建筑环境设计模拟分析软件DeST

建筑环境设计模拟分析软件DeST第10讲、暖通空调方案的经济性分析清华大学刘烨☆燕达江亿摘要暖通空调方案的经济性评价是暖通空调设计过程中必不可少的环节，它必须针对暖通空调系统设计由浅入深、逐步深化的过程，在设计的不同阶段，尽可能准确地评价拟采用的暖通空调方案的经济性，从而为优化设计、比较方案提供经济方面的依据。本讲详细阐述了DeST中暖通空调方案经济性分析所选用的模型与模拟方法。通过一商用办公写字楼为案例，针对暖通空调系统设计过程中的不同设计阶段，进行了方案的可行性分析和经济性分析，以此介绍经济性分析的方法和如何解决实际问题。关键词经济性分析初投资运行费生命周期费用BuildingenvironmentdesignsimulationsoftwareDeST(10):Theeconomicanalysisforheating,ventilatingandairconditioning(HVAC)systemsByLiuYe★,YanDa,andJiangYiAbstractTheeconomicevaluationofheating,ventilatingandairconditioning(HVAC)systemsisthemostimportantstageofthedesignprocess.TheeconomicanalysisforHVACsystemsshouldfollowcloselywiththedesignprocessthatprogressingfromcoarsetodetail.Ithastobeabletoprovideaccurateeconomicevaluationdetailsforthesystemselectedandthereforeitispossibleforoptimisingthedesignbasedontheeconomicdata.ThispaperdescribesindetailtheeconomicmodelsandsimulationmethodologyusedinDeSTforHVACsystemseconomicanalysis.Itwasthenused,accordingtodifferentstagesinthedesignprocess,tocarryoutfeasibleandeconomicanalysisforanofficebuildingasacasestudytointroducethepracticalapplicationoftheeconomicmodelsofDeST.KeywordEconomicevaluationInitialcostOperatingcostLifecyclecost★TsinghuaUniversity,Beijing,China---------------------☆刘烨，女，1978年7月生，大学，在读硕士研究生100084北京清华大学建筑学院建筑技术科学系（010）62789761E-mail:[e-mail]收稿日期：2005.3.210引言暖通空调工程是涉及面广、包含内容多、复杂多样的系统工程，对于同一空调要求，可以有很多种不同的空调解决方案，我们最终应该选择哪个方案？选择方案的依据是什么？应该以能源消耗量少为依据？还是以初投资少为依据？或者以运行管理方便、运行费少为依据？其实，对一个暖通空调系统方案性能的全面、公正的评价至少应该包括两个方面（见图1），一方面通过对该方案的运行进行全年全工况模拟分析，得到该系统方案所能提供的室内人工环境参数，给出满足使用要求的满意度作为对该方案可行性的评价。另一方面，计算该方案的初投资和运行费，给出系统方案的生命周期费用作为对该方案经济性的评价[1]。然后设计人员结合这两方面的评价，权衡利弊，确定功能与成本最佳匹配的暖通空调设计方案。因此，方案的经济性评价是暖通空调设计过程中必不可少环节。暖通空调系统方案评价可行性分析经济性分析可行性评价指标：满意率经济性评价指标：生命周期费用全工况模拟分析初投资、运行费计算图1暖通空调系统方案评价示意图建筑环境系统设计是一个循序渐进并且不断反馈的过程，系统设计应分阶段进行。因此，暖通空调方案的经济性分析，必须针对每个设计阶段不同的设计任务，对本阶段拟采用的多个方案的经济性进行预测和比较，从而在不同的设计阶段，为暖通空调设计师及工程建设部门提供方案选择的经济性依据。本文将首先介绍目前暖通空调方案经济性分析的研究现状，然后阐述DeST中暖通空调方案的经济性分析所选用的模型与模拟方法，最后辅以实例来详细说明。1暖通空调方案经济性分析的研究现状由于暖通空调方案的经济性是决定方案是否选用的重要指标之一，目前已有相当多与此相关的研究发表，大多都是针对暖通空调设计过程中某一阶段的某个具体问题。同时目前的大部分能耗模拟软件，例如美国的EnergyPlus，也都涉及到暖通空调方案能耗的经济性分析。下面分别进行简要介绍。1.1暖通空调方案经济性分析的具体研究国内外已经有相当多关于暖通空调方案经济性的研究，大多是针对设计过程中的某个具体问题的经济性进行了分析，很少对暖通空调系统整体经济性计算方法作研究。正是由于缺乏整体系统的方法，在分析某个局部的具体问题时就无法避免分析的片面性。比如建筑部件经济特性的研究，在此类研究中建筑部件的经济性分析模型存在以下不足：在计算初投资时，一般只考虑到改进型建筑部件与基准建筑部件的差价所引起的初投资增加部分，而没有考虑到因改进建筑部件减少了建筑的冷热负荷，从而减小空调末端设备和冷热源的容量所减少的初投资部分。另外，目前的经济性分析依然是建立在原先单点设计的角度上去分析考虑，这样也会使得其结果存在较大误差。比如：在冷热源选型研究中，当计算冷热源的运行费用时，一般是根据全年冬夏季建筑的冷热负荷，直接采用制冷机组额定的COP或者采用冷热源的平均出力、当量负荷率等指标，折合计算出冷热源的年耗电量或耗汽量，然后再乘以固定的电价或燃气价得到冷热源设备的全年运行费。这样的计算方法存在以下不足：由于室内外参数等因素随时间变化，建筑物全年空调冷热负荷也是随时间变化，制冷设备并不是全年运行在额定工况点上，而是运行在部分负荷下。同时不同类型的冷热源设备在部分负荷下的运行性能差异很大，如果直接采用制冷机组额定的COP等固定常数来计算耗电量时，会出现一定的误差。最终将会影响冷热源选型的经济性分析的可信度。1.2能耗模拟软件EnergyPlusEnergyPlus是美国能源部和劳伦斯伯克利国家实验室继1998年停止DOE-2的开发后，重新开发的新的软件。它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。模拟时采用集成同步的负荷模拟、系统模拟和设备模拟P[2]P，这种方式无法独立运行负荷模拟、系统模拟和设备模拟，需要输入详细数据一同进行模拟。然而实际的空调设计过程是一个分阶段进行、逐步深化的过程，在不同的阶段需要不同的数据，面向不同的设计对象，解决不同的问题。随着设计的深入展开未知数据逐步转变为已知。所以这种整体的集成同步的模拟限制了它在暖通空调设计过程中的应用。所以该软件主要用于详细设计完成之后的建筑能耗分析和评估，其经济模块也是计算为满足负荷所需要的能源费用P[3]P。因此EnergyPlus的经济性模型不符合设计过程的循序渐进性,没有与暖通空调系统设计由浅入深的每一步紧密结合，也就不能在设计的不同阶段，当设计人员需要进行方案取舍时，提供出量化的依据。综上，对暖通空调系统设计过程中的经济性评价方法的系统研究亟待进行，迫切需要一种更准确、更方便、更有预见性的经济性计算方法，在暖通空调系统设计的过程中对暖通空调系统的各个部分及整体系统的经济性进行准确、方便地预测。2DeST中暖通空调方案的经济性分析方法2.1DeST的分阶段模拟思想本着“分阶段设计,分阶段模拟”的理念，建筑模拟软件DeST在开发过程中融合了实际设计过程的阶段性特点，将模拟划分为建筑热特性分析、系统方案分析、空气处理方案分析、冷热源及泵站分析和风系统分析共5个大的阶段。在设计的不同阶段对设计目标进行可行性分析，模拟出准确实用的可行性分析结果。同样，暖通空调方案的经济性分析也必须针对暖通空调系统设计由浅入深、逐步深化的这种过程，在设计的不同阶段，利用已有的信息，尽可能准确地评价拟采用的暖通空调系统的经济性，从而为优化设计、比较方案提供经济方面的依据。下面将分别简要论述建筑环境系统设计过程中的各个阶段。2.1.1建筑热特性分析阶段BAS（BuildingAnalysis&Simulation）在本阶段我们主要研究的是建筑物的本体，涉及的内容包括建筑的朝向设计、围护结构设计、房间功能及内扰设计等。其中围护结构的热性能是影响建筑环境状况和能耗状况的一个重要因素，因此围护结构的优化设计有着十分重要的意义。围护结构设计又包括确定建筑几何形状和窗墙比、选择建筑材料、设计遮阳部件等。DeST根据设计者提出的不同的建筑设计方案，对建筑进行全年逐时的温度模拟和采暖空调能耗计算，同时进行相应暖通空调方案的经济性分析，对不同的建筑设计方案进行分析比较，从而帮助设计人员做出最优的选择。通过建筑方案设计阶段的模拟分析，进行不同方案之间的对比，对建筑主体设计本身提出有利于建筑节能的意见同时确保其经济合理。2.1.2系统方案分析阶段Scheme在本阶段我们主要是进行分区方案及空调系统形式的设计，这是空调系统设计里至关重要的一环，该设计的优劣在极大程度上影响建筑使用时的冷热状况，以及空调系统能否满足人员热舒适的要求。目前的分区方案及空调系统形式设计还大多停留在依赖经验和简单手工计算基础上，而建筑的复杂性使得这种设计往往不能满足舒适性和经济性的要求。在对建筑热状况进行全年逐时模拟的基础上，根据设计人员提出的不同设计方案，比如全空气系统或风机盘管系统，DeST模拟出各房间全年的温度状况、不满意率及要求的空调设备出力，同时对不同系统方案的经济性作分析，使设计人员可从可行性和经济性两个方面对不同的系统设计方案进行比较。通过系统方案设计阶段的模拟分析，进行不同的系统方案之间的对比，辅助设计人员确定既能满足使用要求又经济合理的系统方案。2.1.3空气处理方案分析阶段AHU（AirHandleUnit）确定分区方案及空调系统形式后，我们应该进行空气处理设备的设计与校核了。设计人员确定一种设备组合，如热回收器+表冷器＋加湿器。DeST在方案设计模拟结果的基础上，对选取的设备类型及容量进行全年逐时的校核计算，给出不能够满足系统要求的时刻以及空气处理方案能耗。同时根据选取的空气处理设备，DeST还做出相应较为准确的经济性分析，可以为用户选择节能经济的空气处理方案提供出依据。在进行方案选择之后，后续设计分成两个主要的分支：水系统的设计和风系统的设计。水系统的设计主要解决冷热源以及水泵的选型及校核。风系统的设计主要解决风网设计和风机的选型及校核。2.1.4冷热源及泵站分析阶段CPS（CombinedPlantSimulation）冷冻站设计是空调系统设计的非常重要内容，冷机的容量和搭配台数对初投资和运行费的影响均很大。目前的冷冻站设计还大多停留在简单单点手工计算基础上，而建筑物使用的复杂性使得这种设计往往不能满足舒适性和经济性的要求。DeST根据空调处理设备提出的全年逐时冷热量要求，对选定的冷热源、水泵的设备类型及容量进行全年逐时的校核计算，给出不能够满足要求的时刻以及相应的冷热源和水泵的全年能耗。同时根据选取的冷热源和水泵类型、容量及运行能耗，DeST进行更为准确的经济性分析，帮助设计者确定既能满足使用要求又经济合理的冷热源、水泵方案。2.1.5风系统分析阶段DNA（DuctNetworkAnalysis）根据空调系统方案模拟及空气处理设备模拟结果得到的各个房间及末端的风量需求，进行空调风系统设计计算，确定风机等设备型号，校核设计方案在全工况下是否能满足逐时的