12．2建筑能耗预测与评价

12．2　建筑能耗预测与评价

12．2．1　建筑能耗预测方法

建筑构造设计和供暖空调系统的选择配置对建筑物的负荷和能源消耗有很大影响。将建筑构造热过程，制冷、供暖空调设备及机组的工作特性及系统控制方法等结合考虑，可得到全年（或更长时间）的建筑物所消耗的能量（如电能、油、气耗量或煤耗等），并为建筑的节能提供备选方案和最佳的控制方式，以达到经济、合理的利用能源。优化计算方法主要是借助计算机技术进行模拟和仿真来进行能耗预测。

建筑（空调）负荷的计算是能耗模拟计算的基础。计算热负荷相对比较简单，因为房间在冬季耗热量比较稳定，而冷负荷计算需要考虑比较复杂的围护结构热传导、太阳辐射和家具、墙体蓄热情况，计算比较复杂。空调负荷计算的方法不断地研究和发展，目前计算方法主要分为两大类：静态模拟方法和动态模拟方法。

1）静态模拟方法

这是一种简化的能耗计算方法。该方法虽然在理论上作了很大简化，结果也很粗略，但计算速度快，可用于研究能耗趋势、进行系统比较与替代。这类方法主要包括度日法、温频法和满负荷系数法等。

（1）度日法（DegreeDayMethod）

度日法主要用于供热计算，准确性高于冷负荷计算。度日法基于这样的假设，从热交换的长期平均效果考虑出发，当室外平均温度为某个特殊值时，太阳辐射能量和室内得热量总和与房间的热损失相抵消，房间处于平衡点。度日法是一种最简单的全年能耗预测方法，一般用于室内温度设定值恒定，且室内发热量为定值，全年均需要供热或制冷的系统。全年供热和制冷功率计算方式如下：

式中　Q_h——全年供热功率，kW；

　T_bal——房间得热与热耗平衡时对应的室外温度，℃；

　Q_c——全年制冷功率，kW；

　T_o——室外日平均温度，℃；

　η_h——供热设备热效率；

　η_c——制冷设备效率；

　K——建筑热损失系数，K＝U_oA，kW／℃；

　U_o——围护结构传热系数，kW／（m²·℃）；

　A——围护结构表面面积，m²。

当建筑物负荷多来自于围护结构传热和渗透传热，且机组的性能比较稳定时，度日法是一种简单、准确、经济的计算方法。

由于平衡温度设定为一个定值，影响计算的准确性。因而在此基础上又产生了修正度日法（Modified Degree Day Method）和带变量度日法（Variable Base Degree Day Method）。前者是在度日法公式中乘以一个经验修正系数CD。该值是在一个适中的气候条件下，将测量值与度日法计算值相比较而确定。后者考虑到由于各国各地气候条件差异，建筑结构及材料特性各异，以及太阳辐射得热和人员、设备使用情况不同，将平衡点温度不再固定为一个定值，而设为系统既不加热也不冷却时的室外温度，具体计算式如下：

式中　——室内设计温度，℃；

　q——太阳辐射及室内得热量平均值，kW。

带变量的度日法虽然是一种静态方法，具有一定的局限性，但这种方法仍然可为以围护结构传热占主导的一类建筑物（如居民楼）提供比较准确的全年能耗预测。

（2）温频法（BinMethod）

温频法相对于度日法而言，更适合于以室内负荷占主导，且负荷与室内外温度不成线性关系的建筑物（如大型商用建筑）。温频法是将不同的室外干球温度下的瞬时热（冷）负荷值乘以该温度值出现的小时数，来计算负荷大小。一般温度频率取3～5℃，考虑到机组开停及设备使用情况，通常将每天的负荷计算分为三个工作段。对于热负荷而言，可按下式计算：

式中　N_j——第j个温频出现的小时数，h；

　T_j——第j个温度频率时室外温度值，℃；

　n——温频总个数。

考虑到室外湿球温度的出现小时数，也可以用于计算因通风和渗透而带来的潜热负荷，通过调整平衡点温度可考虑室内负荷的影响。温频法是基于逐时天气数据，而不是采用日平均值，因此相对于度日法而言要准确，且可同时适用于冷、热负荷。

（3）满负荷系数法（Equivalent Full Load Hours）

这是一种估算方法，它是利用全年制冷设备满负荷工作的小时数来预测全年的能耗，仅限于冷负荷计算。它是基于考虑到制冷设备的工作情况与日照，室外干、湿球温度，设备效率及操作情况等有关可以利用机组满负荷工作时间来间接反映建筑能耗。这种方法比较适合于整体式机组、组合式单元，不适用于商用集中空调系统。制冷机组最大设计负荷计算式如下：

式中　Q_r——制冷机组最大设计负荷，kW；

　H——满负荷运行小时数时，h。

2）动态模拟方法

动态模拟方法主要以建筑能耗模拟软件为基础。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，计算量较大。通过计算机能够更有效率地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，主要包括如下几个方面：

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订提供参考。

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对比，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。

12．2．2　建筑能耗模拟软件

目前在我国使用的建筑能耗模拟软件主要有DOE-2，EnergyPlus，TRNSYS，eQUEST和DeST等。

1）DOE-2

DOE-2在建筑能耗模拟软件发展的历史上具有重大意义。DOE-2是公认的最权威、最经典的建筑能耗模拟软件之一，已经被许多能耗模拟软件（如eQUEST，EnergyPlus，CHEC和PowerDOE等）借鉴和引用。DOE-2采用经典的LSPE结构，即Load模块、System模块、Plant模块和Economic模块，如图12．1所示。许多软件至今仍采用DOE-2的LSPE结构，并在其基础上改进与创新。

图12．1　DOE-2软件的流程图

DOE-2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，且因其在DOS环境下运行，界面不太友好。其次，DOE-2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DOE-2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。

图12．2　EnergyPlus流程图

2）EnergyPlus

EnergyPlus整合了DOE-2和BLAST的优点，并加入了很多新的功能。它被认为是DOE-2的一个很好的替代软件。EnergyPlus吸收了DOE-2的LSPE结构，并做出了改进，采用如图12．2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。它在开发之初就重视计算方法，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DOE-2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＋等软件采用了与EnergyPlus以及DOE-2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”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DOE-2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他软件。

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他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）eQUEST

eQUEST能耗模拟软件是在美国能源部（U．S．DepartmentofEnergy）和电力研究院的资助下，由美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）和J．J．Hirsch及其合作人共同开发。该软件的计算核心是目前使用最为广泛的能耗模拟软件DOE2的高级版本DOE2-2。

eQUEST不仅吸收了能耗分析软件DOE-2的优点，并且增加了很多新功能，使建筑建模过程更加简单，结果输出形式更加清晰。eQUEST能耗模拟程序是计算建筑耗能的有效工具，建筑传热是一个复杂的动态过程，建筑得热或失热随室内外的气候条件变化而变化。eQUEST能耗计算软件运用动态计算方法计算建筑的能耗及各个组件的影响因素。该软件采用反应系数法计算建筑围护结构的传热量，反应系数法是先计算围护结构内外表面温度和热流对一个单位三角波温度扰量的反应，计算出围护结构的吸热、放热和传热反应系数，然后将任意变化的室外温度分解成一个个可叠加的三角波，利用导热微分方程可叠加的性质，将围护结构对每个温度三角波的反应叠加起来，得到任一时刻围护结构表面的温度和热流。

eQUEST能耗计算软件根据室外气象条件、围护结构情况，采用一种正向思维计算出室内温度以及室内得热量进而计算出负荷。对要控制室内热环境的房间，由选定的供暖空调系统根据室内负荷情况提供冷热量，以维持室温在允许的范围内波动。eQUEST软件的计算过程是一个动态平衡的过程，后一时刻室内温度、冷热负荷以及供暖空调设备的耗电量要受前一时刻的影响。eQUEST软件根据输入的建筑情况（建筑结构、围护结构材料、供暖空调方式与系统布置形式、室内人员活动规律、照明设备情况）和室内设计温度值，动态地计算出建筑的全年能耗。

5）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。与其他软件相比，DeST采用的“分阶段设计，分阶段模拟”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。

6）PKPM-CHEC

PKPM-CHEC也是以DOE-2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《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ134）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。PKPM-CHEC另一个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。