建筑能耗的模拟分析课件

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第十五章建筑能耗的模拟分析LOGO

第十五章建筑能耗的模拟分析第一节概述建筑能耗模拟是建筑模拟的一个方面。建筑模拟（BuildingSimulation）是指对建筑环境与系统的整体性能进行模拟分析的方法，因此也可称为建筑性能模拟（BuildingPerformanceSimulation）。建筑性能模拟主要包括建筑能耗模拟、建筑环境模拟（气流模拟、光照模拟、污染物模拟）和建筑系统仿真。其中建筑能耗模拟是对建筑环境、系统和设备进行计算机建模，并计算出逐时建筑能耗的技术。Companyname2第一节概述建筑能耗模拟是建筑模拟的一个方面。Company第二节建筑能耗模拟基本原理一、概述用来描述建筑系统的数学模型由三个部分组成：①输入变量，包括可控制的变量和无法控制的变量（如天气参数）；②系统结构和特性，即对于建筑系统的物理描述（如建筑围护结构的传热特性、空调系统的特性等）；③输出变量，系统对于输入变量的反应，通常指能耗。在输入变量和系统结构和特性这两个部分确定之后，输出变量（能耗）就可以得以确定。Companyname3第二节建筑能耗模拟基本原理一、概述Companyna第二节建筑能耗模拟基本原理一、概述因应用的对象和研究目的的不同，建筑能耗模拟的建模方法可以分为两大类。（1）正向建模方法（经典方法）在输入变量和系统机构与特性确定后预测输出变量（能耗）（2）逆向建模方法（数据驱动方法）在输入变量和输出变量已知或经过测量后已知时，估计建筑系统的各项参数，建立建筑系统的数学描述Companyname4第二节建筑能耗模拟基本原理一、概述Companyna第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法正向建模方法的模型由四个主要模块构成：负荷模块（Loads）、系统模块（Systems）、设备模块（Plants）和经济模块（Economics）——LSPE。系统模块：模拟空调系统的空气输送设备、风机、盘管以及相关的控制装置的。设备模块：模拟制冷机、锅炉、冷却塔、蓄能设备、发电设备、泵等冷热源设备。经济模块：计算为满足建筑负荷所需要的能源费用。Companyname5第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法Companyname6第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法负荷模块中，计算显热负荷的方法：热平衡法（heat

balance

method）、加权系数法（weighting-factor

method）和热网络法（thermal-network

method）热平衡法和加权系数法都是采用传递函数法热平衡法根据热力学第一定律建立建筑外表面、建筑体、建筑内表面和室内空气的热平衡方程，通过联立求解计算室内瞬时负荷。假设空气温度均一，各表面有均一的表面温度和长短波辐射可用来模拟辐射供热、供冷系统Companyname7第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法Companyname8第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法加权系数法介于忽略建筑体的蓄热特性的稳态计算方法和动态的热平衡方法之间的折衷首先在输入建筑几何模型，天气参数和内部负荷后计算出某一给定的房间温度下的得热，然后在已知空调系统参数之后由房间得热计算房间温度和热量。两组权系数:得热权系数和空气温度权系数两个假设：一、模拟的传热过程为线形；二、影响权系数的系统参数为定值Companyname9第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法热网络法将建筑系统分解为一个有很多节点构成的网络，节点之间的连接是能量的交换。更精确的热平衡法空气，传热部件可以是多个节点最为灵活，最为准确更多的计算和时间Companyname10第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法2．系统建模方法在建立了建筑及其系统的各个部件的模块之后，要对整个系统进行建模。Companyname11第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法2．系统建模方法系统模拟方法有两种：顺序模拟法（sequencemodeling）和同时模拟法（simultaneousmodeling）。顺序模拟法：顺序计算每一层，每层之间没有数据反馈，无法保证空调系统可以满足负荷要求同时模拟法：每个时间步长，负荷，系统和设备同时进行模拟计算，能保证空调满足负荷要求。准确性提高，花费计算机内存和时间Companyname12第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理三、逆向建模方法（数据驱动方法）逆向建模方法可以分为三种类型：经验（黑箱）法（Empiricalor“Black-Box”Approach）、校验模拟法（CalibratedSimulationApproach）和灰箱法（Gray-BoxApproach）1．经验（黑箱）法：建立实测能耗与各项影响因子之间的回归模型。简单和直接。2．校验模拟法：先在现有软件中建立模型，在调整和校验模型输入参数，使实际建筑能耗与模拟结果吻合。过于依赖分析人员。应用改造项目单个措施节能效果3．灰箱法：先建立一个表达建筑和空调系统的模型，然后用统计分析方法确定各项物理参数。应用在故障检测与诊断和在线控制Companyname13第二节建筑能耗模拟基本原理三、逆向建模方法（数据驱动方法）第三节建筑能耗模拟软件介绍（1）设计用软件（Practitionerdesigntools）建筑师、工程师等用作进行建筑及系统设计的软件，包括分析、选型、布置、画图、规范符合、建筑及空调系统费用计算等，如AutoCAD。（2）建筑全能耗分析软件（Wholebuildingenergyanalysistools）用来模拟建筑及系统的全年运行状况，从而预测年运行能耗和费用的软件。（3）能耗与环境影响分析软件（Energyandenvironmentalscreeningtools）主要用来分析采用新的节能技术所带来的经济及环境的益处，往往对计算进行简化，输入也比较简单，并能够迅速地给出比较直观的结果；（4）专业分析软件（Specializedanalysistools）用作科研用途，拥有专门开发的精确的模型，例如计算流体力学（CFD）模拟软件Fluent、照明模拟软件Radiance等。Companyname14第三节建筑能耗模拟软件介绍（1）设计用软件（Practit第三节建筑能耗模拟软件介绍一、建筑全能耗分析软件分类1简化能耗分析软件如度日法，计算建筑的逐月、典型日或年总能耗。输入简单，用时少，精度低。ASEAM，AUDIT，BEEM，EASY，RESEM2逐时能耗模拟计算引擎无用户界面或仅有简单的用户界面，需要编辑ASCII输入文件，输出数据自己处理DOE-2，BLAST，EnergyPlus，ESP-r,TRNSYSCompanyname15第三节建筑能耗模拟软件介绍一、建筑全能耗分析软件分类Com第三节建筑能耗模拟软件介绍一、建筑全能耗分析软件分类3通用逐时能耗模拟软件有成熟的用户界面，输入和输出可视化。Energy-10，eQUEST，VisualDOE，PowerDOE，IssiBAT4特殊用途逐时能耗模拟软件DesiCalc除湿系统；SST超市空调系统和冷冻系统；IHAT模拟学校建筑的全热回收系统；BCHP模拟建筑冷热电联产系统5网上逐时能耗模拟软件网上计算用户界面Home

Energy

Saver，RVSP，Your

California

HomeCompanyname16第三节建筑能耗模拟软件介绍一、建筑全能耗分析软件分类Com第三节建筑能耗模拟软件介绍二、建筑全能耗分析软件介绍建筑冷热负荷和电负荷的逐时准确计算、模拟是三联供系统优化配置与运行分析的基础。建筑全能耗分析软件的计算方法一般都是基于动态的环境;为保证计算结果的准确度,软件都需要室外逐时的气象数据或典型气象年数据,而且需要尽可能详细的体型描述数据及相应的热工性能数据。Companyname17第三节建筑能耗模拟软件介绍二、建筑全能耗分析软件介绍ComCompanyname18第三节建筑能耗模拟软件介绍

DOE-2EnergyPluseQuestTRNSYSESP-r中国的DeST、CHEC等等。

这些软件具有各自的特点例如，DOE-2能够准确地模拟较复杂的围护结构的负荷，TRNSYS在模拟空调系统时能够提供最大的灵活性Companyname18第三节建筑能耗模拟软件介绍 这Companyname19在美国有两个著名的建筑模拟程序：BLAST和DOE-2欧洲代表性的软件是ESP-r国内有影响力的模拟软件是清华大学开发的DEST（前身是BTP）第三节建筑能耗模拟软件介绍Companyname19第三节建筑能耗模拟软件介绍Companyname20DOE-2是公认的最经典的建筑能耗模拟软件之一DOE-2可以提供整幢建筑物每小时的能量消耗分析,用于计算系统运行过程中的能效和总费用,也可以用来分析围护结构（包括屋顶、外墙、外窗、地面、楼板、内墙等）、空调系统,电器设备和照明对能耗的影响。其输入方法为手写编程的形式，要求用户手写输入文件，输入、输出档格式均为英文，且格式要求比较严格，对于中国用户来说不易上手。但DOE-2有大量的数据库和研究文献,用户可以通过学习比较详细的了解运用。1Companyname20DOE-2是公认的最经典的建筑能Companyname21DOE-2是公认的最经典的建筑能耗模拟软件之一

1Companyname21DOE-2是公认的最经典的建筑能Companyname22DOE-2是公认的最经典的建筑能耗模拟软件之一

1Companyname22DOE-2是公认的最经典的建筑能Companyname23DOE-2是公认的最经典的建筑能耗模拟软件之一

1Companyname23DOE-2是公认的最经典的建筑能Companyname24EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的EnergyPlus是一个建筑能耗逐时模拟引擎,采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法来模拟建筑系统的实际运行状况，从而预测年运行能耗和费用的软件；在计算负荷时，时间步长可由用户选择，一般为10到15分钟。在系统的模拟中，软件会自动设定更短的步长（小至数秒，大至1小时）以便于更快地收敛。EnergyPlus采用CTF来计算墙体传热，采用热平衡法计算负荷。2Companyname24EnergyPlus是在BLASCompanyname25EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法在计算负荷时，用户可以定义小于1个小时的时间步长；在系统模拟中，时间步长自动调整，以加快收敛。采用热平衡法模拟负荷采用联立的传热和传质模型对墙体的传热和传湿进行模拟采用各向异性的天空模型以改进倾斜表面的天空散射强度先进的窗户传热的计算，可以模拟包括可控的遮阳装置、可调光的电铬玻璃等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,EnergyPlus具有以下主要特点：Companyname25EnergyPlus是在BLASCompanyname26EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的EnergyPlus运算时间相对于DOE-2来说要长许多EnergyPlus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。劣势Companyname26EnergyPlus是在BLASCompanyname27EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的2Companyname27EnergyPlus是在BLASCompanyname28EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的2Companyname28EnergyPlus是在BLASCompanyname29EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的2Companyname29EnergyPlus是在BLASCompanyname30eQuest简介

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．它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可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计算出建筑的全年动态能耗3Companyname30eQuest简介 计算软件根Companyname31eQuest简介eQuest则简化了DOE-2建模的过程。8760小时（全年）能耗模拟特定的工作日类型：每一个season里可设置3种工作日（周一到周五，周日，节假日），可最多设置52个season。定义能源价格的方式：分时定价，按容量定价，统一定价eQuest能够模拟的一些特殊的空调系统——热电联产、蓄能系统、光电转换优势Companyname31eQuest简介优势Companyname32EnergyPlus运算时间相对于DOE-2来说要长许多

eQuest始终假设系统的控制处于最佳状态，因而与实际有较大的差别，比如他无法判断阀门是否堵塞，制动装置是否失效，系统维护状况等。劣势Companyname32EnergyPlus运算时间相对Companyname33eQuest简介

3Companyname33eQuest简介 3Companyname34eQuest简介

3Companyname34eQuest简介 3Companyname35eQuest简介

3Companyname35eQuest简介 3Companyname36TRNSYS

计算灵活，模块化开放式结构，用户可以根据需要任意建立连接，形成不同系统的计算程序；形成终端用户程序，为非TRNSYS用户提供方便；输出结果可在线输出100多个系统变量，可形成EXCEL计算文件；与EnergyPlus、MATLAB等其它软件建立链接。4软件具有以下主要特点：Companyname36TRNSYS 4软件具有以下主要Companyname37TRNSYS优势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。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等软件有优势Companyname37TRNSYS优势在新能源系统尤其Companyname38TRNSYS劣势但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该软件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有优势Companyname38TRNSYS劣势但它在建筑负荷以Companyname39TRNSYS4Companyname39TRNSYS4Companyname40ESP-r功能：ESP-r在欧洲应用非常广泛，是一个集成化的模拟分析工具，除了可以模拟建筑中的声、光、热以及流体流动等现象外，还可以对建筑能耗以及温室气体排放作出评估，可以对建筑的采暖、通风、制冷设备的容量及效率作出综合的评估。除此之外，该软件还集成了对新的可再生能源技术(如光伏系统、风力系统等)的分析手段。5Companyname40ESP-r功能：5Companyname41ESP-rESP-r特点2）对于设备侧可以进行HVAC,太阳能设备，光电板等进行模拟．各个模拟模块可以独立模拟，也可以整体模拟，可以得到很详细结果1）对于建筑侧进行很详细的模拟，包括建筑传热，遮阳分析Companyname41ESP-rESP-r特点2）对于Companyname42DeSTDeST由清华大学空调实验室研制开发。DeST通过采用逆向的求解过程;基于全工况的设计,DeST在每一个设计阶段都计算出逐时的各项要求(风量、送风状态、水量等等),使得设计可以从传统的单点设计拓展到全工况设计6两个版本应用于商业建筑的商建版本（DeST-c）应用于住宅建筑的住宅版本（DeST-h）Companyname42DeSTDeST由清华大学空调Companyname43DeST功能： 1）建筑物全年的逐时能耗模拟计算； 2）冷热电联产系统模拟计算； 3）太阳能（光热和光伏）模拟计算； 4）地板辐射供暖、供冷系统模拟计算； 5）蓄冷、蓄热系统模拟计算； 6）优化空调系统方案，预测系统运行费用； 7）燃料电池系统模拟计算；Companyname43DeST功能：Companyname44DeST

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。优势1）在组件的扩充上没有TRNSYS方便；2）控制方式也没有TRNSYS多样灵活；3）本身所包含的设备和系统数目也没有TRNSYS等软件丰富。步长选取比较灵活，但用户必须自己建模；可求解复杂的建筑,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。劣势Companyname44DeST 由于目前我国还Companyname45住宅建筑热环境模拟工具包（简称“DeST-h”）DeST-h主要用于住宅建筑热特性的影响因素分析、住宅建筑热特性指标的计算、住宅建筑的全年动态负荷计算、住宅室温计算、末端设备系统经济性分析等领域。技术特色4.1精确模拟建筑中各房间的室温状况4.2精确模拟夜间通风对室内热环境的影响4.3精确模拟邻室传热对各房间热环境的影响4.4精确模拟间歇空调启停对于装机容量和运行能耗的影响4.5精确模拟内外保温对于空调供暖负荷的影响Companyname45住宅建筑热环境模拟工具包（简称“Companyname46商业建筑热环境模拟工具包（简称“DeST-c”）DeST-c对商业建筑的模拟分成建筑室内热环境模拟、空调方案模拟、输配系统模拟、冷热源经济性分析几个阶段;DeST-c先后应用于国家大剧院、深圳文化中心、西西工程等大型商业建筑的设计过程，并对中央电视台、解放军总医院、北京城乡贸易中心、发展大厦等多栋建筑空调系统改造进行模拟给出改造方案。Companyname46商业建筑热环境模拟工具包（简称“Companyname47CHEC特点:1）CHEC软件最大的特点是便捷的输入方式，设计师可以采用自己绘制的CAD图纸直接进行模型数据的转换,无需用户手写输入。 2）CHEC软件比较注重和各地的节能规范相结合,注重各地的材料使用和气候差异,可以生成完全符合各地审查规范要求的计算报告书。

该软件采用DOE-2软件作为计算内核，完全按照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》进行编制，通过调用DOE-2内核,模拟全年的气象数据,进行全年的动态能耗模拟分析,生成详尽的空调采暖全年能耗报告。7Companyname47CHEC特点:7Companyname48“逐时能源负荷分摊比例”的方法 电力负荷的大小及逐时变化特征与建筑物内各种用电设备的安装功率、设备的耗电性能及作息时间直接相关。由于建筑物内用电设备的使用及人员的作息时间具有很大的随机性，我们很难根据耗电设备来准确预测逐时电负荷。8优势它可以同时计算出全年逐时冷热电负荷，能够很方便地统计出热电比，这在很多负荷计算软件中是做不到的冷热负荷主要包括空调冷负荷、空调热负荷以及生活热水负荷，主要由建筑物内各种用电设备造成电力负荷Companyname48“逐时能源负荷分摊比例”的方法 Companyname49“逐时能源负荷分摊比例”的方法在进行逐时冷热电负荷计算时，不考虑耗电设备的直接影响，而是在针对建筑类型进行市场调查研究的基础上来进行预测的。其步骤如下：(1)对建筑使用功能进行分析；(2)对该气候区域内的同类建筑的能耗状况进行调查，得到单位面积的平均耗能量；(3)采用日本三联供设计手册中的相关数据，利用小时能源负荷分摊比例的方法，根据调查到的数据，对逐时冷热电负荷进行模拟计算，其计算流程如图1所示。Companyname49“逐时能源负荷分摊比例”的方法Companyname50负荷因子计算方法传统的设计方法可以初步确定机组的容量。但由于设计负荷不能反映出不同建筑类型负荷的逐时变化特点，不能反映热电冷负荷间的相互作甩与联系，方案也就不能给出各个不同时段机组具体的运行策略，不能对系统进行全年逐时的技术经济模拟分析而学者Michael提出的负荷系列法，将全年冷热负荷的逐时变化利用对典型天负荷进行三角变换而获得

（补充：同种类型建筑来说，负荷的逐时变化特点可以利用一个反映该建筑类型属性的无因次因子来表述，我们把这无因次因子称为“负荷因子”，它反映的是负荷的逐时变化信息，是一个介于O～1之间逐时变化的无量纲数。）9Companyname50负荷因子计算方法传统的设计方法可Companyname51负荷因子计算方法根据用电设备的耗电关系，建筑电负荷分为两类空调耗电“负荷因子”与冷热“负荷因子’’存在一定的函数关系，具体数值与所选择的空调系统相关；建筑功能电“负荷因子”主要与建筑的使用功能及属性有关。电力负荷的大小及逐时变化特征与建筑物内各种用电设备的安装功率、设备的耗电使用性能及作息时问直接相关。与建筑使用功能相关的电负荷，包括照明、常用电器、运输设备等。与冷热负荷相关的空调耗电负荷Companyname51负荷因子计算方法根据用电设备的耗Companyname52负荷因子计算方法该方法虽然计算方便，但物理概念不清晰，预测误差较大。Companyname52负荷因子计算方法该方法虽然计算方第三节建筑能耗模拟软件介绍三、相关专业分析软件1、自然采光/照明分析软件AGI32、Radiance和Lightscape等用户界面友好，渲染能力强计算方法：流明法、射线法和射线追踪法流明法：简化的照度计算方法。已知灯源光通量、灯具设计和平面部局、房间特点计算工作平面上的平均照度。射线法：可用于闭合空间内逐点的照度计算，更准确射线追踪法：最为准确，可预测某个空间的光照度并生成具有真实照度分布的渲染结果。Companyname53第三节建筑能耗模拟软件介绍三、相关专业分析软件Compan第三节建筑能耗模拟软件介绍三、相关专业分析软件2、透明围护结构模拟软件LNBL开发（1）OPTICS计算玻璃材料的光学特性，提供了分析窗体整体太阳辐射吸收情况的光学部分参数（2）THERM分析建筑部件如窗、门及墙体等的二维热传递（3）WINDOW将前两个软件整合成一个计算环境，对窗体整体进行光学、热传递及结露分析。（4）RESFEN以DOE-2.1为计算引擎，分析住宅采用不同的窗体系统时全年能耗分布情况的影响Companyname54第三节建筑能耗模拟软件介绍三、相关专业分析软件Compan第三节建筑能耗模拟软件介绍三、相关专业分析软件3、渗透/正压/污染物传递分析软件COMIS和CONTAMW模拟由于烟囱效应、风压及机械通风引起的区域之间及区域与室外环境之间的空气流动美国建筑和火灾研究实验室开发4、详细热湿传递分析软件Physibel：比利时实验室开发，对墙体、热桥及窗框进行2D和3D的热分析，可进行瞬态传热计算并分析延迟衰减作用MIOST：美国开发。对围护结构的一维热湿耦合传递多呈进行分析Companyname55第三节建筑能耗模拟软件介绍三、相关专业分析软件Compan第三节建筑能耗模拟软件介绍三、相关专业分析软件5、CFD气流模拟软件ANSYS可用来模拟建筑中气流和温度的分布情况Airpack和FLOVENT用于建筑相关问题6、基于方程的模拟软件IDA、EES、SPARK等7、HVAC部件和设备模型TRNSYS、Analysis

Platform、Coolaid和Visual

Plant用于冷冻水系统设计8、详细制冷系统模型Companyname56第三节建筑能耗模拟软件介绍三、相关专业分析软件Compan第四节建筑能耗模拟的基本方法一、事先规划

在创建输入文件前，首先要完成以下清单：a.获得建筑所在城市的位置和设计气象资料；b.获得足够的建筑围护结构数据，使得可以描述全部的建筑几何结构和围护结构（包括外墙、内墙、隔墙、地板、天花板、房顶、窗和门）；c.获得足够的建筑使用信息，使得可以描述照明和其他设备（包括电、气等设备），以CABDBShadowMedphaVentPlusLightingEAMBASSchemeDNAAHUCPS及建筑内每个区域的人数；Companyname57第四节建筑能耗模拟的基本方法一、事先规划Company第四节建筑能耗模拟的基本方法一、事先规划

d.获得足够的建筑温度控制信息，使得可以描述建筑内每个区域具体的温度控制策略；e.获得足够的HVAC系统运行信息，使得可以具体描述风机系统的运行时间表；f.获得足够的集中设备的信息，使得可以具体描述锅炉、制冷机和其他设备的运行时间表。Companyname58第四节建筑能耗模拟的基本方法一、事先规划Company第四节建筑能耗模拟的基本方法二、对建筑分区“区”是热的概念，不是几何概念。它是指处于相同温度的一定体积的空气和所有形成其边界的传热和蓄热表面。分区的总体原则：在不明显影响模拟准确性的情况下，定义尽可能少的区。还要遵循：空调区与非空调区分开；内外分区；特殊功能区域单独分开；照明和设备负荷不同的区域要分开Companyname59第四节建筑能耗模拟的基本方法二、对建筑分区Company第四节建筑能耗模拟的基本方法二、对建筑分区Companyname60第四节建筑能耗模拟的基本方法二、对建筑分区Company第四节建筑能耗模拟的基本方法二、对建筑分区Companyname61表15-1第四节建筑能耗模拟的基本方法二、对建筑分区Company第四节建筑能耗模拟的基本方法三、准备创建建筑模型1：确定传热和蓄热表面2：根据需要定义等价表面3：描述建筑表面构造4：编辑表面和子表面信息四、输入内部得热数据五、空调系统输入包括风系统和冷热源输入Companyname62第四节建筑能耗模拟的基本方法三、准备创建建筑模型CompLOGO

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第十五章建筑能耗的模拟分析第一节概述建筑能耗模拟是建筑模拟的一个方面。建筑模拟（BuildingSimulation）是指对建筑环境与系统的整体性能进行模拟分析的方法，因此也可称为建筑性能模拟（BuildingPerformanceSimulation）。建筑性能模拟主要包括建筑能耗模拟、建筑环境模拟（气流模拟、光照模拟、污染物模拟）和建筑系统仿真。其中建筑能耗模拟是对建筑环境、系统和设备进行计算机建模，并计算出逐时建筑能耗的技术。Companyname64第一节概述建筑能耗模拟是建筑模拟的一个方面。Company第二节建筑能耗模拟基本原理一、概述用来描述建筑系统的数学模型由三个部分组成：①输入变量，包括可控制的变量和无法控制的变量（如天气参数）；②系统结构和特性，即对于建筑系统的物理描述（如建筑围护结构的传热特性、空调系统的特性等）；③输出变量，系统对于输入变量的反应，通常指能耗。在输入变量和系统结构和特性这两个部分确定之后，输出变量（能耗）就可以得以确定。Companyname65第二节建筑能耗模拟基本原理一、概述Companyna第二节建筑能耗模拟基本原理一、概述因应用的对象和研究目的的不同，建筑能耗模拟的建模方法可以分为两大类。（1）正向建模方法（经典方法）在输入变量和系统机构与特性确定后预测输出变量（能耗）（2）逆向建模方法（数据驱动方法）在输入变量和输出变量已知或经过测量后已知时，估计建筑系统的各项参数，建立建筑系统的数学描述Companyname66第二节建筑能耗模拟基本原理一、概述Companyna第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法正向建模方法的模型由四个主要模块构成：负荷模块（Loads）、系统模块（Systems）、设备模块（Plants）和经济模块（Economics）——LSPE。系统模块：模拟空调系统的空气输送设备、风机、盘管以及相关的控制装置的。设备模块：模拟制冷机、锅炉、冷却塔、蓄能设备、发电设备、泵等冷热源设备。经济模块：计算为满足建筑负荷所需要的能源费用。Companyname67第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法Companyname68第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法负荷模块中，计算显热负荷的方法：热平衡法（heat

balance

method）、加权系数法（weighting-factor

method）和热网络法（thermal-network

method）热平衡法和加权系数法都是采用传递函数法热平衡法根据热力学第一定律建立建筑外表面、建筑体、建筑内表面和室内空气的热平衡方程，通过联立求解计算室内瞬时负荷。假设空气温度均一，各表面有均一的表面温度和长短波辐射可用来模拟辐射供热、供冷系统Companyname69第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法Companyname70第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法加权系数法介于忽略建筑体的蓄热特性的稳态计算方法和动态的热平衡方法之间的折衷首先在输入建筑几何模型，天气参数和内部负荷后计算出某一给定的房间温度下的得热，然后在已知空调系统参数之后由房间得热计算房间温度和热量。两组权系数:得热权系数和空气温度权系数两个假设：一、模拟的传热过程为线形；二、影响权系数的系统参数为定值Companyname71第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法1．模块建模方法热网络法将建筑系统分解为一个有很多节点构成的网络，节点之间的连接是能量的交换。更精确的热平衡法空气，传热部件可以是多个节点最为灵活，最为准确更多的计算和时间Companyname72第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法2．系统建模方法在建立了建筑及其系统的各个部件的模块之后，要对整个系统进行建模。Companyname73第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法2．系统建模方法系统模拟方法有两种：顺序模拟法（sequencemodeling）和同时模拟法（simultaneousmodeling）。顺序模拟法：顺序计算每一层，每层之间没有数据反馈，无法保证空调系统可以满足负荷要求同时模拟法：每个时间步长，负荷，系统和设备同时进行模拟计算，能保证空调满足负荷要求。准确性提高，花费计算机内存和时间Companyname74第二节建筑能耗模拟基本原理二、正向建模方法Company第二节建筑能耗模拟基本原理三、逆向建模方法（数据驱动方法）逆向建模方法可以分为三种类型：经验（黑箱）法（Empiricalor“Black-Box”Approach）、校验模拟法（CalibratedSimulationApproach）和灰箱法（Gray-BoxApproach）1．经验（黑箱）法：建立实测能耗与各项影响因子之间的回归模型。简单和直接。2．校验模拟法：先在现有软件中建立模型，在调整和校验模型输入参数，使实际建筑能耗与模拟结果吻合。过于依赖分析人员。应用改造项目单个措施节能效果3．灰箱法：先建立一个表达建筑和空调系统的模型，然后用统计分析方法确定各项物理参数。应用在故障检测与诊断和在线控制Companyname75第二节建筑能耗模拟基本原理三、逆向建模方法（数据驱动方法）第三节建筑能耗模拟软件介绍（1）设计用软件（Practitionerdesigntools）建筑师、工程师等用作进行建筑及系统设计的软件，包括分析、选型、布置、画图、规范符合、建筑及空调系统费用计算等，如AutoCAD。（2）建筑全能耗分析软件（Wholebuildingenergyanalysistools）用来模拟建筑及系统的全年运行状况，从而预测年运行能耗和费用的软件。（3）能耗与环境影响分析软件（Energyandenvironmentalscreeningtools）主要用来分析采用新的节能技术所带来的经济及环境的益处，往往对计算进行简化，输入也比较简单，并能够迅速地给出比较直观的结果；（4）专业分析软件（Specializedanalysistools）用作科研用途，拥有专门开发的精确的模型，例如计算流体力学（CFD）模拟软件Fluent、照明模拟软件Radiance等。Companyname76第三节建筑能耗模拟软件介绍（1）设计用软件（Practit第三节建筑能耗模拟软件介绍一、建筑全能耗分析软件分类1简化能耗分析软件如度日法，计算建筑的逐月、典型日或年总能耗。输入简单，用时少，精度低。ASEAM，AUDIT，BEEM，EASY，RESEM2逐时能耗模拟计算引擎无用户界面或仅有简单的用户界面，需要编辑ASCII输入文件，输出数据自己处理DOE-2，BLAST，EnergyPlus，ESP-r,TRNSYSCompanyname77第三节建筑能耗模拟软件介绍一、建筑全能耗分析软件分类Com第三节建筑能耗模拟软件介绍一、建筑全能耗分析软件分类3通用逐时能耗模拟软件有成熟的用户界面，输入和输出可视化。Energy-10，eQUEST，VisualDOE，PowerDOE，IssiBAT4特殊用途逐时能耗模拟软件DesiCalc除湿系统；SST超市空调系统和冷冻系统；IHAT模拟学校建筑的全热回收系统；BCHP模拟建筑冷热电联产系统5网上逐时能耗模拟软件网上计算用户界面Home

Energy

Saver，RVSP，Your

California

HomeCompanyname78第三节建筑能耗模拟软件介绍一、建筑全能耗分析软件分类Com第三节建筑能耗模拟软件介绍二、建筑全能耗分析软件介绍建筑冷热负荷和电负荷的逐时准确计算、模拟是三联供系统优化配置与运行分析的基础。建筑全能耗分析软件的计算方法一般都是基于动态的环境;为保证计算结果的准确度,软件都需要室外逐时的气象数据或典型气象年数据,而且需要尽可能详细的体型描述数据及相应的热工性能数据。Companyname79第三节建筑能耗模拟软件介绍二、建筑全能耗分析软件介绍ComCompanyname80第三节建筑能耗模拟软件介绍

DOE-2EnergyPluseQuestTRNSYSESP-r中国的DeST、CHEC等等。

这些软件具有各自的特点例如，DOE-2能够准确地模拟较复杂的围护结构的负荷，TRNSYS在模拟空调系统时能够提供最大的灵活性Companyname18第三节建筑能耗模拟软件介绍 这Companyname81在美国有两个著名的建筑模拟程序：BLAST和DOE-2欧洲代表性的软件是ESP-r国内有影响力的模拟软件是清华大学开发的DEST（前身是BTP）第三节建筑能耗模拟软件介绍Companyname19第三节建筑能耗模拟软件介绍Companyname82DOE-2是公认的最经典的建筑能耗模拟软件之一DOE-2可以提供整幢建筑物每小时的能量消耗分析,用于计算系统运行过程中的能效和总费用,也可以用来分析围护结构（包括屋顶、外墙、外窗、地面、楼板、内墙等）、空调系统,电器设备和照明对能耗的影响。其输入方法为手写编程的形式，要求用户手写输入文件，输入、输出档格式均为英文，且格式要求比较严格，对于中国用户来说不易上手。但DOE-2有大量的数据库和研究文献,用户可以通过学习比较详细的了解运用。1Companyname20DOE-2是公认的最经典的建筑能Companyname83DOE-2是公认的最经典的建筑能耗模拟软件之一

1Companyname21DOE-2是公认的最经典的建筑能Companyname84DOE-2是公认的最经典的建筑能耗模拟软件之一

1Companyname22DOE-2是公认的最经典的建筑能Companyname85DOE-2是公认的最经典的建筑能耗模拟软件之一

1Companyname23DOE-2是公认的最经典的建筑能Companyname86EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的EnergyPlus是一个建筑能耗逐时模拟引擎,采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法来模拟建筑系统的实际运行状况，从而预测年运行能耗和费用的软件；在计算负荷时，时间步长可由用户选择，一般为10到15分钟。在系统的模拟中，软件会自动设定更短的步长（小至数秒，大至1小时）以便于更快地收敛。EnergyPlus采用CTF来计算墙体传热，采用热平衡法计算负荷。2Companyname24EnergyPlus是在BLASCompanyname87EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法在计算负荷时，用户可以定义小于1个小时的时间步长；在系统模拟中，时间步长自动调整，以加快收敛。采用热平衡法模拟负荷采用联立的传热和传质模型对墙体的传热和传湿进行模拟采用各向异性的天空模型以改进倾斜表面的天空散射强度先进的窗户传热的计算，可以模拟包括可控的遮阳装置、可调光的电铬玻璃等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,EnergyPlus具有以下主要特点：Companyname25EnergyPlus是在BLASCompanyname88EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的EnergyPlus运算时间相对于DOE-2来说要长许多EnergyPlus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。劣势Companyname26EnergyPlus是在BLASCompanyname89EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的2Companyname27EnergyPlus是在BLASCompanyname90EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的2Companyname28EnergyPlus是在BLASCompanyname91EnergyPlus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的2Companyname29EnergyPlus是在BLASCompanyname92eQuest简介

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．它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可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计算出建筑的全年动态能耗3Companyname30eQuest简介 计算软件根Companyname93eQuest简介eQuest则简化了DOE-2建模的过程。8760小时（全年）能耗模拟特定的工作日类型：每一个season里可设置3种工作日（周一到周五，周日，节假日），可最多设置52个season。定义能源价格的方式：分时定价，按容量定价，统一定价eQuest能够模拟的一些特殊的空调系统——热电联产、蓄能系统、光电转换优势Companyname31eQuest简介优势Companyname94EnergyPlus运算时间相对于DOE-2来说要长许多

eQuest始终假设系统的控制处于最佳状态，因而与实际有较大的差别，比如他无法判断阀门是否堵塞，制动装置是否失效，系统维护状况等。劣势Companyname32EnergyPlus运算时间相对Companyname95eQuest简介

3Companyname33eQuest简介 3Companyname96eQuest简介

3Companyname34eQuest简介 3Companyname97eQuest简介

3Companyname35eQuest简介 3Companyname98TRNSYS

计算灵活，模块化开放式结构，用户可以根据需要任意建立连接，形成不同系统的计算程序；形成终端用户程序，为非TRNSYS用户提供方便；输出结果可在线输出100多个系统变量，可形成EXCEL计算文件；与EnergyPlus、MATLAB等其它软件建立链接。4软件具有以下主要特点：Companyname36TRNSYS 4软件具有以下主要Companyname99TRNSYS优势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。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等软件有优势Companyname37TRNSYS优势在新能源系统尤其Companyname100TRNSYS劣势但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该软件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有优势Companyname38TRNSYS劣势但它在建筑负荷以Companyname101TRNSYS4Companyname39TRNSYS4Companyname102ESP-r功能：ESP-r在欧洲应用非常广泛，是一个集成化的模拟分析工具，除了可以模拟建筑中的声、光、热以及流体流动等现象外，还可以对建筑能耗以及温室气体排放作出评估，可以对建筑的采暖、通风、制冷设备的容量及效率作出综合的评估。除此之外，该软件还集成了对新的可再生能源技术(如光伏系统、风力系统等)的分析手段。5Companyname40ESP-r功能：5Companyname103ESP-rESP-r特点2）对于设备侧可以进行HVAC,太阳能设备，光电板等进行模拟．各个模拟模块可以独立模拟，也可以整体模拟，可以得到很详细结果1）对于建筑侧进行很详细的模拟，包括建筑传热，遮阳分析Companyname41ESP-rESP-r特点2）对于Companyname104DeSTDeST由清华大学空调实验室研制开发。DeST通过采用逆向的求解过程;基于全工况的设计,DeST在每一个设计阶段都计算出逐时的各项要求(风量、送风状态、水量等等),使得设计可以从传统的单点设计拓展到全工况设计6两个版本应用于商业建筑的商建版本（DeST-c）应用于住宅建筑的住宅版本（DeST-h）Companyname42DeSTDeST由清华大学空调Companyname105DeST功能： 1）建筑物全年的逐时能耗模拟计算； 2）冷热电联产系统模拟计算； 3）太阳能（光热和光伏）模拟计算； 4）地板辐射供暖、供冷系统模拟计算； 5）蓄冷、蓄热系统模拟计算； 6）优化空调系统方案，预测系统运行费用； 7）燃料电池系统模拟计算；Companyname43DeST功能：Companyname106DeST

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。优势1）在组件的扩充上没有TRNSYS方便；2）控制方式也没有TRNSYS多样灵活；3）本身所包含的设备和系统数目也没有TRNSYS等软件丰富。步长选取比较灵活，但用户必须自己建模；可求解复杂的建筑,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。劣势Companyname44DeST 由于目前我国还Companyname107住宅建筑热环境模拟工具包（简称“DeST-h”）DeST-h主要用于住宅建筑热特性的影响因素分析、住宅建筑热特性指标的计算、住宅建筑的全年动态负荷计算、住宅室温计算、末端设备系统经济性分析等领域。技术特色4.1精确模拟建筑中各房间的室温状况4.2精确模拟夜间通风对室内热环境的影响4.3精确模拟邻室传热对各房间热环境的影响4.4精确模拟间歇空调启停对于装机容量和运行能耗的影响4.5精确模拟内外保温对于空调供暖负荷的影响Companyname45住宅建筑热环境模拟工具包（简称“Companyname108商业建筑热环境模拟工具包（简称“DeST-c”）DeST-c对商业建筑的模拟分成建筑室内热环境模拟、空调方案模拟、输配系统模拟、冷热源经济性分析几个阶段;DeST-c先后应用于国家大剧院、深圳文化中心、西西工程等大型商业建筑的设计过程，并对中央电视台、解放军总医院、北京城乡贸易中心、发展大厦等多栋建筑空调系统改造进行模拟给出改造方案。Companyname46商业建筑热环境模拟工具包（简称“Companyname109CHEC特点:1）CHEC软件最大的特点是便捷的输入方式，设计师可以采用自己绘制的CAD图纸直接进行模型数据的转换,无需用户手写输入。 2）CHEC软件比较注重和各地的节能规范相结合,注重各地的材料使用和气候差异,可以生成完全符合各地审查规范要求的计算报告书。

该软件采用DOE-2软件作为计算内核，完全按照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》进行编制，通过调用DOE-2内核,模拟全年的气象数据,进行全年的动态能耗模拟分析,生成详尽的空调采暖全年能耗报告。7Companyname47CHEC特点:7Companyname110“逐时能源负荷分摊比例”的方法 电力负荷的大小及逐时变化特征与建筑物内各种用电设备的安装功率、设备的耗电性能及作息时间直接相关。由于建筑物内用电设备的使用及人员的作息时间具有很大的随机性，我们很难根据耗电设备来准确预测逐时电负荷。8优势它可以同时计算出全年逐时冷热电负荷，能够很方便地统计出热电比，这在很多负荷计算软件中是做不到的冷热负荷主要包括空调冷负荷、空调热负荷以及生活热水负荷，主要由建筑物内各种用电设备造成电力负荷Companyname48“逐时能源负荷分摊比例”的方法 Companyname111“逐时能源负荷分摊比例”的方法在进行逐时冷热电负荷计算时，不考虑耗电设备的直接影响，而是在针对建筑类型进行市场调查研究的基础上来进行预测的。其步骤如下：(1)对建筑使用功能进行分析；(2)对该气候区域内的同类建筑的能耗状况进行调查，得到单位面积的平均耗能量；(3)采用日本三联供设计手册中的相关数据，利用小时能源负荷分摊比例的方法，根据调查到的数据，对逐时冷热电负荷进行模拟计算，其计算流程如图1所示。Companyname49“逐时能源负荷分摊比例”的方法Companyname112负荷因子计算方法传统的设计方法可以初步确定机组的容量。但由于设计负荷不能反映出不同建筑类型负荷的逐时变化特点，不能反映热电冷负荷间的相互作甩与联系，方案也就不能给出各个不同时段机组具体的运行策略，不能对系统进行全年逐时的技术经济模拟分析而学者Michael提出的负荷系列法，将全年冷热负荷的逐时变化利用对典型天负荷进行三角变换而获得

（补充：同种类型建筑来说，负荷的逐时变化特点可以利用一个反映该建筑类型属性的无因次因子来表述，我们把这无因次因子称为“负荷因子”，它反映的是负荷的逐时变化信息，是一个介于O～1之间逐时变化的无量纲数。）9Companyname50负荷因子计算方法传统的设计方法可Com