建筑能耗模拟应用中的存在的问题

目前,建筑能耗模拟在建筑节能领域的使用越来越广泛。应用的同时,笔者也发现了很多问题。
1、模拟结果的准确性问题
对于种类繁多、功能齐全的软件,很多用户不禁要问:这些软件模拟的结果可靠吗?它们模拟的结果相互吻合吗?哪个软件模拟的结果最精确?在模拟的过程中,很多用户都发现有时模拟的结果和实际情况不相符,即使模拟一个很简单的建筑,结果也很难说完全正确[9],甚至在完全相同的条件下,使用不同的软件得出的结果有时差别都很大。为什么能耗模拟的结果会不可靠、不准确呢?笔者认为有主观和客观两方面的原因。
1.1客观原因
客观上,由于建筑的热湿过程非常复杂、取决于很多因素,而在实际的计算中,软件设计者根据自身对问题的理解,进行了假设和简化。
1)长波辐射难以确定。建筑热负荷计算过程中,建筑内表面之间、建筑内表面和空气之间、建筑外表面和环境之间的长波辐射是一个非常复杂的过程,为四次方的非线性关系。而且长波辐射联系的对象比较多,角系数难以确定,同时它和围护结构之间的传热是耦合的,计算过程复杂。为了解决这个问题,EnergyPlus忽略了内表面和空气之间的长波辐射;TRNSYS用网络法计算长波辐射,这种方法和使用复合换热系数的计算结果有很大差距;DeST在处理这个问题时考虑了内表面和空气的长波辐射,并将这个问题简化为温差的线性关系,在计算辐射时,将内表面的温度近似认定为293 K,同时近似认为内表面的角系数和面积成比例。
2)建筑内家具、设备和人员的不确定。在实际应用中,建筑室内是不可避免的有家具、设备和人员的,它们都具有蓄热能力。但是在模拟中,用户很难确定它们的具体数目、位置和特性。DeST将家具简化为平板;TRNSYS将它们和空气一起考虑,提出了室内综合热容的概念,但是需要用户确定。由于在模拟过程中很难确定此参数,TRNSYS一般也近似将室内综合热容简化为空气的热容。
3)实际参数的复杂性。在实际建筑和系统中很多参数是不均匀的,并不是单一的状态,而为了模拟的方便,很多软件都采用集总参数法,认定状态均一。比如在各类软件中常设定建筑每个房间的温度为单一值、设备内的参数值一样,这些和实际都是有差别的。
4)对流换热系数难以确定。建筑的对流换热系数取决于很多因素,很多软件为了简化运算将它们取为定值。TRNSYS分别将内、外表面的对流换热系数分别设定为11W /(m2·K)和64W /(m2·K);EnergyPlus将其近似处理为定值或者基于温差等。然而在雨天或者雪天,对流换热系数急剧变化,可高达1 000W /(m2·K),但是目前很少有软件考虑这个问题,并且在有对流和辐射综合换热的时候,二者的比率很难确定。
5)热桥的影响。模拟计算中为了求解方便,通常将墙体的传热简化为一维传热,而实际的传热中有热桥,尤其当窗墙比较大、窗框的面积较大时,传热经常是二维、甚至三维的过程。
6)自然通风难以确定。自然通风和渗透通风在建筑能耗中是很重要的部分,但是目前自然通风的计算还停留在定性分析。很多软件直接由用户定量设定自然通风量和渗透通风量。TRNSYS、COMIS和CONTAM等专业自然通风软件都留有接口,可以调用; EnergyPlus也可以调用COMIS; DeST建立了自然通风的复杂模型。这些专业自然通风软件本身的精确性还有待验证,而且在实际使用过程中,阻力系数难以确定。一般在使用过程中,用户直接设定通风量为定值,没有考虑自然通风和建筑热过程的耦合作用。
7)太阳辐射对建筑物的影响难以确定。太阳辐射对建筑物的影响取决于地理位置、时间、地形、材料、建筑物之间的相互关系等因素,计算过程复杂,通常做了很多简化。TRNSYS在计算时没有考虑建筑阴影的影响;DOE-2和TRNSYS将温差传热和因玻璃吸收了太阳辐射温度升高而引起的传热分开来处理; EnergyPlus将进入房间的直射辐射近似处理为全部到达地面或者在各个面之间平均分配。
8)末端的复杂性。实际的暖通空调中有很多末端,在大型系统中甚至有成千上万的末端。这些末端形式并不完全相同,形成了复杂的网络,高度非线性,彼此之间互相影响,再加上系统和建筑的蓄能作用,软件很难模拟。DOE-2对它们的模拟只能是近似的使用经验公式,很难进行全年逐时动态的模拟;EnergyPlus仅可以模拟比较简单的几个小型系统,无法完成大型系统的计算;DeST虽然提出了等效末端用户的概念,将整个末端等效为一个等效用户,但当实际系统很复杂且具有很强的非线性时,这种等效是否准确还有待检验;TRNSYS在理论上讲是可以进行复杂的模拟的,但若实际系统过于复杂,计算量很大,几乎不可操作。
9)实际控制方式难以模拟。在暖通空调系统中,控制方式起着很大的作用,同样的系统在不同的控制方式下能耗的差别很大。实际系统中不管是主机、水泵或末端都有各自特有且复杂的控制方式。
目前很多软件的控制方式比较简单,在DOE-2、EnergyPlus和DeST中,控制方式偏少,而且由于步长过大,在一些需要反应时间很短、精度要求较高的控制系统中无能为力;TRNSYS虽然在控制方式的模拟方面有很强大的功能,但是其建筑负荷计算能力偏弱,精确模拟时计算量过大。
10)模拟过程中很难准确获得建筑和暖通空调系统的实际数据。在模拟计算时,实际建筑和暖通空调系统的输入参数往往为设计或者某些特定条件下的参数,而实际的参数值往往偏离设计值,甚至是变化的。例如:建筑材料的热物性参数往往随着建筑的地理位置、气候、朝向、使用年限,尤其是湿度等条件发生很大变化;暖通空调设备由于使用年限以及匹配问题往往与实际设定的工况偏离很远。即使是通过实地测量,用户也只能获得某一个时间段的参数,对于较长时间段参数的获取几乎无能为力。
1.2主观原因
1)在进行建筑能耗模拟时,首先要解决的问题就是从实际问题中抽象出软件可以接受的模型,并略去对问题影响不大的因素。很多用户由于对专业问题认识不足,输入的模型不能反映问题本质。即使是模拟中出现了问题也无法分析问题原因,无法确定模拟结果准确与否。
2)没有采用耦合的模拟计算方式。暖通空调系统复杂性的一个很重要的原因就是系统高度耦合。系统负荷侧的换热和建筑室内热环境,负荷侧的换热和地埋管、冷却塔等源侧的换热是耦合的,它们是互相影响互相制约的,要准确地模拟这个过程就必须在模拟中形成一个闭环,进行迭代运算,才可能达到匹配。DeST在设计时就考虑了系统以及建筑的耦合匹配问题,而EnergyPlus中设置模拟的系统必须为闭环系统。
3)由于计算机模拟的重心已经从早期的算法研究转移到应用模拟方法上来[6],所以现在很多用户关注的都是软件的界面,而对软件的基本算法、特点和局限性等完全不了解,在使用时无法选择合理的软件,给出合理的输入和评价。比如,DeST等软件在计算时,都假设系统是线性的[8],它无法处理相变墙体、变物性材料等非线性问题。如果用户不了解这些当然会得出不合理的结果。
4)在模拟过程中,很多用户都发现模拟计算的负荷结果和标准及设计手册中给出的值有差异,且往往是模拟的结果偏小[10]。主要原因包括3方面,首先,标准及设计手册和模拟软件的负荷计算理论有很大的不同。前者的负荷计算方法一般是采用类似度日数法等稳态、静止的计算方法,没有考虑历史的影响,后者一般使用的都是动态的方法。其次,标准及设计手册对于渗透通风等采用了近似的方法,而软件采用复杂的数值计算方法。第三,气象参数的影响。模拟软件一般采用典型气象年数据,其本质上是平均概念的气象参数,而标准及设计手册采用的是累年不保证多少天的数据,本质上是极端条件下的气象参数。
2、基础数据的匮乏
基础数据对于建筑能耗模拟是十分重要的,而在我国,气象参数数据库、材料热物性数据库以及设备在多工况下的数据库等基础数据还是很缺乏的,这给模拟带来了很大的困难。
1)气象参数对于能耗模拟是非常重要的,同样一项节能措施,由于地域的不同、气象参数的不同,可能结果差异很大,甚至完全相反。我国由于各种原因,目前还没有自己完整全面的气象数据库,一般使用美国的典型气象年数据。通常认为,典型气象年数据的温湿度等参数是比较准确的,而太阳辐射的数据被很多用户认为不太可靠[9]。而且该数据是1960~1991年的统计结果,近年来由于全球气温变暖,气象参数是有变化的。笔者在使用的过程中发现,美国的TMY2数据相比我国权威部门提供的近年来的气象参数有一定的差距。
2)在目前使用的各种软件中,缺乏我国广泛使用的建筑材料的完整热物性数据库,很多用户只能使用国外的数据库,而国外的建筑材料和我国的是存在差异的,这就影响了模拟计算结果的正确性。
3)设备在多工况状态时的实验数据不足。在模拟过程中,由于很多设备的运行工况很难用理论公式推导出来,只能用经验数据拟合,而现在的很多设备仅有设计工况下的数据,没有多工况下的数据,这给模拟计算带来了很大的困难。有时不得不假设设备为静态的,也就不能发挥模拟软件动态计算的优点了。
3、缺乏结合规范的专业建筑节能评估软件
国内目前使用的软件中,仅有PKPM-CHEC等少数软件和规范结合的较为紧密,而像国外比较著名的COM check-EZ那样的专业建筑评估软件则很少。COM check-EZ内置了很多ASHRAE标准和规范,可为用户提供建筑节能的一致性评估。
4、建筑能耗模拟软件和经济性分析结合的不够
很多用户在模拟的时候,仅关注能耗的计算,没有关注经济性分析,有些软件甚至没有经济性分析模块,而且目前很少有软件和比较公认的寿命周期费用分析方法紧密结合。
5、建筑能耗模拟软件的展望
针对能耗模拟软件的特点以及存在的一些问题,笔者对我国建筑能耗模拟软件的发展提出如下建议。1)针对软件的特点和计算方法,用户和软件设计人员应针对实际模拟时出现的问题进行深刻的交流,加强对软件的认识以及对软件模拟结果的客观评价。同时要了解各种软件的特点,在应用过程中,使用多种软件联合解决问题。2)尽快建立自己的基础数据库。基础数据是模拟的前提,而我国目前在这个方面还是非常落后的。3)加强软件和规范的结合以及开发具有建筑节能审计和评估的软件,推动建筑节能的发展。4)软件要和经济性分析紧密结合。经济性分析是保证建筑节能经济合理性的重要分析手段和工具。