建造節(jié)能系統(tǒng)發(fā)展近況思索資料

1、建造節(jié)能系統(tǒng)發(fā)展I近況思索II作者：樊瑛單位：中I國(guó)建筑科學(xué)研究院上海分win目前，國(guó)內(nèi)主流的建筑節(jié)能軟件有中國(guó)建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PBECA、清華斯維爾THS-BECS與天正建筑節(jié)能軟件TBEC共三款軟件。本文將在國(guó)外建筑能耗模擬軟件綜述的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)建筑節(jié)能軟件的現(xiàn)狀以及發(fā)展中遇到的障礙或瓶頸進(jìn)行深入分析國(guó)外建筑能耗模擬軟件綜述建筑能耗模擬軟件已發(fā)展了40余年。第一代建筑能耗模擬軟件是基于在設(shè)計(jì)手冊(cè)中就可以找到的解析方程式進(jìn)行開發(fā)的；第二代基于簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)模型；第三代采用數(shù)值計(jì)算方法，可實(shí)現(xiàn)建筑的聲、光、熱等熱工性能的部分融合；第四代完全綜合了建筑的聲、光、熱等多方面的模擬功能。從第一代到第

2、四代，模擬結(jié)果逐漸接近建筑能耗的實(shí)際情況，但同時(shí)，使用起來(lái)更加復(fù)雜，在專業(yè)方面，對(duì)軟件使用者也提出了更高的要求1暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與1.1臺(tái)匕目匕耗分析基于建筑與系統(tǒng)熱性臺(tái)匕目匕止的邊界條件、運(yùn)行些軟件可進(jìn)行逐時(shí)甚分析系統(tǒng)在滿負(fù)荷和部統(tǒng)運(yùn)行略以及設(shè)計(jì)方具有這些功能的軟件有DOE-2、eQiJES-、Ererg)，-PlusHVACS5IM+VA114以及SIMBAD1.2系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化常與系統(tǒng)性臺(tái)匕目匕通用優(yōu)化軟件Geropt其現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化非1.3系統(tǒng)控制分析與優(yōu)化在目刖可用的軟件中在很大的差異0控制型如在EnergyP)lus、TRINSY單的本地控制模型0SIMBAD），與MAT-LA

3、則合的工分析軟件的一系列方程式在給略以及控制略下這至逐分的模擬0常用于分負(fù)荷工況下、不同系案下的系統(tǒng)臺(tái)匕目匕耗情況0Carri-erHAp、TraneTRACE700、ESP-r、IDAICE、TRNSYD等0分析軟件結(jié)合使用如與TRINSY歌件相結(jié)合可實(shí)常方便0系統(tǒng)控制的模擬水平存器可以用管理控制模S以及ESP-r中常采用簡(jiǎn)在基于MATLA3的工具具ESP-r以及TRINSYS中采用了更高級(jí)的控制器比如模糊邏輯控制器01.4系統(tǒng)實(shí)時(shí)性臺(tái)匕目匕優(yōu)化在建筑運(yùn)行階段運(yùn)用模擬軟件的好處仍未進(jìn)行充分研究0目刖模擬軟件可實(shí)現(xiàn)以下功臺(tái)匕目匕:調(diào)試診斷:驗(yàn)證整個(gè)建筑、系統(tǒng)以及各組成設(shè)備的性臺(tái)匕目匕0監(jiān)控診斷

4、與故障檢驗(yàn)診斷:檢驗(yàn)、分析、止位以及預(yù)測(cè)每日運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)與設(shè)備存在的問(wèn)題0仿真一個(gè)建筑及其暖通空調(diào)系統(tǒng):模擬建筑的響應(yīng)以及該建筑內(nèi)的暖通空調(diào)系統(tǒng)對(duì)臺(tái)匕目匕源管理系統(tǒng)命令的響應(yīng)情況02建模方法2.1暖通空調(diào)系統(tǒng)組件的建模方法對(duì)于大多數(shù)建筑與系統(tǒng)性臺(tái)匕目匕模擬模型而言:其狀態(tài)是連續(xù)的因?yàn)槟Ｐ妥兛h里的范圍用實(shí)數(shù)或者區(qū)問(wèn)來(lái)表示0然而一些模型的狀態(tài)假止是離散值因此為離散狀態(tài)模型0其時(shí)問(wèn)是離散的0如果模型的狀態(tài)是連續(xù)的而時(shí)問(wèn)是離散的那么該模型可用差分方程式來(lái)描述0具有確止性0然而也可以采用隨機(jī)模型0是時(shí)變的因?yàn)樵诓皇遣煌?其可用于正向的0所謂正向模型已知參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)的輸更加簡(jiǎn)單0所謂逆向模輸出變里已知目

5、的是統(tǒng)參數(shù)0通常在故障檢此種模型02.2HVAC才空制的模擬方法控制與管理控制0本地控制:允許HVAC足夠服務(wù)的低水平控制分為時(shí)序控制與過(guò)程控了設(shè)備開關(guān)的順序即什么情況下關(guān)閉0典型冷機(jī)時(shí)序控制器、冷卻序控制器以及風(fēng)扇時(shí)序(PC)用于調(diào)整控制變縣里的設(shè)止占八、并且考慮系域常用的典型過(guò)程控制同時(shí)問(wèn)殳相互作用規(guī)則靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的分析0(6)指的是基于已知結(jié)構(gòu)與出變縣里0逆向模型往往型指的是組件的輸入與確止數(shù)學(xué)描述且評(píng)估系驗(yàn)與診斷時(shí)才臺(tái)匕目匕用到制器分為兩類本地控系統(tǒng)適當(dāng)運(yùn)行以及提供器0本地控制可進(jìn)一步制0時(shí)序控制(SC)止義在什么情況下開啟在的時(shí)序控制器依次為制塔時(shí)序控制器、水泵時(shí)控制器等0過(guò)程控制以滿

6、足根據(jù)擾動(dòng)所需求統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征0在H/AC領(lǐng)器為P、PI、PID、ON/OFF步長(zhǎng)控制器等0管理控制:占兀全考慮了系統(tǒng)水平特征與組件問(wèn)以及與組件相關(guān)的變里之問(wèn)的相互作用的高水平控制器0比如:一個(gè)管理控制器設(shè)止運(yùn)行模式以及為本地控制設(shè)止占八、0從建模的角度控制器用方程式來(lái)表達(dá)0此方程式必須滿足每個(gè)模擬步長(zhǎng)0控制器指導(dǎo)建筑與系統(tǒng)以及系統(tǒng)內(nèi)各組件之問(wèn)的相互作用0事實(shí)上閉環(huán)的本地過(guò)程控制的傳感器可從一個(gè)可測(cè)里的變縣里獲抽樣0基于設(shè)止占八、數(shù)值以及可測(cè)里的數(shù)值根據(jù)控制器指止的控制算法控制器計(jì)算控制信號(hào)該控制信號(hào)可以向?qū)嶋H的執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供信號(hào)0然而在模擬中用戶可以說(shuō)明在實(shí)際中不臺(tái)匕目匕被感應(yīng)或調(diào)解的變縣里0比方

7、說(shuō)一個(gè)模型調(diào)節(jié)器可以直接調(diào)節(jié)一個(gè)模型里的熱流縣里然而在實(shí)際中這個(gè)只臺(tái)匕目匕通過(guò)改變閥門位置來(lái)實(shí)現(xiàn)0由于在實(shí)際工程中許多變里無(wú)法獲比如冷熱負(fù)荷0然而在模擬中可以進(jìn)行理想的控制0比如可以根據(jù)負(fù)荷的變化來(lái)控制制冷機(jī)、冷卻塔等的運(yùn)2.3HVAC系統(tǒng)的模擬方法HVAC系統(tǒng)的模擬方法分為四類純概念的系統(tǒng)建模方法：僅考慮房間過(guò)程次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)中的所有其他過(guò)程均視作理想過(guò)程。比如，用房間冷熱負(fù)荷去確定所需要的HVAC系統(tǒng)的大小。當(dāng)前，大多數(shù)的建筑性能軟件工具均采用此方法來(lái)模擬系統(tǒng)基于系統(tǒng)的模擬方法：用預(yù)先已定義好的通用系統(tǒng)類型，如VAV、CAV系統(tǒng)。這些模擬方法在DOE-2（見圖1）、eQUEST、Buil

8、dingEnergyAnayzer、BLASTDesignBuilder、HAP等中采用。用戶可以按照自己的需要來(lái)設(shè)定容量、系統(tǒng)流量、效率、系統(tǒng)組件特征，但是系統(tǒng)配置和控制策略不能改變，只能在工具中預(yù)設(shè)基于組件的系統(tǒng)模擬方法：用相互連接的組件模型來(lái)模擬系統(tǒng)。與上述方法相比，在系統(tǒng)配置以及控制策略方面，此方法更加靈活基于方程式的系統(tǒng)模擬方法：一個(gè)系統(tǒng)用個(gè)基本的模擬單元表示。該方法的模擬單元比組件要小0基于方程式輸入與輸出、模塊化、征0基于方程式的模擬S滬AIRK(S:imuationPrc)blernAnalysisand的模擬環(huán)境基本的對(duì)Law/renceBtsrkeley實(shí)驗(yàn)室開發(fā)EKS(E

9、nergyKernelSy，sten:在英國(guó)開發(fā)0NMF二(neutralnod方程式為許多現(xiàn)有與供了通用模型表達(dá)式02.4系統(tǒng)模擬模型的計(jì)算模擬工具采用的計(jì)算方器的應(yīng)用方法的差異0法包括以下3種:同時(shí)模塊算法:各組來(lái)同時(shí)計(jì)算0每個(gè)組件質(zhì)平衡描述其聯(lián)合起每個(gè)模擬時(shí)問(wèn)步長(zhǎng)可者顯性的或者混合的數(shù)獨(dú)立模塊菅法:每個(gè)的模擬工具具有自由的分等級(jí)的、通用的等特工具有:JResearchKernel):面向?qū)ο笙笫且粋€(gè)方程式由的0ESP-r模擬環(huán)境中進(jìn)行elformat):基于差分菅法正在出現(xiàn)的模擬工具提方法法的不同主要在于積分系統(tǒng)模擬模型的計(jì)算方件由一個(gè)共同的積分器用時(shí)問(wèn)平均的離散化熱來(lái)形成系統(tǒng)矩陣對(duì)于同

10、時(shí)解決用隱性的或值算法0模塊被提供了單獨(dú)的積分器計(jì)算0組件的模塊設(shè)止與執(zhí)行相關(guān)的所有進(jìn)行系統(tǒng)求解器重復(fù)基于方程式的算法:的發(fā)展該算法在近些具組成的模塊不能直接模塊需要被轉(zhuǎn)化為程序國(guó)內(nèi)建筑節(jié)臺(tái)匕目匕軟件現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)有代表性的建筑節(jié)研究院開發(fā)的PBECA、清建筑節(jié)臺(tái)匕目匕軟件TBEC0表比較0從表1可看出的平臺(tái)與引擎0另外也是相同的依次為工建模、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性果輸出0顯然這二款均是相同的只是在軟的處理方面有所不同程中的圖形導(dǎo)入處理方同0包含與組件的模擬模塊信息0每個(gè)組件被順序計(jì)算直到找到收斂解0伴隨著基于方程2工具年也出現(xiàn)了0用這些工執(zhí)行0在執(zhí)行時(shí)一個(gè)語(yǔ)0臺(tái)匕目匕軟件為中國(guó)建手科學(xué)華斯維爾THIS-B

11、ECS;與天正1對(duì)此二款軟件進(jìn)行了此二款軟件均基相同該二款軟件的工作流程程信息設(shè)置、圖形導(dǎo)入臺(tái)匕目匕設(shè)置、節(jié)臺(tái)匕目匕分析與結(jié)軟件內(nèi)核以及開發(fā)思路件的界面以及一些細(xì)節(jié)比如表1中所列建模過(guò)式的差異是其最大的不1對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)模式以DOE三作為引擎DOIE是基軟件能夠模擬的系統(tǒng)形國(guó)內(nèi)建筑節(jié)臺(tái)匕目匕軟件的開我國(guó)的公共建筑和居住而言主要是用來(lái)進(jìn)行中暖通空調(diào)系統(tǒng)是內(nèi)系統(tǒng)的模塊0內(nèi)置系統(tǒng)居住建筑節(jié)臺(tái)匕目匕標(biāo)準(zhǔn)以及止的0以公共建筑節(jié)臺(tái)匕目匕計(jì)算為共建筑節(jié)臺(tái)匕目匕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基于的基準(zhǔn)建筑是按昭八、做法對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工比以及昭八、明參數(shù)均作出熱工性臺(tái)匕目匕的權(quán)衡計(jì)算中建筑空氣調(diào)節(jié)和采暖都統(tǒng)0即國(guó)內(nèi)建筑節(jié)能軟內(nèi)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)

12、的僅是為對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)模式無(wú)于系統(tǒng)的模擬工具即式均是預(yù)先設(shè)止的0而發(fā)目標(biāo)主要是為了滿足建筑的節(jié)能審查具體建筑節(jié)能計(jì)算0軟件置的界面上沒有關(guān)于也兀全是按昭八、我國(guó)當(dāng)刖公共建筑節(jié)臺(tái)匕目匕標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)例現(xiàn)行GB501819-2005公提出的50%0的節(jié)臺(tái)匕目匕目標(biāo)所我國(guó)20世紀(jì)80年代傳統(tǒng)參數(shù)、冷熱源機(jī)組臺(tái)匕目匕效規(guī)止0并且在圍護(hù)結(jié)構(gòu)假設(shè)所設(shè)計(jì)建筑和參昭八、采用兩管制風(fēng)機(jī)盤管系件的設(shè)置占兀全是對(duì)應(yīng)國(guó)了工程應(yīng)用而開發(fā)的0法避免的問(wèn)題是軟件開發(fā)工作的低水平重復(fù)。一旦國(guó)家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)或地方節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)修訂了，那么軟件也要做相應(yīng)的重復(fù)開發(fā)工作2模塊開發(fā)通常，建筑能耗模擬軟件由負(fù)荷模擬模塊、系統(tǒng)模擬模塊、設(shè)備模擬模塊以及費(fèi)用模擬模塊共4個(gè)主要模塊組成。對(duì)于國(guó)內(nèi)的建筑節(jié)能軟件，實(shí)質(zhì)上不完全屬于建筑能耗模擬軟件，而完全是為了滿足市場(chǎng)需求開發(fā)的，且僅是針對(duì)工程應(yīng)用的一種工具。市場(chǎng)需求加外部政策的扶持，促使這些軟件有不錯(cuò)的市場(chǎng)空間然而，目前國(guó)內(nèi)建筑節(jié)能軟件系統(tǒng)、設(shè)備及費(fèi)用模塊不夠成熟。事實(shí)上，若要完全獨(dú)立開發(fā)系統(tǒng)模塊，短時(shí)間內(nèi)很難開發(fā)成功。關(guān)于系統(tǒng)能耗模擬的軟件，有主要用于研究的TRNSYS件，它是基于組件開發(fā)的，功能非常強(qiáng)大，應(yīng)用也