建造节能系统发展近况思索范文

作者：樊瑛单位：中国建筑科学研究院上海分院

目前，国内主流的建筑节能软件有中国建筑科学研究院开发的PBECA、清华斯维尔THS-BECS与天正建筑节能软件TBEC共三款软件。本文将在国外建筑能耗模拟软件综述的基础上，对国内建筑节能软件的现状以及发展中遇到的障碍或瓶颈进行深入分析。

国外建筑能耗模拟软件综述

建筑能耗模拟软件已发展了40余年。第一代建筑能耗模拟软件是基于在设计手册中就可以找到的解析方程式进行开发的；第二代基于简化动态模型；第三代采用数值计算方法，可实现建筑的声、光、热等热工性能的部分融合；第四代完全综合了建筑的声、光、热等多方面的模拟功能。从第一代到第四代，模拟结果逐渐接近建筑能耗的实际情况，但同时，使用起来更加复杂，在专业方面，对软件使用者也提出了更高的要求。

1暖通空调系统设计与分析软件

1.1能耗分析

基于建筑与系统热性能的一系列方程式，在给定的边界条件、运行策略以及控制策略下，这些软件可进行逐时，甚至逐分的模拟。常用于分析系统在满负荷和部分负荷工况下、不同系统运行策略以及设计方案下的系统能耗情况。具有这些功能的软件有Carri-erHAP、TraneTRACE700、DOE-2、eQUEST、Energy-Plus、ESP-r、IDAICE、TRNSYS、HVACSIM+、VA114以及SIMBAD等。

1.2系统优化

系统优化常与系统性能分析软件结合使用，如通用优化软件Genopt，其与TRNSYS软件相结合可实现对系统进行优化，非常方便。

1.3系统控制分析与优化

在目前可用的软件中，系统控制的模拟水平存在很大的差异。(1)控制器可以用管理控制模型，如在EnergyPlus、TRNSYS以及ESP-r中，常采用简单的本地控制模型。(2)在基于MATLAB的工具SIMBAD，与MAT-LAB耦合的工具ESP-r以及TRNSYS中采用了更高级的控制器，比如模糊逻辑控制器。

1.4系统实时性能优化

在建筑运行阶段，运用模拟软件的好处仍未进行充分研究。目前，模拟软件可实现以下功能：(1)调试诊断：验证整个建筑、系统以及各组成设备的性能。(2)监控诊断与故障检验诊断：检验、分析、定位以及预测每日运行过程中系统与设备存在的问题。(3)仿真一个建筑及其暖通空调系统：模拟建筑的响应以及该建筑内的暖通空调系统对能源管理系统命令的响应情况。

2建模方法

2.1暖通空调系统组件的建模方法

对于大多数建筑与系统性能模拟模型而言：(1)其状态是连续的，因为模型变量的范围用实数或者区间来表示。然而，一些模型的状态假定是离散值，因此，为离散状态模型。(2)其时间是离散的。如果模型的状态是连续的而时间是离散的，那么该模型可用差分方程式来描述。(3)具有确定性。然而，也可以采用随机模型。(4)是时变的，因为在不同时间段相互作用规则是不同的。(5)其可用于静态和动态的分析。(6)正向的。所谓正向模型指的是基于已知结构与已知参数，来预测的输出变量。逆向模型往往更加简单。所谓逆向模型指的是组件的输入与输出变量已知，目的是确定数学描述且评估系统参数。通常在故障检验与诊断时，才能用到此种模型。

2.2HVAC控制的模拟方法控制器分为两类，本地控制与管理控制。

(1)本地控制：允许HVAC系统适当运行以及提供足够服务的低水平控制器。本地控制可进一步分为时序控制与过程控制。时序控制(SC)定义了设备开关的顺序，即在什么情况下开启，在什么情况下关闭。典型的时序控制器依次为制冷机时序控制器、冷却塔时序控制器、水泵时序控制器以及风扇时序控制器等。过程控制(PC)用于调整控制变量以满足根据扰动所需求的设定点，并且考虑系统动态特征。在HVAC领域常用的典型过程控制器为P、PI、PID、ON/OFF、步长控制器等。

(2)管理控制：完全考虑了系统水平特征与组件间以及与组件相关的变量之间的相互作用的高水平控制器。比如：一个管理控制器设定运行模式以及为本地控制设定点。从建模的角度，控制器用方程式来表达。此方程式必须满足每个模拟步长。控制器指导建筑与系统以及系统内各组件之间的相互作用。

事实上，闭环的本地过程控制的传感器可从一个可测量的变量获得抽样。基于设定点数值以及可测量的数值，根据控制器指定的控制算法，控制器计算控制信号，该控制信号可以向实际的执行机构提供信号。然而，在模拟中，用户可以说明在实际中不能被感应或调解的变量。比方说，一个模型调节器可以直接调节一个模型里的热流量，然而，在实际中，这个只能通过改变阀门位置来实现。由于在实际工程中许多变量无法获得，比如冷热负荷。然而，在模拟中，可以进行理想的控制。比如，可以根据负荷的变化来控制制冷机、冷却塔等的运行时间。

2.3HVAC系统的模拟方法

HVAC系统的模拟方法分为四类：

(1)纯概念的系统建模方法：仅考虑房间过程，一次系统与二次系统中的所有其他过程均视作理想过程。比如，用房间冷热负荷去确定所需要的HVAC系统的大小。当前，大多数的建筑性能软件工具均采用此方法来模拟系统。

(2)基于系统的模拟方法：用预先已定义好的通用系统类型，如VAV、CAV系统。这些模拟方法在DOE-2(见图1)、eQUEST、BuildingEnergyAnalyzer、BLAST、DesignBuilder、HAP等中采用。用户可以按照自己的需要来设定容量、系统流量、效率、系统组件特征，但是系统配置和控制策略不能改变，只能在工具中预设。

(3)基于组件的系统模拟方法：用相互连接的组件模型来模拟系统。与上述方法相比，在系统配置以及控制策略方面，此方法更加灵活。

(4)基于方程式的系统模拟方法：一个系统用一个基本的模拟单元表示。该方法的模拟单元比组件要小。基于方程式的模拟工具具有自由的输入与输出、模块化、分等级的、通用的等特征。基于方程式的模拟工具有：①SPARK(SimulationProblemAnalysisandResearchKernel)：面向对象的模拟环境，基本的对象是一个方程式，由LawrenceBerkeley实验室开发的。②EKS(EnergyKernelSystem)：在ESP-r模拟环境中进行，英国开发。③NMF(neutralmodelformat)：基于差分算法方程式，为许多现有与正在出现的模拟工具提供了通用模型表达式。

2.4系统模拟模型的计算方法

模拟工具采用的计算方法的不同主要在于积分器的应用方法的差异。系统模拟模型的计算方法包括以下3种：

(1)同时模块算法：各组件由一个共同的积分器来同时计算。每个组件用时间平均的离散化热质平衡描述，其联合起来形成系统矩阵，对于每个模拟时间步长，可同时解决，用隐性的或者显性的或者混合的数值算法。

(2)独立模块算法：每个模块被提供了单独的积分器计算。组件的模块包含与组件的模拟模块设定与执行相关的所有信息。每个组件被顺序进行，系统求解器重复计算直到找到收敛解。

(3)基于方程式的算法：伴随着基于方程式工具的发展，该算法在近些年也出现了。用这些工具组成的模块不能直接执行。在执行时，一个模块需要被转化为程序语言。

国内建筑节能软件现状

国内有代表性的建筑节能软件为中国建筑科学研究院开发的PBECA、清华斯维尔THS-BECS与天正建筑节能软件TBEC。表1对此三款软件进行了比较。从表1可看出，此三款软件均基于相同的平台与引擎。另外，该三款软件的工作流程也是相同的，依次为工程信息设置、图形导入建模、围护结构热工性能设置、节能分析与结果输出。显然，这三款软件内核以及开发思路均是相同的，只是在软件的界面以及一些细节的处理方面有所不同，比如表1中所列建模过程中的图形导入处理方式的差异是其最大的不同。

1对应标准的开发模式

以DOE作为引擎，DOE是基于系统的模拟工具，即软件能够模拟的系统形式均是预先设定的。而国内建筑节能软件的开发目标主要是为了满足我国的公共建筑和居住建筑的节能审查，具体而言，主要是用来进行建筑节能计算。软件中，暖通空调系统是内置的，界面上没有关于系统的模块。内置系统也完全是按照我国当前居住建筑节能标准以及公共建筑节能标准来设定的。

以公共建筑节能计算为例，现行GB50189—2005《公共建筑节能设计标准》提出的50%的节能目标所基于的基准建筑是按照我国20世纪80年代传统做法，对围护结构热工参数、冷热源机组能效比以及照明参数均作出规定。并且在围护结构热工性能的权衡计算中假设所设计建筑和参照建筑空气调节和采暖都采用两管制风机盘管系统。即国内建筑节能软件的设置完全是对应国内节能标准的，仅是为了工程应用而开发的。对应标准的开发模式无法避免的问题是软件开发工作的低水平重复。一旦国家节能标准或地方节能标准修订了，那么软件也要做相应的重复开发工作。

2模块开发

通常，建筑能耗模拟软件由负荷模拟模块、系统模拟模块、设备模拟模块以及费用模拟模块共4个主要模块组成。对于国内的建筑节能软件，实质上不完全属于建筑能耗模拟软件，而完全是为了满足市场需求开发的，且仅是针对工程应用的一种工具。市场需求加外部政策的扶持，促使这些软件有不错的市场空间。

然而，目前国内建筑节能软件系统、设备及费用模块不够成熟。事实上，若要完全独立开发系统模块，短时间内很难开发成功。关于系统能耗模拟的软件，有主要用于研究的TRNSYS软件，它是基于组件开发的，功能非常强大，应用也非常灵活。还有DOE系列的VisualDOE、Equest等，其系统类型都是预先设定好的。在国内建筑节能软件系统开发方面，可参考DOE来进行即可满足工程需求。同时，也可把注意力投向较新的领域，如太阳能光热、光电系统、水源热泵系统等可再生能源系统。另外，建议增加经济、环境评价模块。

3软件定位决定了软件发展空间

国内软件定位于工程应用，所以其发展将会遇到瓶颈，很难从工程应用转化到科学研究，这样就导致国内建筑节能软件一直遵循基于国外的成熟的开发成果，与国内标准相结合的开发模式，缺少了创新性的自主开发。即使定位于工程应用，国内建筑节能软件开发也有许多需要进一步完善的内容：

3.1界面的完善

以PBECA软件为例，界面分为初步、施工、竣工以及运营阶段。不同阶段下显示出了相同的模块，这种界面会让用户产生以下疑问：①怎么到了运营阶段，还进行负荷计算分析与焓湿图计算呢？②不同阶段的相同模块功能有什么不同呢？事实上，不同阶段的相同模块具有相同的功能。建议不要按阶段划分，直接列出各个模块或许更好，用户可根据自己的需求来选择模块。

3.2材料编辑需要改善的细节

在材料编辑中，对于用户来说，保温材料的修正系数的输入是件很麻烦的事情，建议软件可根据输入的保温材料名称以及围护结构的类型直接产生修正系数，从而减少修正系数输入工作量。对于材料库中没有的保温材料的信息，系统可自动给出修正系数的推荐值。

3.3节能软件对于建筑专业方案阶段的支持

建筑专业在设计方案确定后，用节能软件计算节能率是否满足要求。如果结果不满足业主或标准的要求，目前节能软件不会对设计者在方案设计方面提供任何帮助。关于此点，提出两点建议：

(1)建筑专业可同时输入多种设计组合方案；软件可以显示出不同方案的围护结构热工性能；软件可以同时计算出几种方案的节能率、成本等。当然，对于建筑专业做节能计算报告书时，只关注节能率，但是成本业主会关注，通过设置实现选择输出。

(2)建筑专业将自己的初步方案输入软件计算节能率，如果不满足要求，软件可以提供多种可能的解决方案。方案需具体到选用材料的类型、厚度等，而不是宏观性的指导。如此，该软件对建筑专业的节能设计工作将会带来很大帮助。

结语

国外软件发展成熟有序，国内建筑节能软件仅定位于工程应用。基本思路是利用国外软件的内核，结合国内标准，进行开发，此种模式限制了国内建筑节能软件的定位，从而对软件开发应用领域有所限制。缺乏原始创新。另外，当前国内节能软件，也需要从界面、材料编辑、对建筑专业方案阶段的支持等方面进行一些改善。