【绿建讲堂】建筑能耗模拟讲解及应用

【绿建之窗大讲堂】建筑物理模拟【主讲人】赵永青（建筑能耗模拟专家）【讲师简介】主要从事LEED和绿标能耗模拟、LEED咨询。精通能耗模拟，提倡使用计算机模拟技术辅助建筑设计，优化建筑性能。【讲座导读】本次（建筑物理模拟讲座）由经验丰富的建筑能耗模拟专家赵永青结合实际工程案例介绍建筑能耗模拟在建筑坏境领域的应用。【讲座实录】主讲人简介及主题《建筑能能耗模拟及应用》主题分为三个部分1、建筑能耗模拟简介2、建筑能耗模拟一般步骤3、建筑能耗模拟应用思路一、建筑能耗模拟简介建筑能耗模拟早六十年代就已经有了，主是由于计算机技术的发展，使得建筑环境模拟这样一个技术成为可能，在六十年代之前主要是一种简化计算方法。大家都了解的温频法和度日数法都是简化的计算方法不是模拟技术。七十年代由于全球石油危机爆发，而导致的计算机模拟快速发展，在美国和欧洲都出现了一些计算机能耗模拟软件，美国有BLAST和DOE－2，欧洲有ESP－r，当然建筑能耗软件主要有DOE－2和EnregyPlus为内核的能耗模拟软件，以DOE－2为内核EQuest、PowerDOE以EnregyPlus为内核的有DesignBuilder和OPenstudio,Trnsys、IES等能耗模拟软件，这些软件都有各自特点。EQuest计算速度比较快，模拟功能还是比较强大的，EnregyPlus功能很强大最新的软件，比EQuest运算速度慢，DesignBuilder没有把EnregyPlus所有的性能开发出来，只开发了一部分。OPenstudio在开发中还没有很好用的程度，DEST中国唯一的能耗模拟软件，用起来不是太好用。Trnsys主要用于太阳能还有设备的模拟，设备的模拟比较突出。二、建筑能耗模拟一般步骤能耗模拟步骤：模拟参数收集－建筑物理模型建立－内扰参数设置（人员及设备）－维护结构参数设置（热工性能参数）－空调风系统参数设置－空调水系统设置－模拟计算及结果的查看－最后是结果检验。1、模拟参数的收集：包括5个类型的参数建筑位置参数、建筑维护结构参数、内部隔热参数、时间表、系统参数2、建筑物理模型的建立，以EQuest建立物理模拟为例：这是EQuest进行DD模式的第一个页面，设置建立层数（地上和地下层数）把CAD的图纸导入到EQuest里面去这里需要进行单位的设置CAD是下毫米为单位的，EQuest单位为厘米，这里设置为0.1厘米也就是1毫米，下面是把坐标的原点移到原点0.0的设置。CAD图纸导入之前进行简化，CAD画的一些墙都是双线，我们要把双线转成单线CAD图纸导入之后要对建筑外轮廓的描绘，描外轮廓暂时不描内部的轮廓。对建筑内部区域的描绘，一间一间的描绘，这里考虑到区域合并的问题，区域合并一般按Ashrae90.1-2007要求如果相同的功能区域，相同的空调系统区域，朝向不超过45度，可以合成一个区域。下一步是对外窗的建立，EQuest里面建筑外窗有两种情况，一种是以窗墙比方式建立，还有一种是以实际的图纸对每一面窗进行绘制。窗墙比的方式建模优势方便快捷，缺点是建筑外窗分布的要均匀才能满足窗墙比的要求，外窗如果分布不均匀误差还是比较大的，自定义外窗根据外窗的实际位置去建立，不会产生因建模带来的误差，但建模比较费时。窗墙比方式自定义窗方式3、下一步进行人员密度及新风量的设置：接下来对功能空间的分配，上面可以看到已定义了几种功能空间，下面步骤是将分组与有框中的功能进行关联。下面对照明功率密度的设置，电气功率的设置（插座负荷）时间表的建立：时间表的建立在EQuest里面有三种时间表组成，分别的天时间表、周时间表、年时间表，创建的顺序是先天时间表－周时表－年时间表。天时间的创建过程：在EQuest有几种时间表的类型，一般比较常用的百分比的时间表，用于照明、人员、设备运行的时间表，还有一种是开关（ON/OFF）时间表，用于设备的运行，设备的开关。如风机的开启和停。这个时间表就是百分比时间表，这个界面就是输入每一个时刻的百分分，比如人员的就是人员的百分比。周时间的创建过程：周时间的创建和天时间表的创建是类似的，周时间引用天时间表;年时间的创建过程：年时间的创建和天时间表的创建是类似的，年时间引用周时间表;通过上面的步骤进行人员、设备、风机、系统设备的时间表，时间表创建好后引用到要使用的地方，比如人员时间表就要引用上面所创建的人员时间表，照明、设备等都是一样的方法。到这步就建筑的内扰参数就设置完成了，4、建筑围护结构参数的设定：在建筑中有两类围护结构：一种是透明的围护结构、另一是不透明的围护结构不透明的围护结构热工参数的设定：材质设置：直接设置传热系数（美国U值），Layer设置方式，这两种方式各有优缺点，Layer需要设置详细的材料层设置复杂，优点是考虑热延值，U值设置简单不考虑热延值的影响。Layer方式设置流程如图：第一步创建Material,（Material是建筑中围护结构材料，聚苯板、砂浆等材料）第二步创建Layer（把材料组合起来）第三步创建Construction。Layer设置方式在展开：下面以一个例子假设建筑围护结构只有两层，为了简便。第一步：创建一个Material建筑材料，在材料中输入参数，材料的厚度、材料密度、导热系数、材料比热容，重复设置两次，创建两种材料。第二步：创建一个Layer，这个Layer要引用上面所创建的Material。第三步：创Construction，这个Construction要引用上面所创建的Layer。U值的设置方式:U值设置只需设置传热系数。直接创建Construction输入U值，Construction创建安成后赋给相应建筑围护组件，比如说创建一个外墙的材料构造就要把Construction赋给外墙的组件。下面为材料分配的过程上面讲了一不透明围护结构参数的设置，下面介绍透明围护结构参数的设置透明围护结构和不透明围护结构设置方法类似，都是创建材质，设置材质的热工参数，把相应的材料分配到构件上面，透明的材质需要设置成玻璃参数。输入主要是传热系数、遮阳系数、透射比及外表面红外发射系数，这四个方式。最后一步是把材料分配到外窗、天窗上面。风侧系统的设置：第一步选择空调系统－第二步风系统参数的设置－第三步系统服务区域分配到系统下面－第四步设置ZONE,设计温度的设置。变风量的创建过程：图中给出的流程选择空调系统－选择加热源－选择冷冻水路－选择热水管路。空调系统参数的设置：设置空调系统的设置如风机的参数，风机运行时间表。风机中冷冻水阀门及冷冻水管的设置：把变风量所服务的房间分配给这个系统最后一步设置就是对ZONE的设置：制冷、制热的时间表，就是室内的温度。水系统的设置：冷水机组锅炉形式创建一个冷冻水管路，进行参数设置，供水温度参数的设置，供回水温差的设置水泵参数主要是三个参数：功率、扬程、流量。冷冻水创建完成后就要创建一个冷却水管路参数的设置和冷冻水的参数的设置类似。然后创建冷水机组：冷水机组指的选择冷水机组的类型、冷却水管路、选择冷却水方式（风冷、水冷）冷水机组创建完成后要进行参数设置，参数主要冷水机组的容量，和能效比的设置，EQuest中的能效比用的COP倒数，能效比是耗电工率比上输出的冷量，COP定义是一个倒数的关系。创建冷却塔：需要设置冷却塔类型（开式、闭式），设置冷却塔管路。通过上面的步骤，一个制冷的系统就创建完成了。加热系统的创建：锅炉创建锅炉之前先要创建一个水利水管路，创建方式和冷冻冷却水创建方式类似及热水泵的创建过程都是一样的。创建锅炉的步骤：选择锅炉类型、选择冷水管路设置参数，参数也是冷量和效率。5、到这里就完成了一个整体建模的过程，下面进行能耗模拟的计算，计算点击计算按钮就可以了。6、计算完成就要对计算结果检查合理性进行验证，计算结果验证主要通过以下5个过程来进行。第一步：峰值的面积是否符合指标，如果符合指标在不在合理的范围内。第二步：单位面积能耗，是否经验值范围内，办公单位面积能耗80到120之间，和经验对比看否合理。第三步：查看主要能耗，检查不合理的情况，比如夏天有制热现象，如果出现就要仔细检查了。第四步：查看各分项能耗比例的合理性。比如一栋建筑能耗结果它的空调能耗点了30%几也是不太合理的。第五步：能耗遇到异常结果：例如，这样也设置排风热回收系统能耗反而上升是不合理的。对这种情况要进行检查。三、建筑能耗模拟应用思路主要以概念阶段、方案阶段、设计扩初阶段每个阶段的应用思路来介绍1、概念阶段能耗模拟应用也许大家会觉得奇怪，在概念设计阶段，怎么能够进行能耗模拟，在什么都不确定建筑形体都没有，怎么利用能耗模拟来辅助进行设计呢?概念设计阶段应该是节能潜利最大的一个阶段，能耗模拟技术进入的越早，建筑节能幅度提高的越大。概念设计阶段能耗模拟可以确定朝向、场地、体量，简单的建一个ZONE就一个空间。介绍两种方案例分享：一种方案是建筑只有一层，朝向为西，建在开扩的区域，第二种方案是有二层，朝向为南，靠山建立，通过比较我们可以建立一个简单的ZONE模型，就可以对比出这两方案的优劣。上面方案中可以看出方案二靠山建立朝向为南的，要比方案一的要好的。方案阶段能耗模拟能做什么呢？方案设计阶段通过能耗模拟可以找出一些节能潜力比较大的，采取一些相应的措施。比如在这个图中，可以看出制冷能耗是比较大，再一个是照明能耗比较大，在做节能设计的时候我们就可以针对这两块做一些节能措施。要降低一个建筑的冷负荷，就要看这个建筑冷负荷的组成部分，通这下面的这张图可以看它的外窗辐射的热，对冷负荷的贡献是最大的，其次是照明得热，针对这两部分对冷负荷贡献最的部分可以采取相应措施，可以采用高效的照明灯具，采用更好的照明控制方式，选用遮阳系数较低的玻璃产品，或者添加外遮阳。2、设计扩初阶段模拟应用设计扩初阶段采用参数运行的方式来对建筑能耗进行研究，什么是参数运行，参数运行就是研究增加一个材料保温厚度对建筑能耗的影响，材料从50MM、60、70、80聚苯板依头次增加，使用参数运行把保温板厚度依次定义好，进行参数依次运行，就可以看出增加保温板对建筑能耗的影响的趋势。设计扩初阶段可以把每一种能耗设置为0，每一次把建筑能耗设成0，然后看对建筑能耗的影响。比如把内部的热扰设置为0，照明设置为0，太阳辐射系数设置为0，依次把外窗、层顶传热、外窗传热系数设置为0，查看能耗计算结果。把外窗太阳辐射系数能耗设置为0能耗降低的幅度是最大的，第二大的照明设置为0。这里大家就会想到，把太阳辐射系数设为0对能耗降低幅度是最大的，从这方面入手对节能采取措施是很有利的。把外墙和层顶传热系数设置为0对能耗影响并不大，还可以看出增加围护结构保温对能耗贡献不太，所以不能盲目对项目增加保温性能这样即浪费钱，节能效果也不明显，我们还是要从能耗模拟技术，找出节能潜力最大地方，提出一个比较最好的解决方案。这个项目填加外遮阳来提高节能性能，也有一些是根据项目的限制，南面不能填加外遮阳，也可以通过一些别的方式降低辐射的热，可以从改变建筑外窗面积入手，建筑外窗主要满足建筑采光的要求，这里可以对外窗进行参数运行，藕合了一个自然采光的模型，把自然采光加进来，保证室内采光达到要求，即兼顾太阳辐射的量，也可以满足自然采光的要求，在两者中进行权衡，找到一个平衡点。通过参数运行，可以看到当外窗的面积处于600平方英尺的时候，能耗是最低的。这就是说在这个点时候，即可以满足建筑采光的要求又可以使建筑能耗达到最低，这个阶段通过调整外窗面积，还可以采取一些遮阳系数较低的玻璃，建筑能耗可以更好的进行优化。3、施工图阶段模拟应用施工图阶段模拟应用是最多的，当前绿色建筑认证，像国内的绿标、LEED等都需要用到能耗模拟。下面是介绍一个在施工图阶段案例，应用于国标绿色建筑认证的项目。国标中8.2.8提到采取可调遮阳措施来降低夏季太阳辐射的热，可控的遮阳调节措施面积比例要达到25%。业主提的要求，要对遮阳布置位置进行优化，遮阳使用后最大幅度降低太阳辐射量。从图中可以看出建筑的外力面是凹凸不平的，用Ecotect画网格的工作量是非常大的，计算量也很大