EnergyPlus能耗分析理論

【摘要】介紹了建筑能耗模擬軟件EnergyPlus的輸入輸出、計(jì)算思路及理論基礎(chǔ)，指出能耗分析軟件EnergyPlus根據(jù)不穩(wěn)定傳熱原理對建筑的動態(tài)負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，可以較為準(zhǔn)確地反映建筑物的負(fù)荷變化情況。

【關(guān)鍵詞】EnergyPlus；能耗分析；模擬

1、建筑全能耗分析軟件介紹

世界上有很多用來設(shè)計(jì)或分析建筑及暖通空調(diào)系統(tǒng)的軟件，它們具有不同的功能和復(fù)雜程度，面向不同的用戶。

建筑全能耗分析軟件可以用來模擬建筑及空調(diào)系統(tǒng)全年逐時(shí)的負(fù)荷及能耗，有助于建筑師和工程師從整個(gè)建筑設(shè)計(jì)工程來考慮如何節(jié)能。大多數(shù)的建筑全能耗分析軟件由四個(gè)主要模塊構(gòu)成：負(fù)荷模塊、系統(tǒng)模塊、設(shè)備模塊和經(jīng)濟(jì)模塊。這四個(gè)模塊相互聯(lián)系形成一個(gè)建筑系統(tǒng)模塊。其中負(fù)荷模塊模擬建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其與室外環(huán)境和室內(nèi)負(fù)荷之間的相互影響。系統(tǒng)模塊模擬空調(diào)系統(tǒng)得空氣輸送設(shè)備、風(fēng)機(jī)、盤管以及相關(guān)的控制裝置。設(shè)備模塊模擬制冷機(jī)、鍋爐、冷卻塔、能源儲存設(shè)備、發(fā)電設(shè)備、泵等冷熱源設(shè)備。經(jīng)濟(jì)模塊計(jì)算為滿足建筑負(fù)荷所需要的能源費(fèi)用。有些軟件沒有經(jīng)濟(jì)模塊，有些軟件把系統(tǒng)模塊和設(shè)備模塊合并為一個(gè)模塊。

2、 EnergyPlus模擬介紹

EnergyPlus是美國能源部資助的、由勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)協(xié)作開發(fā)的一種功能齊全的建筑能耗分析軟件，作為已有的兩個(gè)著名的能耗分析軟件BLAST和DOE-2的全新替代產(chǎn)物EnergyPlus不但繼承了BLAST 和DOE-2程序原有的特點(diǎn)和功能，同時(shí)在計(jì)算方法和程序結(jié)構(gòu)等方面均有了很顯著的進(jìn)步。

1）負(fù)荷模擬

EnergyPlus采用集成同步的負(fù)荷/系統(tǒng)/設(shè)備的模擬方法，在計(jì)算負(fù)荷時(shí)，時(shí)間步長可由用戶選擇，一般為10～15min。在系統(tǒng)的模擬中，軟件會自動設(shè)定更短的步長以便于更快地收斂。EnergyPlus采用CTF來計(jì)算墻體傳熱，采用熱平衡法計(jì)算負(fù)荷。CTF實(shí)質(zhì)上還是一種反映系數(shù)法，但它的計(jì)算更為精確，因?yàn)樗腔趬w的內(nèi)表面溫度，而不同于一般的基于室內(nèi)空氣溫度的反應(yīng)系數(shù)法。在EnergyPlus中采用各向異性的天空模型對DOE-2的日光照明模型進(jìn)行了改造，以更為精確地模擬傾斜表面上的天空散射強(qiáng)度。

2 ）系統(tǒng)模擬

EnergyPlus采用模塊化的系統(tǒng)模擬方法，時(shí)間步長可變?？照{(diào)系統(tǒng)由多個(gè)部件構(gòu)成，這些部件包括風(fēng)機(jī)、冷熱水及直接蒸發(fā)盤管、加濕器、轉(zhuǎn)輪除濕裝置、蒸發(fā)冷卻裝置、變風(fēng)量末端裝置、風(fēng)機(jī)盤管等。這些部件由模擬實(shí)際建筑管網(wǎng)的水或空氣環(huán)路連接起來，每個(gè)部件的前后都需要設(shè)定一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以便連接。這些連接起來的部件還可以與房間進(jìn)行多環(huán)路的連接，因此可以模擬雙空氣環(huán)路的空調(diào)系統(tǒng)。

3）設(shè)備模擬

EnergyPlus模擬的冷熱源設(shè)備包括吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)、引擎驅(qū)動的制冷機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)制冷機(jī)、鍋爐、冷卻塔、柴油發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、太陽能電池等。這些設(shè)備分別用冷水、熱水和冷卻水回路連接起來。設(shè)備模擬采用曲線擬合法。

3、 EnergyPlus的輸入輸出

EnergyPlus可以預(yù)測全年8760小時(shí)建筑物逐時(shí)的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)和能耗，要求使用者提供：

1）建筑物本身的詳細(xì)描述。

包括建筑物所在地理位置和時(shí)區(qū)等的描述和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各種性能參數(shù)，比如墻體的組成及各種組成的比熱、密度、傳熱系數(shù)等，單層或雙層窗戶的形式和窗玻璃的熱傳導(dǎo)率等等。

2）建筑物內(nèi)部人員、照明、電器以及其他與內(nèi)部負(fù)荷有關(guān)的設(shè)備的情況。

主要指人員的數(shù)量、活動的時(shí)間、活動的強(qiáng)度、照明和電器設(shè)備的功率、開啟的時(shí)間等參數(shù)。

3）建筑物所用的HVAC設(shè)備和系統(tǒng)得詳細(xì)描述。

這一部分主要是指各種HVAC設(shè)備的效率、壓頭、工作時(shí)間等參數(shù)和整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備連接方式包括系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)路和組成環(huán)路的分支以及分支節(jié)點(diǎn)的布置等。

4）其它數(shù)據(jù)

主要是指對各種參數(shù)的設(shè)定值，包括送風(fēng)溫度，水環(huán)路的送水溫度，區(qū)域溫度的設(shè)定，區(qū)域控制設(shè)備的類型等。EnergyPlus包括四個(gè)輸入模塊。

氣象數(shù)據(jù)：在EnergyPlus程序庫中包含了世界上許多城市的氣象數(shù)據(jù)，在使用時(shí)，需要調(diào)用這些數(shù)據(jù)，并使用weather converter程序轉(zhuǎn)換為EnergyPlus可以使用的數(shù)據(jù)。

用戶數(shù)據(jù)：當(dāng)使用EnergyPlus進(jìn)行模擬時(shí)，需要對建筑進(jìn)行整體的描述包括建筑所在的經(jīng)度、緯度、時(shí)區(qū)，并按照建筑內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)得布置把整個(gè)建筑進(jìn)行分區(qū)。

材料數(shù)據(jù)庫：EnergyPlus在描述圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要輸入組成圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各種材料的厚度、粗糙度、比熱、密度、傳導(dǎo)率、對熱的吸收率、反射率等參數(shù)。

構(gòu)造數(shù)據(jù)庫：使用EnergyPlus模擬空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，需要描述組成空調(diào)系統(tǒng)得各個(gè)環(huán)路、組成各個(gè)環(huán)路的分支以及分支之間連接的節(jié)點(diǎn)。

四個(gè)輸出模塊：

負(fù)荷報(bào)告：通過模擬可以得到室內(nèi)空氣溫度、濕度。各個(gè)區(qū)域的人員、燈光、設(shè)備的負(fù)荷區(qū)域的潛熱負(fù)荷、顯熱負(fù)荷等結(jié)果。

系統(tǒng)報(bào)告：可以輸出機(jī)組冷凍水和冷卻水的出口溫度及流量，機(jī)組的耗電量等參數(shù)。

經(jīng)濟(jì)報(bào)告：可以輸出室內(nèi)舒適度指標(biāo)PMV等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

4、 EnergyPlus的計(jì)算思路

EnergyPlus是基于動態(tài)負(fù)荷理論，采用反應(yīng)系數(shù)法對包括建筑物及相關(guān)的供熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備能耗情況進(jìn)行模擬分析的一款大型能耗分析計(jì)算軟件。輸入建筑的地理位置，相關(guān)的氣象資料，建筑材料及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本信息，內(nèi)部使用情況（包括人員、照明、設(shè)備和空氣流通的情況），供熱、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)及其相關(guān)冷、熱源的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、控制提供指導(dǎo)。EnergyPlus不但可以對實(shí)際的建筑物進(jìn)行模擬計(jì)算，也可以虛擬的建筑物情況通過建立分析模型進(jìn)行能耗模擬計(jì)算。

5、 EnergyPlus能耗分析的理論基礎(chǔ)

進(jìn)行空調(diào)房間的全年負(fù)荷模擬和建筑物的能耗分析，必須了解房間內(nèi)的熱量變化和轉(zhuǎn)換過程以及負(fù)荷的計(jì)算方法。

EnergyPlus程序所采用的負(fù)荷計(jì)算方法是房間熱平衡法?；炯僭O(shè)為房間空氣溫度是均衡一致的，圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度是均衡一致的。

計(jì)算出任意擾量下的墻體傳熱量后，就可以對包括所有室內(nèi)家具、設(shè)備等在內(nèi)的房間整體的熱特性進(jìn)行分析計(jì)算，以求解除房間的冷熱負(fù)荷及溫濕度狀態(tài)。

房間空氣熱平衡方程式如下：

式中： —各表面與室內(nèi)空氣的對流傳熱量（W）；

—通過表面i的對流傳熱量（W/m2）；

N—圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的個(gè)數(shù)；

—表面i的面積（m2）；

—它對應(yīng)著表面熱平衡方程中的日射、燈光、人員和設(shè)備得熱中的對流部分以及水分蒸發(fā)所導(dǎo)致的潛熱量（W）；

—房間需要排出的熱量，即除熱量（W）；

—新風(fēng)和滲透風(fēng)的重量風(fēng)量之和（Kg）；

—空氣比熱（W/kg·K）；

—室外空氣溫度。它不同于室外綜合溫度 （K）；

—室內(nèi)空氣的熱容量（W）。

通過上述熱平衡方程組，即可得出房間的冷熱負(fù)荷或房間溫度狀況。

6、結(jié)語

能耗分析軟件EnergyPlus根據(jù)不穩(wěn)定傳熱原理對建筑的動態(tài)負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，考慮了圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室外溫度變化的衰減和延遲效應(yīng)，從而可以較為準(zhǔn)確地反映建筑物的負(fù)荷變化情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀 平，孫 剛. 供熱工程[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[2] 徐占發(fā). 建筑節(jié)能常用數(shù)據(jù)速查手冊. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

作者簡介：劉斌（1982），男，暖通空調(diào)專業(yè)工學(xué)碩士，中級工程師，天津市中天建筑設(shè)計(jì)院，