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、計算思路及理論基礎，指出能耗分析軟件EnergyPlus根據不穩定傳熱原理對建筑的動態負荷進行模擬計算，可以較為準確地反映建筑物的負荷變化情況。

【關鍵詞】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計或分析建筑及暖通空調系統的軟件，它們具有不同的功能和復雜程度，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系統全年逐時的負荷及能耗，有助于建筑師和工程師從整個建筑設計工程來考慮如何節能。大多數的建筑全能耗分析軟件由四個主要模塊構成：負荷模塊、系統模塊、設備模塊和經濟模塊。這四個模塊相互聯系形成一個建筑系統模塊。其中負荷模塊模擬建筑外圍護結構及其與室外環境和室內負荷之間的相互影響。系統模塊模擬空調系統得空氣輸送設備、風機、盤管以及相關的控制裝置。設備模塊模擬制冷機、鍋爐、冷卻塔、能源儲存設備、發電設備、泵等冷熱源設備。經濟模塊計算為滿足建筑負荷所需要的能源費用。有些軟件沒有經濟模塊，有些軟件把系統模塊和設備模塊合并為一個模塊。

2、 EnergyPlus模擬介紹

EnergyPlus是美國能源部資助的、由勞倫斯·伯克利國家實驗室等科研機構協作開發的一種功能齊全的建筑能耗分析軟件，作為已有的兩個著名的能耗分析軟件BLAST和DOE-2的全新替代產物EnergyPlus不但繼承了BLAST 和DOE-2程序原有的特點和功能，同時在計算方法和程序結構等方面均有了很顯著的進步。

1）負荷模擬

EnergyPlus采用集成同步的負荷/系統/設備的模擬方法，在計算負荷時，時間步長可由用戶選擇，一般為10～15min。在系統的模擬中，軟件會自動設定更短的步長以便于更快地收斂。EnergyPlus采用CTF來計算墻體傳熱，采用熱平衡法計算負荷。CTF實質上還是一種反映系數法，但它的計算更為精確，因為它是基于墻體的內表面溫度，而不同于一般的基于室內空氣溫度的反應系數法。在EnergyPlus中采用各向異性的天空模型對DOE-2的日光照明模型進行了改造，以更為精確地模擬傾斜表面上的天空散射強度。

2 ）系統模擬

EnergyPlus采用模塊化的系統模擬方法，時間步長可變。空調系統由多個部件構成，這些部件包括風機、冷熱水及直接蒸發盤管、加濕器、轉輪除濕裝置、蒸發冷卻裝置、變風量末端裝置、風機盤管等。這些部件由模擬實際建筑管網的水或空氣環路連接起來，每個部件的前后都需要設定一個節點，以便連接。這些連接起來的部件還可以與房間進行多環路的連接，因此可以模擬雙空氣環路的空調系統。

3）設備模擬

EnergyPlus模擬的冷熱源設備包括吸收式制冷機、電制冷機、引擎驅動的制冷機、燃氣輪機制冷機、鍋爐、冷卻塔、柴油發電機、燃氣輪機、太陽能電池等。這些設備分別用冷水、熱水和冷卻水回路連接起來。設備模擬采用曲線擬合法。

3、 EnergyPlus的輸入輸出

EnergyPlus可以預測全年8760小時建筑物逐時的室內熱環境參數和能耗，要求使用者提供：

1）建筑物本身的詳細描述。

包括建筑物所在地理位置和時區等的描述和圍護結構的各種性能參數，比如墻體的組成及各種組成的比熱、密度、傳熱系數等，單層或雙層窗戶的形式和窗玻璃的熱傳導率等等。

2）建筑物內部人員、照明、電器以及其他與內部負荷有關的設備的情況。

主要指人員的數量、活動的時間、活動的強度、照明和電器設備的功率、開啟的時間等參數。

3）建筑物所用的HVAC設備和系統得詳細描述。

這一部分主要是指各種HVAC設備的效率、壓頭、工作時間等參數和整個系統的設備連接方式包括系統的各個環路和組成環路的分支以及分支節點的布置等。

4）其它數據

主要是指對各種參數的設定值，包括送風溫度，水環路的送水溫度，區域溫度的設定，區域控制設備的類型等。EnergyPlus包括四個輸入模塊。

氣象數據：在EnergyPlus程序庫中包含了世界上許多城市的氣象數據，在使用時，需要調用這些數據，并使用weather converter程序轉換為EnergyPlus可以使用的數據。

用戶數據：當使用EnergyPlus進行模擬時，需要對建筑進行整體的描述包括建筑所在的經度、緯度、時區，并按照建筑內空調系統得布置把整個建筑進行分區。

材料數據庫：EnergyPlus在描述圍護結構時，需要輸入組成圍護結構的各種材料的厚度、粗糙度、比熱、密度、傳導率、對熱的吸收率、反射率等參數。

構造數據庫：使用EnergyPlus模擬空調系統時，需要描述組成空調系統得各個環路、組成各個環路的分支以及分支之間連接的節點。

四個輸出模塊：

負荷報告：通過模擬可以得到室內空氣溫度、濕度。各個區域的人員、燈光、設備的負荷區域的潛熱負荷、顯熱負荷等結果。

系統報告：可以輸出機組冷凍水和冷卻水的出口溫度及流量，機組的耗電量等參數。

經濟報告：可以輸出室內舒適度指標PMV等經濟性指標。

4、 EnergyPlus的計算思路

EnergyPlus是基于動態負荷理論，采用反應系數法對包括建筑物及相關的供熱、通風和空調系統設備能耗情況進行模擬分析的一款大型能耗分析計算軟件。輸入建筑的地理位置，相關的氣象資料，建筑材料及圍護結構的基本信息，內部使用情況（包括人員、照明、設備和空氣流通的情況），供熱、通風、空調系統及其相關冷、熱源的設計、運行、控制提供指導。EnergyPlus不但可以對實際的建筑物進行模擬計算，也可以虛擬的建筑物情況通過建立分析模型進行能耗模擬計算。

5、 EnergyPlus能耗分析的理論基礎

進行空調房間的全年負荷模擬和建筑物的能耗分析，必須了解房間內的熱量變化和轉換過程以及負荷的計算方法。

EnergyPlus程序所采用的負荷計算方法是房間熱平衡法。基本假設為房間空氣溫度是均衡一致的，圍護結構表面溫度是均衡一致的。

計算出任意擾量下的墻體傳熱量后，就可以對包括所有室內家具、設備等在內的房間整體的熱特性進行分析計算，以求解除房間的冷熱負荷及溫濕度狀態。

房間空氣熱平衡方程式如下：

式中： —各表面與室內空氣的對流傳熱量（W）；

—通過表面i的對流傳熱量（W/m2）；

N—圍護結構表面的個數；

—表面i的面積（m2）；

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

—房間需要排出的熱量，即除熱量（W）；

—新風和滲透風的重量風量之和（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荷或房間溫度狀況。

6、結語

能耗分析軟件EnergyPlus根據不穩定傳熱原理對建筑的動態負荷進行模擬計算，考慮了圍護結構對室外溫度變化的衰減和延遲效應，從而可以較為準確地反映建筑物的負荷變化情況。

參考文獻

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

[2] 徐占發. 建筑節能常用數據速查手冊. 北京：中國建筑工業出版社，2006.

作者簡介：劉斌（1982），男，暖通空調專業工學碩士，中級工程師，天津市中天建筑設計院，