建筑運行能耗仿真方案設(shè)計及影響因素分析

于曉諭，汪明，李堯

(山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101)

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建筑運行能耗仿真方案設(shè)計及影響因素分析

于曉諭，汪明*，李堯

(山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101)

隨著城鎮(zhèn)化進程加速，住宅、辦公、商業(yè)等建筑的增多，建筑能耗問題日益受到關(guān)注，建筑運行能耗仿真方案設(shè)計及影響因素分析是優(yōu)化最佳建筑運行參數(shù)的前提和基礎(chǔ)。文章采用山東濟南某高校實驗室的房屋作為基本模型，設(shè)計了建筑運行能耗仿真方案，利用EnergyPlus軟件對實驗房屋進行能耗模擬，通過對比室內(nèi)不同的人員數(shù)量、設(shè)備種類和數(shù)量，室外不同氣候等條件下的房間能源消耗情況，得出房屋能耗模擬數(shù)據(jù)，并對其進行分析，優(yōu)化出了最佳的建筑運行參數(shù)，結(jié)果表明：夏季空調(diào)溫度設(shè)定在27 ℃較為適宜；冬季供暖溫度保持在18 ℃較為適宜；就餐休息時間選擇停止運行空調(diào)和電腦等設(shè)備可以節(jié)約能耗大約20%；面積為48 m2的房屋容納人數(shù)最多為7人。

EnergyPlus；建筑能耗；能耗對比

0　引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，住宅、辦公、商業(yè)等建筑日漸增多，建筑能耗問題越來越突出。無論是在建筑的建設(shè)過程還是使用過程中，能源的消耗都比較高[1]。據(jù)統(tǒng)計，每年的新建建筑中有80%以上為高能耗建筑[2]。與同等氣候條件下的發(fā)達國家相比，單位建筑面積的建筑能耗高出近2～3倍[3]。甚至在一些發(fā)達城市，建筑的能源消耗使城市出現(xiàn)了拉閘限電的現(xiàn)象[4]。

目前對建筑能耗的研究集中于相應(yīng)的建筑硬件設(shè)施的基礎(chǔ)研究，缺少對影響因素與能耗之間內(nèi)在聯(lián)系的研究。李越銘等針對空調(diào)系統(tǒng)能耗方面進行了空調(diào)三聯(lián)供系統(tǒng)的模擬，分析其節(jié)能性、經(jīng)濟性等情況，并通過EnergyPlus對三聯(lián)供系統(tǒng)全年運行情況進行模擬和分析，得出聯(lián)供系統(tǒng)適合用于電價較高的商業(yè)建筑和非工業(yè)建筑，而不適用于電價較低的民用建筑[5]。周靜娜利用EnergyPlus進行建筑物墻體材料的能耗模擬，得出材料的厚度對建筑物能耗的影響情況[6-7]。Liu等對各類建筑物的空調(diào)能耗模擬得出房屋空調(diào)運行的最佳策略[8-9]。谷炳龍利用EnergyPlus優(yōu)化算法來對建筑物的能源消耗狀況進行模擬，優(yōu)化建筑參數(shù)，達到最優(yōu)的效果[10]。Nouidui等利用模擬軟件進行能耗模擬的研究多數(shù)在于建筑物的某一方面，研究并得到建筑物的能耗模擬方法，并作為輔助工具來完成對建筑設(shè)備的設(shè)計配置[11]。

文章以實驗房間為研究對象，通過EnergyPlus能耗模擬軟件，設(shè)定房間建筑參數(shù)，研究不同影響因素情況下的不同能耗情況，從建筑能耗仿真系統(tǒng)的方案設(shè)計和能耗的模擬及優(yōu)化兩大模塊進行詳細的能耗數(shù)據(jù)對比分析，比較不同情形下的建筑物的能源消耗情況，得出建筑能源消耗與各種影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，分析出滿足人們舒適度高、建筑能耗低的建筑運行策略，以期為建筑設(shè)計提供良好的數(shù)據(jù)支撐。

1　建筑運行能耗仿真方案設(shè)計

1.1建筑運行能耗仿真模擬方案理論

本方案采用山東濟南某高校實驗室的房屋作為基本模型，經(jīng)過能耗模擬分析觀察房間的能源消耗情況，來選擇最優(yōu)的房間系統(tǒng)運行方案。本方案側(cè)重于通過模擬各種不同參數(shù)值的改變來比較出能源消耗的情況，使人們能夠選擇比較有利的建筑建設(shè)和設(shè)備配置方案。在模擬之前首先對房屋內(nèi)的人員、設(shè)備、空調(diào)等參數(shù)的情況進行實際的調(diào)查，總結(jié)出實際能耗變化情況。

方案設(shè)計主要是從房間的人員數(shù)量、夏季空調(diào)溫度設(shè)定值、冬季溫度設(shè)定值、外界天氣狀況、設(shè)備運行時間等方面的變化來對建筑物的各個系統(tǒng)進行能耗分析，優(yōu)化出最優(yōu)的建筑運行策略，達到既節(jié)能又高舒適度的目的。

1.2模擬方案設(shè)計步驟

(1) 利用sketchup軟件里的插件Openstudio繪制EnergyPlus區(qū)域里實驗室房間的建筑模型，保存為.idf格式的文件，作為EnergyPlus的輸入文件。實驗室房間建筑占地面積為48 m2，由四面墻、天花板、地面樓板組成，墻高為3 m，南面墻上開窗面積為1.2 m2，門的面積為2 m2，墻外是約兩米寬的走廊，與外界以半實體墻半玻璃幕墻相隔，北面墻上開窗面積為8.25 m2，房間位置為西偏南30 °。窗玻璃采用玻璃厚度為3 mm，中間氣體厚度為6 mm的雙層玻璃，門采用金屬材質(zhì)的防盜門。主要功能以辦公為主。實驗房間模型為800 mm×600 mm×300 mm，南面墻上有1500 mm×800 mm的窗戶和1000 mm×2000 mm的防盜門，北面墻上是5500 mm×1500 mm的窗戶。房屋視圖如圖1所示。

圖1　房屋透視圖

(2) 房間建筑模型在Idf Editor里進行進一步的編輯，設(shè)置房屋內(nèi)的人員、設(shè)備、燈、空調(diào)等數(shù)據(jù)參數(shù)值。房間內(nèi)初步設(shè)計節(jié)能燈九盞，功率為50 W，臺式電腦七臺，功率為220 W，空調(diào)功率為1200 W。空調(diào)系統(tǒng)采用變風量空調(diào)系統(tǒng)制冷，變風量空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)室內(nèi)負荷變化或室內(nèi)要求參數(shù)的變化，保持恒定送風溫度，自動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的送風量，從而使室內(nèi)參數(shù)達到要求的全空氣空調(diào)系統(tǒng)。夏季空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置溫度為25 ℃，冬季室內(nèi)設(shè)置溫度為20 ℃，冬季設(shè)計日選擇1月21日，夏季設(shè)計日選擇7月21日，運行區(qū)間由1月1日至12月31日，人均面積為7 m2。

(3) 選擇濟南當?shù)氐奶鞖鈪?shù)，對編輯好的建筑模型在相應(yīng)的天氣條件下進行模擬。進入EnergyPlus軟件的官方網(wǎng)站，在天氣數(shù)據(jù)下載欄里選擇需要的地點的天氣數(shù)據(jù)，即可下載格式為.ewp的天氣文件。本設(shè)計方案采用的是山東省濟南市的天氣狀況來對房間的能耗狀況進行模擬分析計算。

(4) 導(dǎo)出模擬結(jié)果，對實驗室房間的能耗進行決策優(yōu)化處理，分析出建筑的運行策略。

1.3能耗仿真軟件

現(xiàn)在比較流行的建筑能耗仿真軟件主要有DOE-2、BLAST、TRNSYS、DEST等，每個軟件都有各自獨特的方面。本系統(tǒng)采用由美國能源部和勞倫斯·伯克利國家實驗室共同開發(fā)的一款建筑能耗模擬軟件EnergyPlus進行建筑模擬。EnergyPlus主要用于建筑能量模擬與負荷計算的，是在軟件BLAST和DOE-2基礎(chǔ)上進行開發(fā)的，吸收了BLAST和DOE-2的優(yōu)點并且具有許多新的功能[12]。

OpenStudio是由美國可再生能源實驗室(NREL)開發(fā)的基于EnergyPlus進行能耗分析，基于Radiance進行采光分析的建筑整體分析軟件[13]。OpenStudio是基于sketchup建筑軟件的基礎(chǔ)上對EnergyPlus進行建模[14]，可以方便的使用sketchup的三維建模工具，以實際建筑實測參數(shù)為標準，繪制建筑的基本結(jié)構(gòu)圖，創(chuàng)建EnergyPlus的輸入文件模型。

EnergyPlus是一個能耗分析負荷計算軟件，調(diào)用輸入文件模型進行建筑物理特征和相關(guān)設(shè)備的參數(shù)的輸入，創(chuàng)建建筑模型。軟件能夠計算得到所有設(shè)定條件下的冷熱負荷，并且能夠得出空調(diào)冷熱源和末端風機等設(shè)備的具體能耗。EnergyPlus采用集成同步的負荷/系統(tǒng)/設(shè)備的模擬方法，在計算負荷時，用戶可以定義<1 h的時間步長；在模擬系統(tǒng)中，時間步長自動調(diào)整，以加快收斂。EnergyPlus采用熱平衡法模擬負荷，用CTF模擬墻體、屋頂、地板等的瞬態(tài)傳熱，用三維有限差分土壤模型和簡化的解析方法對土壤傳熱進行模擬，用聯(lián)立的傳熱和傳質(zhì)模型對墻體的傳熱和傳濕進行模擬。通過先進的窗戶傳熱的計算，可以模擬包括可控的遮陽裝置、可調(diào)光的電路玻璃等。源代碼開放，用戶可以根據(jù)自己的需要加入新的模塊或功能。EnergyPlus與一些常用的模擬軟件鏈接，如Window5、Coms、Trnsys、Spark等，以便用戶對建筑系統(tǒng)做更詳細的模擬。它可以對建筑物的材料、通風、供暖、空調(diào)等系統(tǒng)的能耗情況進行模擬分析[15]。

2　建筑運行能耗主要影響因素分析

測試房間為學生實驗室房間，經(jīng)過實際調(diào)研，學生每天按時打卡上下班，房屋內(nèi)的人員數(shù)量基本是規(guī)律性的。在對測試結(jié)果影響極小的情況下，個別情況可按人員流動的正常規(guī)律認定。人員活動的時間表如圖2所示。

圖2　房屋人員數(shù)量隨時間變化圖

房間內(nèi)電氣設(shè)備有電腦、空調(diào)，一種設(shè)備運行模式是早上8點上班到晚上10點下班時間設(shè)備持續(xù)運行，另一種設(shè)備運行模式是上班時間持續(xù)運行，休息時間則停止運行。運行時間表如圖3、4所示。

圖3　房屋設(shè)備持續(xù)運行時間圖

圖4　房屋設(shè)備間歇運行時間圖

2.1夏季空調(diào)溫度對能耗的影響

保持房間人數(shù)，燈的數(shù)量，天氣狀況不變的情況下，冬季溫度設(shè)定20 ℃，改變夏季空調(diào)設(shè)定溫度值觀察建筑能耗變化。能耗模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5　能耗隨設(shè)定溫度改變的變化圖

隨著設(shè)定溫度的升高，夏季空調(diào)能耗逐漸降低，每升高1 ℃，能耗降低大約4%。現(xiàn)代辦公建筑夏季空調(diào)溫度設(shè)置在25～27 ℃之間人們舒適感比較好，低于25 ℃會使人有寒冷的感覺，高于27 ℃起不到降溫涼爽的作用，過高或過低的溫度不僅對身體不利而且還需消耗更多的能源，合理的設(shè)定夏季空調(diào)的溫度值是很有必要的。結(jié)合夏季人們舒適性和能耗低的要求，夏季空調(diào)溫度設(shè)定在27 ℃較為適宜。

2.2冬季溫度變化對能耗的影響

保持房間內(nèi)人數(shù)、燈的數(shù)量、天氣狀況不變，夏季空調(diào)溫度設(shè)定27 ℃，改變冬季溫度設(shè)定值觀察建筑能耗變化。能耗模擬結(jié)果如圖6所示。

冬季，隨著室內(nèi)溫度要求的升高，供暖能耗逐漸的上升，每升高1 ℃，多消耗能量大約13%。冬季室內(nèi)溫度在18～20 ℃之間人們的感覺較為舒適，低于18 ℃達不到冬季供暖的效果，高于20 ℃會使人感到煩悶，且浪費能源。結(jié)合人們的舒適性和能耗低的要求，冬季供暖溫度保持在18 ℃比較適宜。

圖6　能耗隨設(shè)定溫度的改變的變化圖

2.3設(shè)備運行時間對能耗的影響

現(xiàn)代建筑辦公室在中午和晚飯時間期間，空調(diào)、電腦等設(shè)備一般持續(xù)運行，這樣大大的浪費了能源，在休息時間關(guān)閉設(shè)備在能源的節(jié)約上起著很大的作用。我們可以讓電腦、空調(diào)等設(shè)備在休息時間停止運行，關(guān)閉電燈，按照圖4所示運行。觀察能耗情況與圖3運行的能耗的大小情況，見表1。

表1　能耗對比表

就餐休息時間選擇停止運行空調(diào)和電腦等設(shè)備可以節(jié)約能耗大約20%，在大力倡導(dǎo)節(jié)能的今天有很大的影響作用。由于中午的休息時間過長，在下午開始工作時有可能房間內(nèi)的溫度變化到與室外相差不多，這樣在突然進入室內(nèi)人們可能會有輕微的不適感，可以采取在上班開始前10 min開啟設(shè)備運行，增強人們的舒適感和能源的低能耗使用。如果中午休息時間的人員待在辦公室則不適合關(guān)閉設(shè)備。

2.4房屋內(nèi)人員數(shù)量對能耗的影響

冬季溫度設(shè)定18 ℃，夏季溫度設(shè)定27 ℃，天氣狀況采用山東省濟南市，改變房間內(nèi)的人員數(shù)量，按設(shè)備運行時間表B運行，觀察房屋內(nèi)的能耗變化情況,如圖7所示。

隨著房間內(nèi)人數(shù)的增多，夏季空調(diào)的能耗呈上升趨勢，屋內(nèi)每增加1人，房屋的能耗大約增加1 %。而冬季供暖能耗逐漸開始呈下降趨勢，當人數(shù)達到7人時，冬季供暖能耗最低，人數(shù)超過7人時，能耗呈上升趨勢，因此面積為48 m2的房屋容納人數(shù)最多為7人，全年能耗消耗的最小。

在實際條件下，房屋內(nèi)的人員流動性比較大，辦公室里7個人可能不全是一直待在辦公室，實際能源消耗的可能更少。

圖7　能耗隨人數(shù)改變的變化圖

2.5天氣狀況對能耗的影響

冬季溫度設(shè)定18 ℃，夏季溫度設(shè)定27 ℃，房間內(nèi)的人員數(shù)量為7 人，按圖4所示運行。以上采用濟南當?shù)氐奶鞖馇闆r對建筑的能耗與人員、設(shè)備的關(guān)系進行分析，給出濟南建筑的運行策略。EnergyPlus固定的某地的天氣參數(shù)不能直接改變，我們利用不同地域的天氣狀況不同來模擬不同的天氣狀況，觀察不同天氣情況下房屋的能耗與人員、設(shè)備等因素的變化情況。如圖8所示。

圖8　能耗隨不同地點天氣變化圖

由圖8中可以看出，緯度較高地區(qū)消耗的能量較高且主要是冬季供暖的能量消耗，緯度較低的地區(qū)天氣炎熱時間較長，空氣相對比較潮濕，能量消耗的來源主要是夏季空調(diào)的能量消耗。中部地區(qū)的消耗雖然不盡相同，但是在全年的總能源的消耗是相近的。

3　結(jié)論

研究以北方地區(qū)濟南當?shù)氐慕ㄖ块g為實驗對象，通過人員、設(shè)備、氣候等與能耗的分布關(guān)系，對實驗房間的能耗進行了分析處理。經(jīng)過模擬數(shù)據(jù)的分析處理，找到了諸多因素與建筑運行能耗之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。結(jié)果表明：(1) 隨著設(shè)定溫度的升高，夏季空調(diào)能耗逐漸降低，每升高1 ℃，能耗降低大約4%，夏季空調(diào)溫度設(shè)定在27 ℃較為適宜；(2) 冬季隨著室內(nèi)溫度要求的升高，供暖能耗逐漸的上升，每升高1 ℃，多消耗能量大約13%，冬季供暖溫度保持在18 ℃比較適宜；(3) 就餐休息時間選擇停止運行空調(diào)和電腦等設(shè)備可以節(jié)約能耗大約20%；(4) 面積為48 m2的房屋容納人數(shù)最多為7人。

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(學科責編：李雪蕾)

Analysis of program design and influencing factors of building operation energy simulation

Yu Xiaoyu，Wang Ming*，Li Yao

(School of Information and Electronic Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

Abstract： Along with the acceleration of urbanization process, there are the increasing number of residential, office and commercial buildings, and building energy consumption problem is acctracting more and more attention. The analysis of program design and influencing factors of building operation energy simulation is the premise and foundation of best construction operation parameters optimization. The article adopts a university laboratory building as the basic model in Jinan city, Shandong Province to design building energy consumption simulation scheme, By uses EnergyPlus to simulate the experiment building energy consumption, and by comparing the energy consumption in different indoor personnel, equipment type and quantity, outdoor different climate, and through the data processing analysis, optimizes the construction operation parameters. The results show: the air conditioning temperature set in 27℃ is more appropriate in summer; The heating temperature kept at 18℃ is more appropriate in winter; energy consumption can save about 20% if stopping running air conditioning and computer equipment during dining rest time There were at most seven people in a room of 48 m2.

EnergyPlus; building energy consumption; energy consumption contrast

2015-10-21

國家自然科學基金(61273326)；山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2013DX018)；山東省高校科技發(fā)展計劃項目(J11LG16)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學技術(shù)項目(2011-K1-18)

于曉諭(1991-)，男，在讀碩士，主要從事建筑設(shè)備智能化與能效管理方面的研究. E-mail：yxycxm@163.com

*：汪明(1976 -)，男，副教授，博士，主要從事智能控制、建筑節(jié)能方面的研究. E-mail：xclwm@sdjzu.edu.cn

1673-7644(2016)02-0148-05

TP391.9

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