建筑能耗模拟及eQUEST DeST操作教程

1.1.3建筑性能评价中的能源评估

1.2.1建筑能耗对于建筑性能评价的意义

第1章建筑性能评价和建筑能耗

安全生产标准CASBEE的建筑物环境质量与性能的细分条目

2建筑能耗的分类标准和能源折算

供暖、供冷和生活热水用能按用能边界表示

第1章建筑性能评价和建筑能耗

除供暖、供冷和生活热水用能外的其他用能按用能边界表示

ISO126555标准中，按用能边界划分所得建筑能耗的符号及意义如表

建筑能耗按用能边界划分符号及意义

准确的能耗数据表示方法是节能评审工作顺利开展的基础，不同类型建筑的能耗、能 源品种和能耗用途都是不同的，因此表示建筑能耗时，应指明实际消耗的能源种类和数 量，或者根据建筑能耗换算方法进行统一换算。 《建筑能耗数据分类及表示方法》标准中提出几种能耗换算方法：电热当量法、发电 煤耗法或等效电法。各能源均可用千瓦时（kW·h）、千克标煤（kgce）、千焦耳（k）等

第1章建筑性能评价和建筑能耗

安电热当量法、发电煤耗法和等效电法的换算数

b.根据当年全国平均火力发电水平确定，本表中数据来源于《2010中国节能节电分析报告》[1112009年数据

在进行建筑能耗分析时，准确定义建筑能耗类别，充分利用能耗数据，能够很快的推 进相关的节能评审工作，附录2为中外建筑能耗现状数据汇总，供参考。在建筑物的全生 命周期内，每个阶段对能耗数据分析的目的不同，方法不同，获取能耗数据的途径和手段 也不尽相同。

1.2.3建筑能耗数据获取和分析方法

常用的建筑能耗数据获取方式和用途

建筑环境是由室外气候条件、室内各种热源的发热状况以及室内外通风状况所决定。 建筑环境控制系统的运行状况也必须随着建筑环境状况的变化而不断进行相应的调节，以 实现满足舒适性及其他要求的建筑环境。由于建筑环境变化是由众多因素所决定的一个复 杂过程，因此只有通过计算机模拟计算的方法才能有效地预测建筑环境在各种控制条件下 可能出现的状况，例如室内温湿度随时间的变化、采暖空调系统的逐时能耗以及建筑物全 年环境控制所需要的能耗等12]。采用模拟的方法对设计建筑进行量化评估，可以获得设 计方案的性能表现的完整信息，帮助评价体系在控制建筑环境的质量与性能的前提下，较 为准确地考察建筑的环境负荷（最终体现为设计方案付出的经济代价）。因此，在建筑物 及其系统的设计阶段，通过计算机进行建筑物的能耗模拟是一种广泛应用的获取能耗数据 和辅助设计分析的手段

1.3.1建筑能耗模拟涉及的内容

狭义的建筑能耗是指维持建筑功能所消耗的能量，包括采暖、空调、照明、热水供 应、电梯、炊事、家电以及办公设备等的能耗，采暖和空调能耗占比最大。因此，建筑能 耗模拟所涉及的内容通常包括采暖和空调能耗的模拟，也包括常规建筑物中其他用能系统 （比如照明系统、生活热水、电梯等用能系统）的能耗模拟。 对于采暖和空调能耗模拟，其涉及的主要应用领域可以从两个方面进行概括： 1.建筑物能耗预测与设计优化[12] 通过改善外墙保温、改进外窗性能和窗墙面积比、选取不同热惯性的围护结构等措 施，都将改变建筑物室内热环境和能源消耗。然而这些措施与建筑环境及建筑物全年能耗 之间的关系很难进行直接准确的分析，只有通过逐时的动态模拟才能得到。因此在分析评 价一个建筑设计方案对环境状况和能耗造成的影响时，一般都采用模拟计算的方法。例

第1章建筑性能评价和建筑能耗

（3）模型参数，包括系统结构与参数特性，即对于建筑及其系统的物理描述（比如对 于空调系统能耗模拟，建筑围护结构的传热特性、空调系统的设备特性等都属于系统结构 和参数）； （4）计算模型，用于描述所有输人与输出的关系； （5）输出系统状态参数和能耗，对于空调系统，包括空调状态下的室内空气温度、空 调设备的运行状态参数、设备能耗等。 概括而言，建筑能耗模拟工作包括确定外界影响参数，根据模拟分析的目的确定控制 调节的描述方式，如实反映模型参数，根据模拟分析需要选择合适的计算模型，以及深入 分析输出的系统状态参数和能耗。熟悉建筑能耗模拟，必须对不同建筑用能系统能耗模拟 的上述五个方面都有所了解。一旦选定计算模型（某种程度上，等于选定模拟工具），其 模型参数的具体含义就会确定，此时要利用好能耗模拟这种方法，就需要在实际的工程应 用当中，不断积累和提高对（1）、（2）、（5）的认识和经验，根据项目的实际需求做好相 关的数据确定和分析工作

1.3.2建筑能耗模拟方法和适用性

建筑能耗模拟不是简单的数值计算，必须综合建筑物可能出现的各种复杂情况，对建 筑物进行详细的能耗模拟分析

第1章建筑性能评价和建筑能耗

型。回归模型可以是单纯的统计模型，也可以基于一些基本建筑能耗公式，常用的有最小 二乘法，PRISM方法等。因其较为简单和直接，这种模拟方法是逆向建模方法中应用最 多的一种。 （2）灰箱模型13） 首先建立一个表达建筑和空调系统的物理模型，然后用统计方法确定模型各项物理参 数。这种方法需要分析人员具备建立合理的物理模型和估计物理参数的知识和能力。这种 方法在故障检测与诊断和在线控制方面有很好的应用前景，但在整个建筑的能耗估计上的 应用较为有限。 对于设计阶段的建筑物及其系统，采用正向模拟法的模拟工具具有较好的适应性，因 为详细的设计信息正好可以作为这类模拟工具的输入参数，同时该类工具通常对物理过程 有较详细的模拟，可以辅助进行设计方案的优化分析；对于交付以后的建筑物及其系统 数据驱动法的模拟工具将具有较大的应用价值，此时建筑物及其系统的运行数据可以使得 数据驱动模型更贴近实际，有利于对实际工程问题和能耗状况进行深入分析，辅助优化系 统运行和控制调节，对建筑物及其系统的运行管理具有重要的意义

1.3.3建筑能耗模拟软件简介

第1章建筑性能评价和建筑能耗

第1章建筑性能评价和建筑能耗

第1章建筑性能评价和建筑能耗

2012（E). [10] 中国能源统计年鉴2009.北京：中国统计出版社，2010 11 国网能源研究院，能源与电力分析年度报告系列2010中国节能节电分析报告：北京：中国电力出 版社，2010 [12] 清华大学建筑技术科学系DeST开发小组DeST用户使用手册.2006. [13 潘毅群，左明明，李玉明.建筑能耗模拟一一绿色建筑设计与建筑节能改造的支持工具之一：基本 原理与软件．制冷与空调［J，2008：22（3). 14】潘毅群等．实用建筑能耗模拟手册，北京：中国建筑工业出版社，2013

2. 1基本概念及原理

2.1.1能耗模拟的基本要素

空调系统输入参数分类

2.1基本概念及原理

.1.2影响能耗模拟效果的主要因

第2章能耗模拟基础知识

调系统能耗模拟的输入参数及参数描述的准确

2.1基本概念及原理

第2章能耗模拟基础知识

性参数等等。同样是住宅建筑，由于所处气候带不同，人们的生活习惯不同，住宅建筑的 设计也有很大差异，比如严寒地区的住宅，窗墙面积比可能较小，窗户的特性对建筑物能 耗的影响不是特别大，而夏热冬暖地区的住宅，窗墙面积比可能较大，开窗通风也比较常 见，窗户的特性、遮阳特性和通风特性等对住宅能耗的影响就很大。这些都说明，在建筑 物能耗模拟时，需要针对具体情况具体分析，首先分析所有输入参数对能耗影响的显著 性，进而根据能耗敏感性的大小确定各类输人参数的描述准确性的要求高低，据此合理地 搜集和准备输人参数数据，这样才能更好地确保能耗模拟的准确性。 对于随时间变化的动态输入参数，其随时间变化的描述对能耗模拟的影响又不同于静 态输入参数的方面。比如，通过建筑物冷热负荷的全年动态模拟，可以获得空调系统所需 满足的累计冷热负荷和尖峰冷热负荷，在进行空调系统设计和设备选型时，尖峰负荷的大 小是有重要的参考价值的。但是值得注意的是，模拟建筑物冷热负荷时，对室内空调温湿 度设定值随时间变化的描述有可能显著影响尖峰负荷的大小。当建筑物的空调方式为间歇 空调时，比如办公建筑工作日早上7点到晚上7点为空调时间，由于建筑物的围护结构蓄 热，如果把模拟计算的空调室内温度设定为早上7点达到最终空调要求的26℃，则模拟计 算结果显示，早上7点的计算负荷会非常高，甚至高于一天中最热时间段的负荷尖峰。出 现这种计算结果的原因就在于，模拟计算是理想的、即时的，假如计算步长是1h，那么 按照26℃的控制要求计算建筑负荷，就意味看这一小时里，建筑物必然送到26℃的控制 效果，如果计算步长是5min，按照26℃的控制要求计算负荷也没有任何同题，建筑物会 在5min内送到26℃的控制效果，负荷计算的前提是不计成本的。然而实际建筑物在使用 时，其空调控制效果是成本和控制要求平衡的结果，实际建筑物不会也不必要在短时间内 让所有空调区域达到理想的空调温度，系统刚启动时的空调效果有一个或长或短的接近控 制目标的过程，空调设备的选型往往是根据最热时段的尖峰负荷确定的。因此，在模拟计 算时，对随时间变化的输入参数，描述其不同时段的数值大小时，要注意考虑模拟计算的 特点与建筑物实际情况的差别，甄别不同的应用目的采取灵活的处理方法

2.1.3能耗模拟软件的性能评估

2.1基本概念及原理

出，这样容易对不同软件的实际性能造成误解。比如照明系统能耗计算，可以直接采用照 明功率密度和作息时间计算，不考虑自然采光等因素的影响，或以一种简单的方法（比如 指定某些时间段采用自然采光或根据太阳辐射强度大小判断是否依赖自然采光）考虑这些 因素的作用，这样的计算都不会产生建筑物自然采光状态参数的输出，如果判断是否采用 自然采光的依据是建筑物的室内自然采光的照度水平，那么计算模型就必然要考虑室内照 度计算，输出参数当中就会包括室内照度的数据。显然，同样是计算照明系统能耗，能输 出照度结果的计算模型和不能输出照度结果的模型，其计算性能是不同的，计算模型的准 确性是不可比的。因此，在分析软件的计算性能时，应该针对计算的对象（空调系统、照 明系统、其他用能系统等），搞清楚软件所能提供的除能耗以外的输出数据都有哪些，对 于不同用能系统的运行状态参数应有较全面的了解。 2.计算的准确性如何 怎样保证建筑模拟软件给出的结果能够正确地反映其实际模拟对象？这是建筑模拟领 域一直探讨的问题。在20世纪70年代初出现建筑模拟软件时，就开始提出了这个问题。 为此，在美国、加拿大、日本等地都曾专门建造了实验性建筑进行测试，期望能够对模拟 软件加以验证，但经实验发现，测得的结果与模拟结果总是难以吻合，后经研究发现，由 于建筑热状况受多种因素的影响，且难以全部精确测定，因此无法用实际建筑进行严格的 则试比较。 真正要验证模拟软件的正确性，首先要弄清楚可能出现问题的原因，根据各种可能出 现问题的来源，设计检验或验证的方法。根据分析模拟软件产生错误的原因主要有三种： 程序及计算方法的问题，包括算法错误、计算不收敛、代码错误等等；物理细节参数设定 问题，如对流换热系数确定等；某些假设的合理性问题，如将三维传热简化为一维传热进 行模拟，表面对流换热系数的常量近似等等。针对这些问题，经过近二十年的研究，基本 上发展出一套建筑热环境模拟分析程序验证的系列方法，主要包括以下三种验证方法：理 论验证、程序间对比验证和实验验证门。 理论验证是指在某些特定的能求得理论解析解的工况下，将数值模拟结果与理论解析 结果进行对比，对模拟结果进行验证，这种方法可以有效地找出由于编程错误和算法不当 所引起的问题。对建筑热状况求解来说，能求得理论解析解的有两种工况：一种是外温、 太阳辐射、室内发热量等影响建筑热状况的因素（以下简称为“热扰”）均为恒定的情况 下，室内的温度及需投入的冷热量可以用稳态的传热方程求得；另一种是各种室内外热扰 为周期性变化时，可以采用谐波法求得室内热响应的解析解。在这两种工况下的验证我们 分别称为稳态验证和谐波反应法验证，统称为理论验证。这种理论验证是对同一对象利用 不同的数学模型进行求解并比较计算结果，验证最基本的物理原理和简化模型有没有概念 性错误。 通过这种与严格精确的解析解的对比验证，可以对建筑热环境模拟软件计算结果的正 确性做出基本的评判，这也是对一个建筑热环境模拟软件最基本的要求。 在理论验证中，尽管采用了不同的数学计算方法，但其中的物理细节是相同的，如室 内某种发热量在内墙各个表面的分配方式，表面对流换热系数的确定等，因此理论验证的 通过并不能说明这些细节的设定都是准确的，由此提出了程序间对比验证的方法。这种方 法是在相同的建筑物、室内外热扰，以及相同的设备控制方案等前提下，分别用不同的模

毕业设计第2章能耗模拟基础知识

拟程序计算建筑物的热性能指标，然后对比各程序的计算结果，以检验不同程序的一致 性，找出不同程序在物理细节设定上的差异，通过理论分析来确定较好的设定方法。这种 验证并非一种严格的理论性验证，而是通过集结不同研究团体的研究成果，以避免个体受 其本身局限而造成的疏漏或错误。 程序间对比验证是在理论验证的基础上进行的更深入更细致的验证工作。当一个模拟 程序通过理论验证这一正确性的基本要求后，应该与世界上其他同类型的模拟程序进行比 较，以检验其自身在物理细节上的设定，完善其物理模型，这也是对模拟程序的一个基本 要求。 鉴于实际建筑物的复杂性，模拟程序在建立建筑模型时都会作一些简化，如将墙壁的 三维传热简化为一维进行计算，认为墙壁物性是不随时间变化的等等，这些都是模拟计算 的基本假设，而这些基本假设是否会给计算结果带来较大误差呢？这在理论验证和程序间 对比验证中都难以说明。理论验证只验证了两种极端的情况，而程序间对比验证也是在大 家都做了各种类似的假设后得到的结果，即使所有的程序模拟的结果都是一致的，也不能 背定它们就是正确的，因为实际情况并未被准确地了解，因此这些假设的正确与否只有通 过实验的方法进行验证。 实验验证是把各程序的模拟结果与实测记录相比较，以评价各程序的准确性和可靠 性。但由于建筑物的复杂性，实测过程不可避免的会存在误差，因此即使模拟结果和实测 记录吻合也不能说该程序一定正确。另一方面，例证的正确性并不能保证事物的正确性 也就是说，即使某程序的模拟结果和某建筑的实测结果相吻合，也不能保证当建筑物改变 类型、结构、规模等特性时，该程序还能给出符合实际的模拟结果。 综上所述，上述三种验证方法各有特定，互为补充。在程序开发阶段，一般可先采用 理论验证的方法，保证最基本的物理原理和数学模型不出现概念性错误，进一步拿自已的 程序与世界上应用较广泛的同类程序作程序间对比，找出一些较明显的错误或不足，进一 步完善。程序编写完成并经一定的测试后，可参加有组织的实验验证，或自行组织实验验 证，再进行不断的改进和提高。 目前在建筑能耗模拟领域广泛应用的几个主要软件：EnergyPlus、DOE、IES、DeST 和TRNSYS，它们的核心算法（并不是全部计算模型）都经过国际能源组织IEA组织的 相关性能验证项目的评估，证明这些软件在对建筑热过程进行模拟时，都能获得比较符合 实际的结果。 然而，所有的模拟软件，除核心算法之外的计算模型（涉及各类用能系统的方方面 面）都没有经过严格的验证分析，这些计算模型有的来源于工程经验，有的来源于实验研 究，有的来源于经典的理论研究成果。无论其来源如何，每个计算模型都有一定的假设和 简化，了解这些假设和简化对把握计算模型的适用性有非常重要的意义。

2.1.4能耗模拟分析工作的流程

2.1基本概念及原理

及模拟计算三个工作步骤。 下面分别介绍这三个步骤的具体内容和特点： 1.建立模型 对于新建建筑物的模拟来说，建立模型就是根据建筑物的图纸在模拟软件当中建立描 述建筑物的几何信息的模型，这其中包括建筑物的空间尺寸、围护结构尺寸等等，通过这 些信息，模型反映了建筑物的朝向、平面布局、房间划分、窗墙屋顶等围护结构的面积和 位置等。根据模拟软件支持的建模功能不同，目前常用的建立模型的方法有两种，一种是 直接将一定格式的建筑图纸读入模拟软件，由模拟软件生成可供修改的建筑物模型，一种 是以建筑图纸为参考，由模拟人员在软件中构建建筑物模型。如果建筑物图纸能够很好满 足能耗模拟对建筑物模型的要求，那么前一种建模方式将会大大节约模拟分析的工作量。 实际模拟分析工作当中，由于建筑图纸并不是服务于空调能耗模拟的技术文件，因此图纸 信息难免出现不符合空调能耗模拟对建筑物模型的要求的情况给排水工艺、技术，比如建筑图纸上对围护结

第2章能耗模拟基础知识