PDF《建筑能耗模拟软件中空调系统模拟对比研究》

建筑能耗模拟软件中空调系统模拟对比研究 周欣

1 燕达 1,?

1 清华大学建筑学院建筑技术科学系 洪天真

2 朱丹丹

1 2 美国劳伦斯・伯克利国家实验室 摘要: 建筑能耗模拟软件是节能评估和设计优化的有效工具,在工程实际中,发现使用 不同模拟软件计算同一栋建筑得到的计算结果却往往存在较大差异, 这种现象自 然造成了对模拟计算软件的可靠性和科学性的质疑, 也为是否可以采用模拟计算 作为评估依据带来了担忧.

为了明确造成这种不同软件计算结果差异的原因,以 及定位影响建筑能耗模拟结果的主要因素是一项基础性且急需开展的研究课题. 本文对 EnergyPlus、DeST 和DOE-2.1E 这三个建筑能耗模拟软件的空调系统模拟 部分,从方法、计算过程和主要基本假设几方面进行了对比和分析,并通过一系 列测试案例对不同模拟软件的计算过程进行了详细对比分析. 通过本文的研究可 以看到这三个模拟软件均可实现空调系统和能耗的模拟, 且在输入参数保持一致 或者等效的前提下, 三者的模拟结果的差异较小.这为进一步开展节能评估和能 耗标识等工作起到了技术支撑作用. 关键词: 建筑能耗模拟软件 HAVC 系统模拟 理论分析 对比测试 Building energy modeling programs comparison Research on HVAC systems simulation part Xin Zhou1 , Da Yan1, * , Tianzhen Hong2 , Dandan Zhu1

1 Department of Building Science, School of Architecture, Tsinghua University, Beijing, China

2 Lawrence Berkeley National Laboratory,

1 Cyclotron Road, Berkeley, CA 94720, USA Abstract: Building energy simulation programs are effective tools for the evaluation of building energy saving and optimization of design. The fact that large discrepancies exist in simulated results when different BEMPs are used to model the same building has ? 通讯作者.

电话:+010-62789761

邮箱:yanda@tsinghua.edu.cn caused wide concern. Urgent research is needed to identify the main elements that contribute towards the simulation results. This technical report summarizes methodologies, processes, and the main assumptions of three building energy modeling programs (BEMPs) for HVAC calculations: EnergyPlus, DeST, and DOE-2.1E, and test cases are designed to analyze the calculation process in detail. This will help users to get a better understanding of BEMPs and the research methodology of building simulation. This will also help build a foundation for building energy code development and energy labeling programs. Keywords: Building energy modeling programs, HVAC system simulation, theory analysis, comparison tests

1 引言 计算机模拟是预测及分析建筑能耗和性能的最经济有效的方式之一.自1960 年代以来,模拟行业飞速发展,在全世界范围内已有成百上千的建筑能耗 模拟软件被开发并使用.著名的模拟软件包括由美国能源部开发的 DOE-2 和EnergyPlus,由英国斯特拉斯克莱德大学开发的 ESP-r,由中国清华大学开发的 DeST 等.这些模拟软件在建筑行业的各个方面发挥着重要的作用,例如:新建 筑的设计阶段、 既有建筑的改造阶段以及建筑能效标识及标准制定等领域. 然而, 越来越多的实际应用表明, 不同的建筑能耗模拟软件模拟同一栋建筑时,计算结 果往往存在较大差异,而这引起了使用者对模拟分析方法和工具的质疑,也有的 研究将这种差异归结为模拟软件的计算核心不同而造成. 以上模拟分析应用中存 在的疑问在现阶段阻碍了各类建筑能耗模拟软件的发展和应用.因此,对模拟行 业而言,迫切需要理清计算结果差异产生的原因并确定标准输入方式,这对促进 各模拟软件的应用具有十分重要的意义. 为了解决以上建筑能耗模拟软件应用中 存在的问题, 推动设计精细化, 对各建筑能耗模拟软件核心进行细致深入对比是 一件重要的基础工作. 建筑能耗模拟是一个多环节耦合的过程, 因此需要一个系统的模拟软件验证 技术方法.目前世界范围内建筑能耗模拟软件的验证方法包括实验验证、分析验 证和对比验证等. 从对比的侧重点上来分类,建筑能耗模拟软件的计算一般分为 两个部分:负荷侧对比以及空调系统侧对比,如图

1 所示.国际建筑能耗模拟 机构已公布了一系列关于软件验证的标准或指南,例如 IEA BESTest 和ASHRAE Standard 140[1] 等.同时也有大量研究者开展了相应的对比工作并对部分建筑能 耗模拟软件的优缺点进行了细致对比[2] . 图1建筑能耗模拟软件对比 关于建筑负荷侧模拟软件的测试和验证工作通常包括建筑围护结构计算测 试、窗户遮阳测试、内部太阳辐射分布测试等方面,通过对比工作,可对负荷计 算中大部分的影响因素进行检验. 大多数应用较为广泛的模拟软件均已参与了负 荷侧的对比验证工作,例如 EnergyPlus, DeST, DOE-2, ESP, BLAST 和TRNSYS 等. 空调系统侧的模拟是建筑能耗模拟的另一个重要组成部分, 这一部分的软件 测试包括:

1、基于 ASHRAE 研究项目 RP865[1] 的空调系统测试案例,其中提供了 一系列分析测试案例, 对系统空气流量及热质平衡进行深入对比;

2、 ANSI/ASHRAE Standard

140 则提供了测试简单一体化蒸发压缩冷却系统的测试案例[4] ;

3、国际 能源组织的太阳能冷热项目(IEA SHC)提出了 BESTest,其中一个测试针对冷冻 水和热水系统的机械设备和控制策略,其检验了冷机、冷/热水盘管、冷冻水液 压回路、锅炉和热水液压回路的性能和控制策略[5] .同时,一些模拟软件的开发 者也提出测试案例来对模拟软件的计算结果进行验证.例如,EnergyPlus 的能量 平衡测试案例校核了在模拟空调系统时, 处在不同边界流量下的能量平衡的准确 性[6] .许多研究文献也涉及了模拟软件空调系统的对比工作[7][8][9][10] . 然而与负荷侧计算的测试方法相比, 空调系统模拟的对比测试仍处在起步阶 段,目前还未对模拟软件的内核进行系统深入的对比工作.因而针对应用广泛的 建筑能耗模拟软件中空调系统计算的程序内核开展对比工作将有助于更好地了 解各个模拟软件核心的异同, 同时也将有力推动建筑模拟在实际工程中的科学应 用. 基于以上研究背景,本文针对三个在中美两国得到广泛应用的软件: EnergyPlus, DeST 及DOE-2.1E 展开对比工作. 其中负荷侧对比的研究工作已在 《建 筑能耗模拟软件对比:DeST、EnergyPlus and DOE-2》中发表[11] ,本文的对比内容 将侧重于各软件空调系统侧的核心、基本假设、计算结果的深入对比研究,其中 包括: 1. 基于各软件的技术文档及源程序代码,针对计算流程、设备部件模型、 控制策略模拟等方面分析总结不同软件的优势及局限性,并进行对比. 2. 通过测试案例分析不同软件设备模型的计算情况,并针对计算差异分析 具体原因. 3. 通过具体案例测试不同软件的控制策略的模拟结果,并针对计算结果分 析差异产生的原因.

2 研究方法 本文对比研究的方法如图

2 所示,可分为理论对比和案例分析两个主........