EnergyPlus能耗分析理论

EnergyPlus能耗分析理论【摘要】介绍了建筑能耗模拟软件EnergyPlus的输入输出、计算思路及理论基础，指出能耗分析软件EnergyPlus根据不稳定传热原理对建筑的动态负荷进行模拟计算，可以较为准确地反映建筑物的负荷变化情况。【关键词】EnergyPlus；能耗分析；模拟1、建筑全能耗分析软件介绍世界上有很多用来设计或分析建筑及暖通空调系统的软件，它们具有不同的功能和复杂程度，面向不同的用户。建筑全能耗分析软件可以用来模拟建筑及空调系统全年逐时的负荷及能耗，有助于建筑师和工程师从整个建筑设计工程来考虑如何节能。大多数的建筑全能耗分析软件由四个主要模块构成：负荷模块、系统模块、设备模块和经济模块。这四个模块相互联系形成一个建筑系统模块。其中负荷模块模拟建筑外围护结构及其与室外环境和室内负荷之间的相互影响。系统模块模拟空调系统得空气输送设备、风机、盘管以及相关的控制装置。设备模块模拟制冷机、锅炉、冷却塔、能源储存设备、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。有些软件没有经济模块，有些软件把系统模块和设备模块合并为一个模块。2、EnergyPlus模拟介绍EnergyPlus是美国能源部资助的、由劳伦斯?伯克利国家实验室等科研机构协作开发的一种功能齐全的建筑能耗分析软件，作为已有的两个著名的能耗分析软件BLAST和DOE-2的全新替代产物EnergyPlus不但继承了BLAST和DOE-2程序原有的特点和功能，同时在计算方法和程序结构等方面均有了很显著的进步。1）负荷模拟EnergyPlus采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法，在计算负荷时，时间步长可由用户选择，一般为10～15min。在系统的模拟中，软件会自动设定更短的步长以便于更快地收敛。EnergyPlus采用CTF来计算墙体传热，采用热平衡法计算负荷。CTF实质上还是一种反映系数法，但它的计算更为精确，因为它是基于墙体的内表面温度，而不同于一般的基于室内空气温度的反应系数法。在EnergyPlus中采用各向异性的天空模型对DOE-2的日光照明模型进行了改造，以更为精确地模拟倾斜表面上的天空散射强度。2）系统模拟EnergyPlus采用模块化的系统模拟方法，时间步长可变。空调系统由多个部件构成，这些部件包括风机、冷热水及直接蒸发盘管、加湿器、转轮除湿装置、蒸发冷却装置、变风量末端装置、风机盘管等。这些部件由模拟实际建筑管网的水或空气环路连接起来，每个部件的前后都需要设定一个节点，以便连接。这些连接起来的部件还可以与房间进行多环路的连接，因此可以模拟双空气环路的空调系统。3）设备模拟EnergyPlus模拟的冷热源设备包括吸收式制冷机、电制冷机、引擎驱动的制冷机、燃气轮机制冷机、锅炉、冷却塔、柴油发电机、燃气轮机、太阳能电池等。这些设备分别用冷水、热水和冷却水回路连接起来。设备模拟采用曲线拟合法。3、EnergyPlus的输入输出EnergyPlus可以预测全年8760小时建筑物逐时的室内热环境参数和能耗，要求使用者提供：1）建筑物本身的详细描述。包括建筑物所在地理位置和时区等的描述和围护结构的各种性能参数，比如墙体的组成及各种组成的比热、密度、传热系数等，单层或双层窗户的形式和窗玻璃的热传导率等等。2）建筑物内部人员、照明、电器以及其他与内部负荷有关的设备的情况。主要指人员的数量、活动的时间、活动的强度、照明和电器设备的功率、开启的时间等参数。3）建筑物所用的HVAC设备和系统得详细描述。这一部分主要是指各种HVAC设备的效率、压头、工作时间等参数和整个系统的设备连接方式包括系统的各个环路和组成环路的分支以及分支节点的布置等。4）其它数据主要是指对各种参数的设定值，包括送风温度，水环路的送水温度，区域温度的设定，区域控制设备的类型等。EnergyPlus包括四个输入模块。气象数据：在EnergyPlus程序库中包含了世界上许多城市的气象数据，在使用时，需要调用这些数据，并使用weatherconverter程序转换为EnergyPlus可以使用的数据。用户数据：当使用EnergyPlus进行模拟时，需要对建筑进行整体的描述包括建筑所在的经度、纬度、时区，并按照建筑内空调系统得布置把整个建筑进行分区。材料数据库：EnergyPlus在描述围护结构时，需要输入组成围护结构的各种材料的厚度、粗糙度、比热、密度、传导率、对热的吸收率、反射率等参数。构造数据库：使用EnergyPlus模拟空调系统时，需要描述组成空调系统得各个环路、组成各个环路的分支以及分支之间连接的节点。四个输出模块：负荷报告：通过模拟可以得到室内空气温度、湿度。各个区域的人员、灯光、设备的负荷区域的潜热负荷、显热负荷等结果。系统报告：可以输出机组冷冻水和冷却水的出口温度及流量，机组的耗电量等参数。经济报告：可以输出室内舒适度指标PMV等经济性指标。4、EnergyPlus的计算思路EnergyPlus是基于动态负荷理论，采用反应系数法对包括建筑物及相关的供热、通风和空调系统设备能耗情况进行模拟分析的一款大型能耗分析计算软件。输入建筑的地理位置，相关的气象资料，建筑材料及围护结构的基本信息，内部使用情况（包括人员、照明、设备和空气流通的情况），供热、通风、空调系统及其相关冷、热源的设计、运行、控制提供指导。EnergyPlus不但可以对实际的建筑物进行模拟计算，也可以虚拟的建筑物情况通过建立分析模型进行能耗模拟计算。5、EnergyPlus能耗分析的理论基础进行空调房间的全年负荷模拟和建筑物的能耗分析，必须了解房间内的热量变化和转换过程以及负荷的计算方法。EnergyPlus程序所采用的负荷计算方法是房间热平衡法。基本假设为房间空气温度是均衡一致的，围护结构表面温度是均衡一致的。计算出任意扰量下的墙体传热量后，就可以对包括所有室内家具、设备等在内的房间整体的热特性进行分析计算，以求解除房间的冷热负荷及温湿度状态。房间空气热平衡方程式如下：式中：―各表面与室内空气的对流传热量（W）；―通过表面i的对流传热量（W/m2）；N―围护结构表面的个数；―表面i的面积（m2）；―它对应着表面热平衡方程中的日射、灯光、人员和设备得热中的对流部分以及水分蒸发所导致的潜热量（W）；―房间需要排出的热量，即除热量（W）；―新风和渗透风的重量风量之和（Kg）；―空气比热（W/kg?K）；―室外空气温度。它不同于室外综合温度（K）；―室内空气的热容量（W）。通过上述热平衡方程组，即可得出房间的冷热负荷或房间温度状况。6、结语能耗分析软件EnergyPlus根据不稳定传热原理对建筑的动态负荷进行模拟计算，考虑了围护结构对室外温度变化的衰减和延迟效应，从而可以较为准确地反映建筑物的负荷变化情况。参考文献[1]贺平，孙刚.供热工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.[2]徐占发.建筑节能常用数据速查手册.北京：中国建筑工业出版社，2006.作者简介：刘斌（1982），男，暖通空调专业工学硕士，中级工程师，天津市中天建筑设计院，