建筑能耗模擬軟件一覽

5）夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)6(JGJ13422001）中明確規(guī)定采用DOE22軟件作為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的節(jié)能綜合性能指標(biāo)的計(jì)算工具。

2、建筑能耗模擬軟件簡(jiǎn)介

    目前在我國(guó)使用的建筑能耗模擬軟件主要有DOE22、EnergyPlus、TRNSYS、PKPM2CHEC和DeST等。

1)DOE22

    DOE22在建筑能耗模擬軟件發(fā)展的歷史上具有重大意義。DOE22是公認(rèn)的最權(quán)威、最經(jīng)典的建筑能耗模擬軟件之一,被很多能耗模擬軟件,如eQUEST、EnergyPlus、CHEC和PowerDOE等借鑒和引用。DOE22采用經(jīng)典的LSPE結(jié)構(gòu),即Load模塊、System模塊、Plant模塊和Economic模塊。許多軟件至今仍采用DOE22的LSPE結(jié)構(gòu),并在其基礎(chǔ)上改進(jìn)與創(chuàng)新。DOE22可以很精確地處理各種功能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑,但是對(duì)系統(tǒng)的處理能力很有限,只能處理有限的幾種暖通空調(diào)系統(tǒng),且它是基于DOS環(huán)境下的軟件,界面不太友好。其次,DOE22的輸入較為麻煩,有固定的格式,必須采用手動(dòng)編程的方法輸入,且有關(guān)鍵字σ求。另外,順序結(jié)構(gòu)是DOE22的重大缺陷,在實(shí)際的暖通空調(diào)過程中,建筑室內(nèi)熱環(huán)境、空調(diào)系統(tǒng)以及主機(jī)的運(yùn)行情況等是耦合的,順序結(jié)構(gòu)的理念彼此沒有反饋,影響了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)EnergyPlus

    EnergyPlus整合了DOE22和BLAST的優(yōu)點(diǎn),并加入了很多新的功能。它被認(rèn)為是DOE22的一個(gè)很好的替代軟件。EnergyPlus吸收了DOE22的LSPE結(jié)構(gòu),并做出了改進(jìn),它采用如圖2所示的集成同步的負(fù)荷、系統(tǒng)和設(shè)備的結(jié)構(gòu),在上層管理模塊的監(jiān)督下,模塊之間彼掠蟹蠢,而不是單純的順序結(jié)構(gòu),計(jì)算結(jié)果更為精確。EnergyPlus與其說(shuō)是個(gè)建筑能耗模擬軟件,不如說(shuō)是個(gè)建筑能耗模擬引擎。它在開發(fā)的時(shí)候就把重心放在計(jì)算方法上,并沒有在軟件的界面上下很多功夫。它的源代碼是完全開放的,鼓勵(lì)第三方來(lái)開發(fā)合理的界面調(diào)用EnergyPlus并完成模擬?，F(xiàn)在比較著名的DesignBuilder就是在它的基礎(chǔ)上完成的二次開發(fā)。同時(shí),它可以與很多常用軟件,如TRNSYS、WINDOW5和COMIS等完成鏈接。

    EnergyPlus能精確地處理較為復(fù)雜的各類建筑。它在處理建筑熱過程的時(shí)候,考慮到了很多方面的因素,包括建筑的遮擋、綠化、風(fēng)、光、雨、雪等,在這方面,可以說(shuō)是同類軟件中最為全面的。雖然EnergyPlus在DOE22的基礎(chǔ)上有很大的改進(jìn),力圖完成對(duì)所有暖通空調(diào)系統(tǒng)的模擬,而且也封裝了很多常用系統(tǒng),如熱泵和輻射供熱供冷等系統(tǒng)。但是,EnergyPlus本身還是立足于建筑模擬,其處理系統(tǒng)的能力偏弱,而且它對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)控制方式的模擬能力較弱,它通常假定設(shè)備的調(diào)節(jié)胬硐牖的連續(xù)調(diào)節(jié),這對(duì)于設(shè)備部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的模擬是不太準(zhǔn)確的。另外,EnergyPlus不穩(wěn)定,不太容易收斂并且經(jīng)濟(jì)性分析較為簡(jiǎn)單。

3)TRNSYS

    TRNSYS和HVACSIM 等軟件采用了和EnergyPlus以及DOE22等軟件完全不同的設(shè)計(jì)思想。有些文獻(xiàn)也把它們認(rèn)為是不同的兩類軟件。TRNSYS最大的特點(diǎn)是采用了模塊化的思想。每個(gè)模塊代表一個(gè)小的系統(tǒng)、設(shè)備或者一個(gè)熱濕處理過程。它采用/黑盒子0技術(shù)封裝了計(jì)算方法,使得用戶把主要精力放在模塊的輸入和輸出上,而不是組件的內(nèi)部。這些模塊可以很方便地搭建組成各種復(fù)雜系統(tǒng)。所以TRNSYS被認(rèn)為是建筑能耗模擬軟件中模擬系統(tǒng)最靈活的軟件之一。

    TRNSYS具有十分強(qiáng)大的模擬控制器的功能,可以十分精確地模擬各種控制方式,在部分負(fù)荷的模擬中相對(duì)EnergyPlus等軟件有一定的優(yōu)勢(shì)。由于TRNSYS立足于系統(tǒng)而不是建筑,它在模擬系統(tǒng)、設(shè)備和控制方式的最優(yōu)化問題以及系統(tǒng)中參數(shù)監(jiān)測(cè)等問題時(shí)相對(duì)于EnergyPlus和DOE22這些立足于建筑的軟件是有優(yōu)勢(shì)的,但正因如此,它在建筑負(fù)荷以及建筑熱性能的模擬上偏弱。它所設(shè)定的建筑模型比較簡(jiǎn)單,很難完成復(fù)雜建筑的描述,如不能按照建筑實(shí)際外形建立模型、沒有建筑陰影的計(jì)算、處理自然通風(fēng)和滲透通風(fēng)等問題時(shí)需要借助其它軟件。

    TRNSYS采用開放式的結(jié)構(gòu),用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況在它提供的平臺(tái)下編寫并改進(jìn)組件嵌入到TRNSYS中完成模擬,而且它與很多專業(yè)軟件,如EES、GenOpt、RansFlow、COMIS和CONTAM等都可以完成鏈接,同時(shí)也可以很方便地使用EnergyPlus等軟件的氣象文件和處理結(jié)果。這些特點(diǎn)使得TRNSYS成為了一個(gè)分享計(jì)算機(jī)能耗模擬成果的很好平臺(tái)。TRNSYS的另外一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是由于軟件開發(fā)者本身在太陽(yáng)能領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì),它在新能源系統(tǒng)尤其是太陽(yáng)能系統(tǒng)的模擬上具有其它軟件無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),而且TRNSYS中的地耦合模型經(jīng)過一y權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定,被認(rèn)為是較為準(zhǔn)確合理的,可以很好地應(yīng)用于地源熱泵的設(shè)計(jì)和研究中。

4)DeST

    DeST采用的是現(xiàn)代控制理論中的/狀態(tài)空間法,求解時(shí)空間上離散、時(shí)間上保持連續(xù),其求解的穩(wěn)定性以及o差與時(shí)間步長(zhǎng)的大小沒有關(guān)系,所以在步長(zhǎng)的選取上較為靈活。DeST嵌入在AUTOCAD中,界面友好,所見即所得,但無(wú)法像PKPM那樣從AUTOCAD中讀取數(shù)據(jù),用戶必須自己建模。筆者認(rèn)為,與其它軟件相比,DeST采用/分階段設(shè)計(jì),分階段模擬的思想具有獨(dú)到之處。DeST以設(shè)計(jì)過程為驅(qū)動(dòng),利用已有的信息(未知的信息按理想的缺省值來(lái)設(shè)定),逐步深入,將未知轉(zhuǎn)化為已知,直到最后完成模擬。

    DeST模擬設(shè)計(jì)時(shí)采用建筑負(fù)荷計(jì)算、空調(diào)系統(tǒng)模擬、AHU(AirHandingUnit)方案模擬、風(fēng)網(wǎng)和冷熱源模擬的步驟,完全符合設(shè)計(jì)的習(xí)慣,對(duì)設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用。其次,DeST也可求解比較復(fù)雜的建筑,它考慮了鄰室房間的熱影響,可以對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和房間聯(lián)立方程求解。DeST吸收了TRNSYS的開放式特性,以期成為應(yīng)用建筑能耗模擬成果的一個(gè)優(yōu)良的通用平臺(tái),為將來(lái)的擴(kuò)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。再其次,DeST的適用范圍十分廣泛,針對(duì)不同的使用對(duì)象,DeST推出了不同的版本,如評(píng)估版和分析版等。然而,DeST在組件的瘸瀋廈揮蠺RNSYS方便,它的控制方式也沒有TRNSYS多樣靈活,本身所包含的設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)目也沒有TRNSYS等軟件豐富。另外,DeST是基于AUTOCAD和MicrosoftAcess等平臺(tái),沒有自己獨(dú)立運(yùn)行的平臺(tái),軟件的發(fā)展受制于AUTOCAD和MicrosoftAcess的發(fā)展。同時(shí),由于目前我國(guó)還沒有完整的氣象數(shù)據(jù)燃,DeST的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)測(cè)結(jié)合擬合得到的,一般認(rèn)為在能耗模擬中還是應(yīng)該使用逐時(shí)氣象數(shù)據(jù),擬合的結(jié)果會(huì)給計(jì)算的準(zhǔn)確性帶來(lái)隱患。

5)PKPM2CHEC

    PKPM2CHEC也是以DOE22軟件作為計(jì)算內(nèi)核,最大的特點(diǎn)是與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范結(jié)合緊密,它在設(shè)計(jì)時(shí)完全按照5夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)6(JGJ13422001)進(jìn)行?？梢陨煞蠘?biāo)準(zhǔn)要求的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分析報(bào)告書和審查備案登記表。         PKPM2CHEC另一個(gè)比較大的優(yōu)勢(shì)是界面比較友好,輸入比較方便,它和國(guó)內(nèi)的多種建筑軟件都有接口,設(shè)計(jì)人員可將CAD圖紙直接轉(zhuǎn)換成模型中需要的數(shù)據(jù),同時(shí)比較注重對(duì)工程實(shí)際的指導(dǎo),在設(shè)計(jì)時(shí)能較好地結(jié)合能耗分析和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行最佳方案的選擇。

6)FLUENT等

    FLUENT、ANSYSY和Airpak等軟件的最主要應(yīng)用不是建筑能耗模擬,而是模擬室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)。但是當(dāng)遇到比較復(fù)雜的、比較新的傳熱傳質(zhì)系統(tǒng),現(xiàn)有的能耗模擬軟件無(wú)法處理時(shí),可借助它們強(qiáng)大的解決流體換熱問題的功能,在一定程度上進(jìn)行求解。

7)Matlab

    Matlab并不是一個(gè)建筑能耗模擬軟件,而是一個(gè)數(shù)m處理工具,但是它強(qiáng)大的數(shù)值處理和可視化功能,以及最優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊系統(tǒng)等工具箱為二次開發(fā)提供了有力的工具。另外,Matlab自帶的Simulink是系統(tǒng)仿真的良好平臺(tái),近年來(lái)有很多用戶借助這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā),從而完成模擬計(jì)算。