目前,隨著建筑能耗模擬在建筑節(jié)能領(lǐng)域的使用越來越廣泛，人們?cè)趹?yīng)用的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了很多問題。

 一、 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性問題

    對(duì)于種類繁多、功能齊全的軟件,很多用戶不禁要問:這些軟件模擬的結(jié)果可靠嗎?它們模擬的結(jié)果相互吻合嗎?哪個(gè)軟件模擬的結(jié)果最精確?在模擬的過程中,很多用戶都發(fā)現(xiàn)有時(shí)模擬的結(jié)\x00和實(shí)際情況不相符,即使模擬一個(gè)很簡(jiǎn)單的建筑,結(jié)果也很難說完全正確,甚至在完全相同的條件下,使用不同的軟件得出的結(jié)果有時(shí)差別都很大。為什么能耗模擬的結(jié)果會(huì)不可靠、不準(zhǔn)確呢?有關(guān)專家認(rèn)為有主觀和客觀兩方面的原因\x00

1、客觀原因

    客觀上,由于建筑的熱濕過程非常復(fù)雜、取決于很多因素,而在實(shí)際的計(jì)算中,軟件設(shè)計(jì)者根據(jù)自身對(duì)問題的理解,進(jìn)行了假設(shè)和簡(jiǎn)化。

    1)長波輻射難以確定。建筑熱負(fù)荷計(jì)算過程中,建筑內(nèi)表面之間、建筑內(nèi)表面和空氣之間、建筑外表面和環(huán)境之間的長波閔涫且桓齜淺８叢擁墓程,為四次方的非線性關(guān)系。而且長波輻射聯(lián)系的對(duì)象比較多,角系數(shù)難以確定,同時(shí)它和圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的傳熱是耦合的,計(jì)算過程復(fù)雜。為了解決這個(gè)問題,EnergyPlus忽略了內(nèi)表面和空氣之間的長波輻射;TRNSYS用網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算長波輻射,這種方法和使用復(fù)合換熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果有很大差距;DeST在處理這個(gè)問題時(shí)考慮了內(nèi)表面和空氣的長波輻射,并將這個(gè)問題簡(jiǎn)化為溫差的線性關(guān)系,在計(jì)算輻射時(shí),將內(nèi)表面的溫度近似認(rèn)定為293K,同時(shí)近似認(rèn)為內(nèi)表面的角系數(shù)和面積成比例。

    2)建筑內(nèi)家具、設(shè)備和人員的不確定。在實(shí)際應(yīng)用中,建筑室內(nèi)是不可避免的有家具、設(shè)備和人員的,它們都具有蓄熱能力。但是在模擬中,用戶很難確定它們的具體數(shù)目、位置和特性。DeST將家具簡(jiǎn)化為平板;TRNSYS將它們和空氣一起考慮,提出了室內(nèi)綜合熱容的概z,但是需要用戶確定。由于在模擬過程中很難確定此參數(shù),TRNSYS一般也近似將室內(nèi)綜合熱容簡(jiǎn)化為空氣的熱容。

    3)實(shí)際參數(shù)的復(fù)雜性。在實(shí)際建筑和系統(tǒng)中很多參數(shù)是不均勻的,并z是單一的狀態(tài),而為了模擬的方便,很多軟件都采用集總參數(shù)法,認(rèn)定狀態(tài)均一。比如在各類軟件中常設(shè)定建筑每個(gè)房間的溫度為單一值、設(shè)備內(nèi)的參數(shù)值一樣,這些和實(shí)際都是有差別的。

    4)對(duì)流換熱系數(shù)難以確定。建筑的對(duì)流換熱系數(shù)取決于很多因素,很多軟件為了簡(jiǎn)化運(yùn)算將它們?nèi)槎ㄖ怠RNSYS分別將內(nèi)、外表面的對(duì)流換熱系數(shù)分別設(shè)定為11W/(m2稫)和64W/(m2稫);EnergyPlus將其近似處理為定值或者基于溫差等。然而在雨天或者雪天,對(duì)流換熱系數(shù)急劇變化,

可高達(dá)1000W/(m2?/span>K),但是目前很少有軟件考慮這個(gè)問題,并且在有對(duì)流和輻射綜合換熱的時(shí)候,二者的比率很難確定。

    5)熱橋的影響。模擬計(jì)算中為了求解方便,通常將墻體的傳熱簡(jiǎn)化為一維傳熱,而實(shí)際的傳熱中有熱橋,尤其當(dāng)窗墻比較大、窗框的面積較大時(shí),傳熱經(jīng)常是二維、甚至三維的過程。

    6)自然通風(fēng)難以確定。自然通風(fēng)和滲透通風(fēng)在建筑能耗中是很重要的部分,但是目前自釋ǚ緄募撲慊雇Ａ粼詼ㄐ苑治觥：芏噯砑直接由用戶定量設(shè)定自然通風(fēng)量和滲透通風(fēng)量。TRNSYS、COMIS和CONTAM等專業(yè)自然通風(fēng)軟件都留有接口,可以調(diào)用;EnergyPlus也可以調(diào)用COMIS;DeST建立了自然通風(fēng)的復(fù)雜模型。這些專業(yè)自然通風(fēng)軟件本身的精確性還有待驗(yàn)證,而且在實(shí)際使用過程,阻力系數(shù)難以確定。一般在使用過程中,用戶直接設(shè)定通風(fēng)量為定值,沒有考慮自然通風(fēng)和建筑熱過程的耦合作用。

    7)太陽輻射對(duì)建筑物的影響難以確定。太陽輻射對(duì)建筑物的影響示鲇詰乩砦恢謾⑹奔洹⒌匭巍⒉牧稀⒔ㄖ物之間的相互關(guān)系等因素,計(jì)算過程復(fù)雜,通常做了很多簡(jiǎn)化。TRNSYS在計(jì)算時(shí)沒有考慮建筑陰影的影響;DOE22和TRNSYS將溫差傳熱和因玻璃吸收了太陽輻射溫度升高而引起的傳熱分開來處理;EnergyPlus將進(jìn)入房間的直射輻射近似處理為全部到達(dá)地面或者在各個(gè)面之間平均分配。

    8)末端的復(fù)雜性。實(shí)際的暖通空調(diào)中有很多末端,在大型系統(tǒng)中甚至有成千上萬的末端。這些末端形式并不完全相同,形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),高度非線性,彼此之間互相影響,再加上系統(tǒng)和建筑的蓄能作用,軟件很難模擬。DOE22對(duì)它們的模擬只能是近似的使用經(jīng)驗(yàn)公式,很難進(jìn)行全年逐時(shí)動(dòng)態(tài)的模擬;EnergyPlus僅可以模擬比較簡(jiǎn)單的幾個(gè)小型系統(tǒng),無法完成大型系統(tǒng)的計(jì)算;DeST雖然提出了等效末端用戶的概念,將整個(gè)末端等效為一個(gè)等效用戶,但當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)很復(fù)雜且具有很強(qiáng)的非線性時(shí),這種等效是否準(zhǔn)確還有待檢驗(yàn);TRNSYS在理論上講是可以進(jìn)行復(fù)雜的模擬的,但若實(shí)際系統(tǒng)過于復(fù)雜,計(jì)算量很大,幾乎不可操作。

    9)實(shí)際控方式難以模擬。在暖通空調(diào)系統(tǒng)中,控制方式起著很大的作用,同樣的系統(tǒng)在不同的控制方式下能耗的差別很大。實(shí)際系統(tǒng)中不管是主機(jī)、水泵或末端都有各自特有且復(fù)雜的控制方式。目前很多軟件的控制方式比較簡(jiǎn)單,在DOE22、EnergyPlus和DeST中,控制方式偏少,而且由于步長過大,在一些需要反應(yīng)時(shí)間很短、精度要求較高的控制系統(tǒng)中無能為力;TRNSYS雖然在控制方式的模擬方面有很強(qiáng)大的功能,但是其建筑負(fù)荷計(jì)算能力偏弱,精確模擬時(shí)計(jì)算量過大。

    10)模擬過程中很難準(zhǔn)確獲得建筑和暖通空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)。在模擬計(jì)算時(shí),實(shí)際建筑和暖通空調(diào)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)往往為設(shè)計(jì)或者某些特定條件下的參數(shù),而實(shí)際的參數(shù)值往往偏離設(shè)計(jì)值,甚至是變化的。例如:建筑材料的熱物性參數(shù)往往隨著建筑的地理位置、氣候、朝向、使用年限,尤其是濕度等條件發(fā)生很大變化;暖通空調(diào)設(shè)備由于使用年限以及匹配問題往往與實(shí)際設(shè)定的工況偏離很遠(yuǎn)。即使是通過實(shí)地測(cè)量,用戶也只能獲得某一個(gè)時(shí)間段的參數(shù),對(duì)于較長時(shí)間段參數(shù)的獲取幾乎無能為力。

2、主觀原因

    1)在進(jìn)行建筑能耗模擬時(shí),首先要解決的問題就是從實(shí)際問題中抽象出軟件可以接受的模型,并略去對(duì)問題影響不大的因素。很多用戶由于對(duì)專業(yè)問題認(rèn)識(shí)不足,輸入的模型不能反映問題本質(zhì)。即使是模擬中出現(xiàn)了問題也無法分析問題原因,無法確定模擬結(jié)果準(zhǔn)確與否。

    2)沒有采用耦合的模擬計(jì)算方式。暖通空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜性的一個(gè)很重要的原因就是系透叨銳詈稀Ｏ低掣漢剎嗟幕蝗群徒ㄖ室內(nèi)熱環(huán)境,負(fù)荷側(cè)的換熱和地埋管、冷卻塔等源側(cè)的換熱是耦合的,它們是互相影響互相制約的,要準(zhǔn)確地模擬這個(gè)過程就必須在模擬中形成一個(gè)閉環(huán),進(jìn)行迭代運(yùn)算,才可能達(dá)到匹配。DeST在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了系統(tǒng)以及建筑的耦合匹配問題,而EnergyPlus中橢媚Ｄ獾南低潮匭胛閉環(huán)系統(tǒng)。

    3)由于計(jì)算機(jī)模擬的重心已經(jīng)從早期的算法研究轉(zhuǎn)移到應(yīng)用模擬方法上來,所以現(xiàn)在很多用戶關(guān)注的都是軟件的界面,而對(duì)軟件的基本算法、特點(diǎn)和局限性等完全不了解,在使用時(shí)無法選擇合理的軟件,給出合理的輸入和評(píng)價(jià)。比如,DeST等軟件在計(jì)算時(shí),都假設(shè)系統(tǒng)是線性的,它無法處理相變墻體、變物性材料等非線性問題。如果用戶不了解這些當(dāng)然會(huì)得出不合理的結(jié)果。

    4)在模擬過程中,很多用戶都發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算的負(fù)荷結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)手冊(cè)中給出的值有差異,且往往是模擬的結(jié)果偏小。主要原因包括3方面,首先,標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)手冊(cè)和模擬軟件的負(fù)荷計(jì)算理論有很大的不同。前者的負(fù)荷計(jì)算方法一般是采用類似度日數(shù)法等穩(wěn)態(tài)、靜止的計(jì)算方法,沒有考慮歷史的影響,后者一般使用的都是動(dòng)態(tài)的方法。其次,標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)于滲透通風(fēng)等采用了近似的方法,而軟件采用復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算方法。第三,氣象參數(shù)的影響。模擬軟件一般采用典型氣象年數(shù)據(jù),其本質(zhì)上是平均概念的氣象參數(shù),而標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)手冊(cè)采用的是累年不保證多少天的數(shù)據(jù),本質(zhì)上是極端條件,的氣象參數(shù)。

二、 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的匱乏

    基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)于建筑能耗模擬是十分重要的,而在我國,氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫、材料熱物性數(shù)據(jù)庫以及設(shè)備在多工況下的數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還是很缺乏的,這給模擬帶來了很大的困難。

    1)氣象參數(shù)對(duì)于能耗模擬是非常重要,同樣一項(xiàng)節(jié)能措施,由于地域的不同、氣象參數(shù)的不同,可能結(jié)果差異很大,甚至完全相反。我國由于各種原因,目前還沒有自己完整全面的氣象數(shù)據(jù)庫,一般使用美國的典型氣象年數(shù)據(jù)。通常認(rèn)為,典型氣象年數(shù)據(jù)的溫濕度等參數(shù)是比較準(zhǔn)確的,而太陽輻射的數(shù)據(jù)被很多用戶認(rèn)為不太可靠。而且該數(shù)據(jù)是1960~1991年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,近年來由于全球氣溫變暖,氣象參數(shù)是有變化的。筆者在使用的過程中發(fā)現(xiàn),美國的TMY2數(shù)據(jù)相比我國權(quán)威部門提供的近年來的氣象參數(shù)有一定的差距。

    2)在目前使用的各種軟件中,缺乏我國廣泛使用的建筑材料的完整熱物性數(shù)據(jù)庫,很多用戶只能使用國外的數(shù)據(jù)庫,而國外的建筑材料和我國的是存在差異的,這就影響了模擬計(jì)算結(jié)果的正確性。

    3)設(shè)備在多工況狀態(tài)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足。在模擬過程中,由于很多設(shè)備的運(yùn)行工況很難用理論公式推導(dǎo)出來,只能用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,而現(xiàn)在的很多設(shè)備僅有旒乒た魷碌氖據(jù),沒有多工況下的數(shù)據(jù),這給模擬計(jì)算帶來了很大的困難。有時(shí)不得不假設(shè)設(shè)備為靜態(tài)的,也就不能發(fā)揮模擬軟件動(dòng)態(tài)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)了。

三、缺乏結(jié)合規(guī)范的專業(yè)建筑節(jié)能評(píng)估軟件

    國內(nèi)目前使用的軟件中,僅有PKPM2CHEC等少數(shù)軟件和規(guī)范結(jié)合的較為緊密,而像國外比較著名的COMcheck2EZ那樣的專業(yè)建筑評(píng)估軟件則很少。COMcheck2EZ內(nèi)置了很多ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,可為用戶提供建筑節(jié)能的一致性評(píng)估。

四、建筑能耗模擬軟件和經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)合的不夠

    很多用戶在模擬的時(shí)候,僅關(guān)注能耗的計(jì)算,沒有關(guān)注經(jīng)濟(jì)性分析,有些軟件甚至沒有經(jīng)濟(jì)性分析模塊,而且目前很少有軟件和比較公認(rèn)n壽命周期費(fèi)用分析方法緊密結(jié)合。

三、 建筑能耗模擬軟件的展望

   針對(duì)能耗模擬軟件的n點(diǎn)以及存在的一些問題,我國建筑能耗模擬軟件的發(fā)展應(yīng)考慮如下建議。1)針對(duì)軟件的特點(diǎn)和計(jì)算方法,用戶和軟件設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)實(shí)際模擬時(shí)出現(xiàn)的問題進(jìn)行深刻的交流,加強(qiáng)對(duì)軟件的認(rèn)識(shí)以及對(duì)軟件模擬結(jié)果的客觀評(píng)價(jià)。同時(shí)要了解各種軟件的特點(diǎn),在應(yīng)用過程中,使用多種軟件聯(lián)合解決問題。2)盡快建立自己的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是模擬的前提,而我國目前在這個(gè)方面還是非常落后的。3)加強(qiáng)軟件和規(guī)范的結(jié)合以及開發(fā)具有建筑節(jié)能審計(jì)和評(píng)估的軟件,推動(dòng)建筑節(jié)能的發(fā)展。4)軟件要和經(jīng)濟(jì)性分析緊密結(jié)合。經(jīng)濟(jì)性分析是保證建筑節(jié)能經(jīng)濟(jì)合理性的重要分析手段和工具。