建筑能耗的计算机模拟技术*
王靖 苏华 杨开明 李太富
（西华大学能源与环境工程系，610039 成都）
摘 要：建筑能耗模拟是建筑节能设计的基础。DOE是知名的建筑能耗模拟软件。本文介绍了DOE的发展、基本结构以及基本语法。给出了一个实例建筑的冷热负荷模拟结果。指出自主开发能耗模拟用的气象数据库是建筑节能的基础工作。
关键词：建筑能耗，计算机模拟，DOE
0 引言
建筑能耗在西方发达国家占社会总能耗的30%以上。自改革开放以来，随着我国城市建设突飞猛进，建筑能耗也十分巨大，达到20%以上，这一比例还将上升。1973年中东石油危机引起西方国家对建筑节能的重视，提高建筑能耗特别是HVAC系统能耗的利用效率一直是主要的挑战之一。我国政府也十分重视建筑节能工作。
建筑节能必须从建筑方案规划、建筑设备系统的设计开始。不同的建筑造型、不同的建筑材料、不同的建筑设备系统可以组合成很多方案，要从众多方案中选出最节能的方案，必须对每个方案的能耗进行估计，这就是建筑能耗模拟技术。一类模拟技术采用静态简化方法，如度-日数法和BIN方法。但是建筑物的传热过程是一个动态过程，建筑物的得热和失热是随时随地随着室外气候条件的变化而变化的，采用静态方法会引起较大误差。建筑能耗不仅仅依赖于维护结构和HVAC系统、照明系统的单独的性能，并且依赖于它们的总体性能。大型建筑非常复杂，建筑与环境、系统以及机房存在动态作用，这些都需要建立模型，进行动态模拟和分析。因此动态计算建筑的采暖和空调能耗以及分析围护结构和采暖空调设备对采暖和空调能耗的影响，是建筑节能设计的必要工作之一。当然，动态的能耗模拟必须以计算机技术为基础。
目前国内外比较流行的能耗模拟软件是DOE，在具体工程和建筑节能规范编制中都有应用。
1
DOE的发展[1-6]
建筑能耗模拟领域的基础性进展几乎都得到美国政府的支助。这些支助来自美国邮政部（POD），能源部（DOE），以及国防部（DOD）。这些支助的成果就是两大公用软件——DOE-2和BLAST。
意识到能耗计算的准确性要求，ASHRAE于1965年成立了能耗委员会，该委员会于1969年更名为能量需求任务组（TGER）。TGER研究了当时其它团体的计算机程序，这些程序都是专用的，因此TGER认为有必要开发公用的计算程序。
1973年石油危机使在建筑能耗分析程序方面的兴趣高涨。TGER认为，全年逐时能耗计算需要包含动态、非稳态计算，需要一种开发逐时气象数据的方法，需要机房设备满负荷及部分负荷下性能的数学表达，需要计算系统周期寿命费用的方法。TGER不写任何代码，只把工作重点放在开发计算的逻辑步骤和算法上。
第一个公用程序是General American Transportation Corporation为POD开发的，并且采用了权系数法。美国航空航天局对该程序进行了改进并改名为NECAP。1976年，劳伦斯伯利里实验室（LBL），Los Almas科学实验室（LASL）和Argon国家实验室（ANL），在加州能量管理委员会（CEC）和ERDA的支助下，联合CCB及其它顾问公司对NECAP进行了升级。他们加入了Total Energy Plant 模拟程序，几个HVAC系统，并引入了建筑设描述语言（BDL）。升级版本被更名为CAL-ERDA。CEC在从LBL得到最终产品后，把它作为官方能耗程序，并更名为CAL/CON。同时，ERDA更名，程序也更名为DOE1.3。LBL在美国能源部DOE支助下，很快发布了DOE1.4，并很快在DOE2.0中修改了程序中中央机房部分。DOE后来的改进包括加入各种HVAC系统以及日光分析。DOE的维护和补充一直由劳伦斯伯利里实验室（LBL）负责，目前版本是2.1E。
DOE应用极为广泛。Windows操作系统流行以后，美国一些公司为DOE开发了Windows版本（http://www.eley.com）,当然这些版本已经商业化了。
1995年，DOE开始了一项新的计划，就是开发EnergyPlus。EnergyPlus融合了BLAST和DOE2的优点。
2
DOE的结构及建筑描述语言（BDL）[7]
2.1
DOE的结构
DOE采用LSPE结构，即包括负荷计算模块、空气系统模块、机房模块、经济分析模块。其流程如图1所示。
负荷模块利用建筑描述信息以及气象数据计算建筑全年逐时冷热负荷。冷热负荷，包括显热和潜热，与室外气温、湿度、风速、太阳辐射、人员班次、灯光、设备、渗透、建筑结构的传热延迟以及遮阳等因素有关。负荷计算采用了权系数法。
空气系统模块利用负荷模块的结果以及用户输入的系统描述信息，确定需要系统移去或加入的热量。该模块考虑了新风需求、系统设备控制策略、送回风机功率以及系统运行特性。
机房模块利用系统模块结果以及用户输入的设备信息，计算建筑及能量系统的燃料耗量和耗电量。该模块考虑了部分负荷性能。
经济模块进行寿命周期分析。输入数据通常包括建筑及设备成本、维护费用、利率等。
2.2 建筑描述语言（BDL）
以上4个模块顺序执行，后面模块要利用前面模块的结果。当然，每次不一定要运行4个模块，这取决于模拟目标，如果只考虑建筑冷热负荷，则可以只运行第1个模块。相应于以上4个模块，DOE有LDL、SDL、PDL以及EDL程序，当然还有1个总控程序BDLCTL。用DOE进行建筑能耗模拟时，除了气象数据保存在单独的文件外，所有的信息，包括地理位置、建筑描述、材料特性，运行班次、设备性能等都组织在1个文件名后缀为inp的文件里。所有的指令、输入信息都用建筑描述语言BDL描写。如果完整进行1次模拟，指令可按图2组织，每个模块中填入相应的指令。
BDL指令格式为：
U-name = Command
Keyword = Value
………
Keyword = Value ..
其中U-name是用户指定的名称，Command是指令类型，它也决定了下面的数据输入，“..”是指令结束符，是必需的。比如，如果定义1个房间的4面墙，其东南西北墙的U-name可以分别指为wall-e、wall-s、wall-w、wall-n，而Command就是WALL，对应于WALL，有X、Y、WIDTH、AZ等定义坐标、宽度以及方位角的关键词。描述其他信息的指令类似。在LDL、SDL、PDL以及EDL模块中，各自有非常丰富BDL指令类型，恕不在此一一介绍。除了输入模拟需要信息的指令外，每个模块的计算结果可以按用户要求通过相应的指令输出。
3
DOE应用
除美国外，DOE在40多个国家都得到采用。我国最近在编制《夏热冬冷地区居住建筑节能标准》时采用了DOE[8]，一些地方节能标准也采用了DOE。作者对重庆某合资汽车空调器公司的行政办公楼进行了冷热负荷模拟。
3.1 建筑概况
该建筑包括接待室、董事室、经理室、后勤办公、财务办公、会议室、资料室、文印室，厨房、食堂、储藏室等。设置空调的房间包括所有办公室、接待室、会议室和食堂。整个建筑共2层，层高3.9米，总面积1560m2，其中空调面积1266m2。用DBL建立的建筑模型如图3所示。
外墙体：材料为白色瓷砖、水泥沙浆、砖、石灰水泥沙浆；厚度分别为0.01、0.02、0.24、0.02米。其中瓷砖导热系数2.91W/m.K，水泥沙浆0.93W/m.K，砖0.87 W/m.K，石灰水泥沙浆0.87 W/m.K。
内墙体：材料为水泥沙浆、砖12、石灰水泥沙浆。厚度为0.02、0.12、0.02米。
楼板：材料为水泥沙浆、钢筋混凝土、石灰水泥沙浆。其钢筋混凝土导热系数1.74W/m2.K
外玻璃窗：单层玻璃钢窗。
屋顶：材料为水泥板、空气层、防水层、水泥沙浆、水泥炉渣、空心楼板；厚度为0.03、 0.18、0.01、0.02、0.07、0.12米。
地面：混凝土。
3.2 运行班次及参数设定
制冷运行期5月~9月。供热运行期为1、2、3、11及12月。每周运行5天，周一~周五。每天运行时间为：办公室和接待室8-18点；食堂中午12-13点；会议室使用时间不确定性大，本文设为每周一的9-12点。
室内设计温度为：冬季20℃，夏季24℃。
人员负荷：显热69 W/人，潜热65W/人。
灯光负荷：接待室60W/m2，办公室40 W/m2，会议室40 W/m2，食堂20 W/m2。
设备负荷：接待室10 W/m2，办公室25 W/m2，会议室10 W/m2，食堂25 W/m2。
人员密度：接待室0.13人/ m2，办公室0.2人/ m2，会议室0.33人/ m2，食堂0.67人/ m2。
3.3 冷热量计算结果
DOE的结果非常丰富，4个模块都可以有相应的结果输出，用户可以根据需要设定输出的内容。可以对每面墙、窗列出逐时负荷以研究建筑的负荷组成，研究窗墙比对能耗的影响。可以列出、房间建筑的逐时负荷，以研究建筑的冷热负荷分布情况。如果不对细节感兴趣，只需要建筑的季节或全年冷热耗量，则可以按月给出结果。建筑师可能只需要考察不同的建筑形式、不同的建筑材料对能耗水平的影响，那么完成负荷计算就够了。而建筑设备工程师可能要考察不同的空调系统、不同的冷热源系统的能耗，那么就要进行其他几部分的计算，并输出相应结果。
限于篇幅，表1只给出了每个月以及全年的冷热耗量和最大负荷（“-”表示采暖负荷和热耗量）。其中最大负荷是在典型气象下得到的，不同于设计负荷，一般不作为设备选型的依据。设计负荷是设计条件下的负荷，具有某种“极端”意味。DOE能计算设计负荷，只需要把设计日参数按一定方式输入程序即可。
|
表1 逐月冷热量 Table 1 Monthly
cooling/heating comsunption |
||||
|
地点 |
月份 |
冷热量 |
最大负荷 |
|
|
MWH |
KW |
|
||
|
重庆 |
1 |
-37.337 |
-85.149 |
|
|
2 |
-29.544 |
-79.010 |
|
|
|
3 |
-22.120 |
-78.545 |
|
|
|
4 |
--- |
--- |
|
|
|
5 |
22.324 |
114.105 |
|
|
|
6 |
27.062 |
127.762 |
|
|
|
7 |
40.016 |
126.368 |
|
|
|
8 |
43.734 |
135.423 |
|
|
|
9 |
25.141 |
119.680 |
|
|
|
10 |
--- |
--- |
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11 |
-19.431 |
-75.693 |
|
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12 |
-35.095 |
-86.236 |
|
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年冷量 |
总158.276 |
最大135.423 |
|
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年热量 |
总-143.527 |
最大-86.236 |
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4
关于气象数据
用DOE进行建筑能耗模拟，一个基本前提是具备所在地区的全年气象数据。DOE需要的逐时气象数据依次包括⑴湿球温度，⑵干球温度，⑶大气压，⑷云量，⑸降雪量，⑹降雨量，⑺风向，⑻含湿量，⑼室外空气密度，⑽室外空气焓，⑾太阳总射强度，⑿太阳直射强度，⒀云类，⒁风速。另外还需要12个月的地面温度数据。实际上以上参数并不完全独立，有的可根据其它参数计算。并且，DOE不一定使用以上全部数据，如果原始资料有辐射数据，则DOE不使用云量、云态、降雨和降雪数据；只有在原始资料缺少辐射数据的情况下，DOE才根据这些数据估计辐射。DOE采用的时间是地区标准时间，对中国而言就是北京时间。
由于种种原因，我国缺乏足够的全年逐时气象数据，因此在编制建筑节能标准时，只能依靠美国的研究机构提供典型年数据（TMY2）。遗憾的是，作者发现[9]，美国提供的TMY2数据在温度方面比较准确，但辐射方面代表性差。其原因可能是原始资料的缺陷或者是气象资料开发者对中国数据的质量控制不严。因此，在采用美国提供的TMY2数据时，必须谨慎，特别是在对辐射负荷所占比例较大的建筑进行模拟时。
经过20多年的发展完善检验，DOE本身的准确可靠性是得到认可的，但是，建筑能耗模拟只能在当地气象条件下进行。由于美国提供的TMY2数据的缺陷，给各地有关机构提出了一个迫切的任务，就是自主开发气象数据库，这是建筑节能的基础工作。
5
结束语
本文介绍了大型建筑能耗模拟软件DOE的发展，基本结构和语法，给出了一个实例的简单模拟结果。DOE功能强大，可以作为我国建筑节能设计的可靠而有力的工具。但DOE所需要的基础气象数据需要改进或自主开发。另外DOE还有一个缺点是界面不是很友好，进行建筑描述输入时比较麻烦，错误检查比较困难，有条件的单位可以通过购买可视化版本或者自行开发来解决这一问题。
参考文献
[1]. J. Max Ayres, Eugene Stamper. Historical development of building energy calculation. Ashrae Transactions:Symposia.95:841-848
[2]. Edward F. Sowell. Douglas C. Hittle. Evolution of building energy simulation methodology. Ashrae Transactions:Symposia.95:850-855
[3]. Gideon Shavit. Short-time-step analysis and simulation of homes and buildings during the last 100 years. Ashrae Transactions:Symposia.95:856-867
[4]. Jeffery D. Spliter, J.D.Ferguson. Overview of the ashrae annotated guid to load calculation models and algorithms. Ashrae Transactions:Research.95(2):260-264
[5]. Tianzhen Hong, S.K. Chou, T.Y. Bong. Building simulation: an overview of developments and information sources. Building and environment. 35(2000):347-361
[6]. Drury B.C Crawley.,Curtis O. Pedersen. EnergyPlus: energy simulation program. Ashrae Journal. April,2000:49-56
[7]. Don A. York, Eva. F. Tucker, Charlence C. Cappiello. DOE-2 reference manual. May, 1981
[8].