1、 1 南京大学人居环境与可持续发展 新生研讨课论文计算机模拟技术在建筑节能方面的应用The Application of Computer Simulation Technology in the Designing of Energy-saving Buildings作 者 （ 姓 氏 笔 画 排 序 ） ： 王 宇 1 韦 璐 2 冯 怡 3 朱 旭 佳 4 何 伊 伊 51.南 京 大 学 建 筑 与 城 市 规 划 学 院2.南 京 大 学 建 筑 与 城 市 规 划 学 院3.南 京 大 学 建 筑 与 城 市 规 划 学 院4.南 京 大 学 建 筑 与 城 市 规 划 学 院5.
2、南 京 大 学 建 筑 与 城 市 规 划 学 院南京大学 人居环境与可持续发展 新生研讨课论文 2 目 录计算机模拟技术在建筑节能方面的应用 .1The Application of Computer Simulation Technology in the Designing of Energy-saving Buildings .1摘 要 .3Abstract.3关键词: 计算机模拟技术； 建筑节能 .3Keywords: Computer Simulation Technology; Energy-saving Buildings .31.背 景 综 述 .41.1 建筑节能的时代背景
3、 .41.2 计算机模拟技术发展的历史背景 .51.3 计算机协助建筑节能的应用背景 .52.建 筑 能 耗 模 拟 技 术 的 总 体 介 绍 .52.1 工作原理 .52.2 优势与不足 6.62.3 建筑能耗模拟软件的具体类型和应用 .73.建 筑 能 耗 模 拟 机 软 件 eQUEST 的 使 用 .113.1 数据导入 .123.2 图表分析 .194. 探究不同建模方式对能耗模拟结果的影响 .224.1 研究方法 .224.2 研究过程 .234.3 总结 .375.建 筑 能 耗 模 拟 中 产 生 的 问 题 .375.1 模拟结果的准确性问题 .375.2 基础数据的匮乏
4、.395.3 缺乏结合规范的专业建筑节能评估软件 .406.制 约 计 算 机 模 拟 技 术 在 建 筑 节 能 方 面 应 用 的 因 素 .406.1 社会因素 .406.2 经济因素： .416.3 软件本身 .416.4 科技制约 .417.建 筑 能 耗 模 拟 软 件 的 未 来 展 望 .427.1 前景 .427.2 展望 .42参考文献 .43南京大学 人居环境与可持续发展 新生研讨课论文 3 计 算 机 模 拟 技 术 在 建 筑 节 能 方 面 的 应 用作者（姓氏笔画排序）：王宇 1 韦璐 2 冯怡 3 朱旭佳 4 何伊伊 5摘 要阐 述 建 筑 能 耗 模 拟 软
5、件 的 工 作 原 理 ， 分 析 计 算 机 模 拟 技 术 的 优越 性 和 不 足 。 主 要 以 计 算 机 模 拟 软 件 eQUEST 为 载 体 ， 以 南 京 大 学 校园 建 筑 为 对 象 ， 通 过 建 立 对 照 实 验 模 型 ， 探 究 生 活 中 的 建 筑 节 能 可 采用 的 形 式 。通 过 调 查 和 资 料 收 集 ， 总 结 现 今 建 筑 节 能 以 及 计 算 机 模 拟 的 发 展 现状 。 通 过 对 软 件 的 应 用 ， 比 较 各 个 软 件 的 优 势 和 缺 点 ， 提 出 对 未 来 计 算机 软 件 模 拟 软 件 的 展 望 和
6、 前 景 的 分 析 ， 以 及 未 来 计 算 机 模 拟 技 术 如 何协 助 建 筑 节 能 设 计 的 设 想 。AbstractIn this paper, we elaborate the working principles of energy consumption simulation software of buildings. We also analyze the superiority and deficiency of computer simulation technology. Our research is mainly based on the comput
7、er simulation software called eQUEST, and the object of study is one of the campus buildings in Nanjing University. We explore the methods that can be used in the designing of energy-saving buildings in our daily life by establishing experimental models. We contrast them and get conclusions through
8、analysis of reports that were generated by the software.Through the investigation and data collection, this paper summarizes the current situation of energy-saving buildings and the development of the computer simulation. We put forward the prospects of computer software simulation software and how
9、the computer simulation technology will help with the designing of energy-saving buildings.关键词: 计算机模拟技术； 建筑节能Keywords: Computer Simulation Technology; Energy-saving Buildings南京大学 人居环境与可持续发展 新生研讨课论文 4 1.背 景 综 述1.1 建筑节能的时代背景建筑节能，指在建筑材料生产、房屋建筑和构筑物施工及使用过程中，满足同等需要或达到相同目的的条件下，尽可能降低能耗。建筑节能，在发达国家最初为减少建筑中能量的
10、散失，现在则普遍称为“提高建筑中的能源利用率” ，在保证提高建筑舒适性的条件下，合理使用能源，不断提高能源利用效率。建筑节能具体指在建筑物的规划、设计、新建(改建、扩建)、改造和使用过程中，执行节能标准，采用节能型的技术、工艺、设备、材料和产品，提高保温隔热性能和采暖供热、空调制冷制热系统效率，加强建筑物用能系统的运行管理，利用可再生能源，在保证室内热环境质量的前提下，减少供热、空调制冷制热、照明、热水供应的能耗。1.1.1 政策导向国内：从 20 世纪 80 年代开始，我国就针对建筑节能开展了相应的工作，首先是针对北方寒冷地区的采暖建筑制定了相应的用能标准。随后，相关工作逐渐展开，形成了一系
11、列的法规与标准。2006 年，原建设部和国家质量监督检验检疫总局联合公布了绿色建筑评价标准 。2007 年，全国人大常委会对中华人民共和国节约能源法进行了修订。2008 年，国务院颁布了民用建筑节能条例 ，规定了各级人民政府、建设单位、设计单位、监理单位和施工单位在建筑节能方面的责任和义务。2009 国务院办公厅关于印发 2009 年节能减排工作安排的通知。2011 年 5 月 14 日政部和住建部发布了关于进一步推进公共建筑节能工作的通知 。其他国家：In LEED reference guide 3.0, the score of energy performance has been r
12、eweighted from to 10 points to 19 points. In EA Prerequisite 2: Minimum Energy Performance, and EA Credit 1 Optimised Energy Performance, a detailed whole building simulation was required to demonstrate the percentage of the energy saving. 11.1.2 经济因素 2实施建筑节能具有正的外部性，即对建筑进行节能改造或投资时，建筑节能改造或投入的投资收益预期会小
13、于节能所增加的投入，而节能增加的投入则必然小于社会获得的综合效益，从个人角度来看或者从社会角度来看，建筑节能工作都会带来巨大的经济效益，比如建筑能耗的节约、环境质量的改善，它还带动与节能相关的产业发展，促进了经济的发展。1.1.3 人文背景建筑是人大部分时间内所存在的空间，然而建筑对于人类的意义，早已不是一个简单的庇护场所。建筑节能，不仅是一种科学技术的创新概念，它也为人居提供了一个崭新的理念和更为科学、友好的生活方式，而且住宅生态化本身也是一种必然的发展趋势。采取南京大学 人居环境与可持续发展 新生研讨课论文 5 节能型的设备为人体提供相似甚至更舒适的居住环境，是建筑节能对公众的主要吸引力。
14、现今许多房地产商应用一些节能的新技术造的商品房，即使略高的价格仍受到广泛好评也说明了建筑节能的群众基础。1.2 计算机模拟技术发展的历史背景计算机模拟是指建立研究对象的数学模型或描述模型并在计算机上加以体现和试验1.2.1 提出背景当人们设计和构造复杂的系统时，或研究自然界、人类社会中漫长的演变过程和不易重复试验的事物时，若对研究对象本身进行试验，从时间、人力、物力等因素考虑要付出昂贵的代价，甚至不可能进行。因此，需要制造一个模型来进行各种试验。1.2.2 模型探索为了对系统模拟，首先要确定或表达所要研究的系统。用数学模型能较方便地确定一个系统，全面地反映对系统的已有认识或需要验证的假设,但缺
15、乏直观性,也不便于进行试验。在数学模型的基础上，可进一步作出实物模型,它体现人们所要求的真实系统有关的性质,但在形式和规模上不必与真实系统完全一致。用实物模型试验比较直观、可信，但仍不够经济和方便。可编程序的数字计算机出现以后，因它具有很强的数学运算和数据处理能力，可把数学模型编制成计算机程序，提供新的、通用的试验方法1.2.3 应用领域计算机模拟通过反复试验，帮助人们了解系统的性能,检验预想的假设,进行系统分析、设计、预测或评估，还可提供相当逼真的环境，借以培养和训练人员。当今社会，计算机模拟已成为工程研制、自然学研究、经济和社会问题研究、教学训练活动、军事研究、组织管理等许多领域中的一个有
16、力的工具。1.3 计算机协助建筑节能的应用背景计算机能耗模拟技术是为建筑节能设计开发的。建筑师可以方便地在设计过程中的任何阶段对设计进行节能评估。建筑师只要输入方案模型，即可在软件中完成对设计方案的热工性能、天然光、人工照明、日照、和经济分析以及了解建筑对环境的影响。这些分析结果可以帮助建筑师在设计阶段时比较不同方案的优劣，从而做出更加节能的选择。 3建筑能耗模拟可以应用于两种类型的建筑：新建建筑和既有建筑。对于新建建筑，通过建筑能耗的模拟与分析对设计方案进行比较和优化，使其符合相关的标准和规范，进行经济性分析等；对于既有建筑，需要进行建筑能耗的模拟和分析计算基准能耗和节能改造方案的能耗等。
17、42.建 筑 能 耗 模 拟 技 术 的 总 体 介 绍2.1 工作原理南京大学 人居环境与可持续发展 新生研讨课论文 6 2.1.1 计算机模拟的基本原理形成问题，明确模拟的目的和要求。尽可能收集和处理系统有关的数据。形成数学模型，找出组成系统的各个部件，并描述它们在各时刻的状态的有关变量（一般包括输入变量、状态变量和输出变量）或参数；确定各部件之间相互作用和影响的规则，即这些描述变量之间的函数关系。选择参数和变量的时候，还须考虑它们能否辨识或求解，以及模型最后是否适于根据真实系统的数据进行检验。根据收集的数据确定或估计模型中的参数，并选择模型的初始状态。设计逻辑或信息的流程图，直至编制出计
18、算机程序。程序验证,检验程序与数学模型之间的一致性,以及输入量的合理性。进行模拟试验，对给定的输入在计算机上执行程序。结果数据分析，收集和整理试验结果并作出解释。必要时可改变输入量或部分模型结构，重新进行试验。模型确认，检验由模型所得的结果与真实系统的性能数据的一致性程度。2.1.2 建模的基本原理 5用来模拟建筑能耗的数学模型由三个部分组成：(1)输入变量，包括可控制的变量和无法控制的变量(如天气参数)(2)系统结构和特性，即对于建筑系统的物理描述(如建筑围护结构的传热特性、空调系统的特性等)(3)输出变量，系统对于输入变量的反应，通常指能耗。在输入变量和系统结构和特性这两个部分确定之后，输
19、出变量(能耗)就可以得以确定。因应用的对象和研究目的的不同，建筑能耗模拟的建模方法可以分为两大类：正向建模的方法(forward modeling)和逆向建模(inverse modeling)的方法。前者用于新建建筑，后者用于既有建筑。正向建模方法(经典方法)：在输入变量和系统机构与特性确定后预测输出变量(能耗)。这种建模方法从建筑系统和部件的物理描述开始，例如，建筑几何尺寸、地理位置、围护结构传热特性、设备类型和运行时间表、 空调系统类型、建筑运行时间表、冷热源设备等。建筑的峰值和平均能耗就可以用建立的模型进行预测和模拟。逆向建模方法(数据驱动方法)：在输入变量和输出变量已知或经过测量后已
20、知时，估计建筑系统的各项参数，建立建筑系统的数学描述。与正向建模方法不同，这种方法用已有的建筑能耗数据来建立模型。建筑能耗数据可以分为两种类型：设定型和非设定型。所谓设定型数据是指在预先设定或计划好的实验工况下的建筑能耗数据；而非设定型数据则是指在建筑系统正常运行状况下获得的建筑能耗数据。逆向建模方法所建立的模型往往比正向建模方法简单，而且对于系统性能的未来预测更为准确。2.2 优势与不足 6详细的建筑能耗模拟软件按照系统模拟策略可分为两类：顺序模拟和同步模拟在顺序模拟方法中，首先计算建筑全年冷热负荷，然后计算二次空调设备的负荷和能耗，接着计算一级空调设备的负荷和能耗，最后进行经济性分析。在顺
21、序模拟方法中，每一步的输出结果是下一步的输入参数。顺序模拟方法节约计算机内存和计算时间，但是建筑负荷、空调系统和集中式空调机组三者之间缺乏联系；如果空调设备满足不了建筑冷热负荷的要求，就会产生错误。在同南京大学 人居环境与可持续发展 新生研讨课论文 7 步模拟方法中，考虑了建筑负荷、空调系统和集中式空调机组之间的相互联系。同步模拟方法与顺序模拟方法不同，在每一时间段同时对建筑冷热负荷、空调设备和机组进行模拟、计算。同步模拟法提高了模拟的准确性，但需要更多的计算机内存和计算时间。2.3 建筑能耗模拟软件的具体类型和应用2.3.1 几种常见软件简介DOE-2 ：采用传递函数法模拟计算建筑围护结构对
22、室外天气的时变响应和内部负荷，通过围护机构的热传递所形成的逐时冷、热负荷采用反应系数(responsefactor) 法计算；建筑内部蓄热材料对于瞬时负荷( 如太阳辐射得热、内部负荷 )的响应采用权系数(weighting factor)计算。该软件采用顺序模拟法，由四个模块(Loads， Systems，Plant，Economics)组成，模块之间没有反馈。空气温度权系数被用来计算因系统设置和运行而产生的室内逐时温度。DOE-2的最新版本为DOE-23。DOE-23增加了由压缩机、冷凝器、蒸发器和其他部件组成的制冷环路(refrigeration loops)，因此具备对制冷系统进行详细模
23、拟的能力。BLASTBLAST 是“局部相似性基本查询工具 ”(Basic Local Alignment Search Tool)的 缩写,是由美国国立生物技术信息中心（NCBI）开发的一个基于序列相似性的数据库搜索程序。Blast 是一个序列相似性搜索的程序包，其中包含了很多个独立的程序，这些程序是根据查询的对象和数据库的不同来定义的。比如说查询的序列为核酸，查询数据库亦为核酸序列数据库，那么就应该选择 blast 程序。Energy Plus：Energy Plus 是一个全新的软件，它不仅吸收了DOEo2 和 BLAST 的优点，并且具备很多新的功能。Energy Plus 被认为是用
24、来替代 DOE-2 的新一代的建筑能耗分析软件。Energy Plus 于 2001 年 4 月正式南京大学 人居环境与可持续发展 新生研讨课论文 8 发布Energy Plus 是一个建筑能耗逐时模拟引擎，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 到 15 分钟。在系统的模拟中，软件会自动设定更短的步长(小至数秒，大至 1 小时) 以便于更快地收敛。Energy Plus 采用 CTF (Conduction Transfer Function)来计算墙体传热，采用热平衡法计算负荷。CTF 实质上还是一种反应系数，但它的计算更为精确，因为它是基于
25、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。在每个时间步长，程序从建筑内表面开始计算对流、辐射和传湿。由于程序计算墙体内表面的温度，可以模拟辐射式供热与供冷系统，并对热舒适进行评估。区域之间的气流交换可以通过定义流量和时间表来进行简单的模拟，也可以通过程序链接的 COMS 模块对自然通风、机械通风及烟囱效应等引起的区域间的气流和污染物的交换进行详细的模拟。窗户的传热和多层玻璃的太阳辐射得热可以用 WINDOW5 计算。遮阳装置可以由用户设定，根据室外温度或太阳入射角进行控制。人工照明可以根据日光照明进行调节。在 Energy Plus 中采用各向异性的天空模型对 DOE-2 的
26、日光照明模型进行了改进，以更为精确地模拟倾斜表面上的天空散射强度。ESP-r:ESP-r 是由位于格拉斯哥的斯特拉思克莱德大学能源系统研究中心（Energy System Research Unit）开发的一款综合建筑模拟分析软件，ESP-r 具有悠久的历史和丰富的工程实践经验，Joe Clarke 教授及其同事早在 20 世纪 70 年代就着手于相关的研究和开发，现在 ESP-r 在科研和工程领域应用非常广泛并得到了用户的一致好评。其基本的分析方法为计算流体力学（ Computing Fluid Dynamic ，简称 CFD ）中的有限容积法（ Finite Volume Method ）
27、 ，可以对建筑内外空间的温度场、空气流场以及水蒸汽的分布进行模拟，因此它不仅可以对建筑能耗进行模拟，还可以对建筑的舒适度，采暖、通风、制冷设备的容量及效率，气流状态等参量做出综合的评估。除此之外，该软件还集成了对新的可再生能源技术 ( 如光伏系统、风力系统等 ) 的分析手段。南京大学 人居环境与可持续发展 新生研讨课论文 9 功能： ESP-r 是在欧洲应用非常广泛的建筑能耗模拟分析软件。Esp-r 采用了计算流体动力学中常用的有限体积法，不需要对基本传热方程进行线性化处理，相对于反应系数法来说，其具有较高的灵活性和更宽广的适用范围，但同时对硬件要求也有一定程度的提高。Esp-r 是一个集成化
28、的模拟分析工具，除了可以模拟建筑中的声、光、热以及流体流动等现象外，还可以对建筑能耗以及温室气体排放做出评估，其可模拟的领域几乎涵盖了建筑物理及环境控制的各个方面。EcotectECOTECT 是当今市场上最全面最具创新的建筑分析软件。它提供了友好的三维建模设计界面，并提供了用途广泛的性能分析和仿真功能。 ECOTECT 与众不同之处在于它完全可视化的物理计算过程回馈。使用 ECOTECT 作前期的方案设计感觉就像最终确定方案一样的精确。ECOTECT 让设计者在建筑形式确认前就可以了解建筑的相关特性。您可以通过一份详细的气候分析资料计算出多种被动设计方案的潜在使用效率，并优化太阳能系统，照明
29、系统和通风系统。在逐步发展到最终设计前，您可以依据一些简单的概念模型测试不同的方案形式。ECOTECT 软件最初作为某些概念的例证出现于安德鲁马歇尔博士在西澳大利亚大学建筑与艺术学院的博士论文中。这篇论文主要论述建筑的各种特性是建筑师在概念构思阶段首要考虑的因素，它不是在整个设计过程的最后可能会考虑的装饰品。如果从开始就关注到这个因素，那么建筑师将会节约大量的时间和精力。ECOTECT 最有用的功能是它的交互式分析方法。例如，可以更换地毯的类型并立即比较房间声反射，混响时间，照度和室内温度的变化。增加一个新的窗户并马上观察热量变化，权衡天光因素的影响，太阳辐射和建筑总造价。ECOTECT 是同
30、类产品唯一包括了舒适度分析，温室气体排放，典型能量分析以及运行成本核算的软件，它可以让用户直观的进行类比。 ECOTECT 的另外一个主要部分是其创新的三维用户界面。传统的几何 CAD 系统并不适合于初期的方案设计，它们要求输入大量的详细数据，这就迫使设计者在进行直观思维时更多去考虑数字问题。现在，一个灵活和直观的三维狗在系统出现了，它发掘出建筑组成元素之间令人惊异的内在简单关系，这种关系简化了复杂几何体的构思过程，并在很大程度上改善了正在进行的设计工作的灵活性。使用 ECOTECT 可以完美实现以下功能1 直观的显示阴影和反射效果并生成动画2 生成交互式太阳轨迹图并即时进行遮蔽分析3 计算任
31、意表面的太阳辐射及遮蔽百分比 4 计算任意空间或其中任意点的天光照度和人工照度;5 计算任意区域的月热增益和小时温度变化表6 生成原料消耗和环境影响的时间表7 追踪任意形状空间内任意部分的声部传导路径8 在四周有障碍的空间内计算声波的延迟率9 快速计算和统计任意空间内的声波反射次数10.输出到 VRML 进行交互式浏览并向客户展示产品11.输出到 RADIANCE 光照软件进行精确物理光照分析12.输入和输出为各种 CAD 格式和分析格式文件 南京大学 人居环境与可持续发展 新生研讨课论文 10 e-Quest:e-Quest 借鉴并采用了经典的 LSPE 结构，即 Load 模块、 Syst
32、em 模块、 Plant 模块和Economic 模块如图：e-Quest 支持 8760 小时全年能耗模拟，支持（1）特定的工作日类型：每一个 season 里可设置 3 种工作日（周一到周五，周日，节假日），可最多设置 52 个 season。（2）支持多种类型的气象参数：TMY, TMY2, TRY, CTZ, CTMY,WYEC, WYEC2（3）多种定义能源价格的方式：分时定价，按容量定价，统一定价等（4）导入 dwg 文件，简化建模的过程（5）可以成为 HVAC 的设计工具 e-Quest（Doe-2）能够模拟的一些特殊的空调系统如：地源热泵系统、水侧变流量系统、双风机双风管变风量系统（Dual-Fan Dual-Duct VAV systems）、自然通风（Sherman-Grimsrud 公式仅仅表达了传热，不包含传质）、自定义设备的性能曲线（通过输入数据点）、热电联产、蓄能系统：TES model 可模拟水蓄能和冰蓄能、光电转换（仅限高级用户，因为要修改 input 文件）、热回收通风（仅限高级用户，因为要修改 input 文件）
