有的能耗模拟软件无法处理时,可借助它们强大的解决流体换热问题的功能,在一定程度上进行求解。

7)Matlab

    Matlab并不是一个建筑能耗模拟软件,而是一个数学处理工具,但是它强大的数值处理和可视化功能,以及最优化、神经网络和模糊系统等工具箱为二次开发提供了有力的工具。另外,Matlab自带的Simulink是系统仿真的良好平台,近年来有很多用户借助这个平台进行二次开发,从而完成模拟计算。


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