1、摘要：隨著我國經濟的快速發展，能源供需緊張狀況也日益嚴重，我國目前建筑 消耗的能源已經占全國商品能源的21% 24%。隨著城市化程度的提高，第三 產業比例的增大，建筑能耗的比例會繼續提高。但是能源供應量的增長速度滯后 于經濟的發展速度，能源緊張必將制約經濟的可持續發展。因此，節約能源和開 發利用可再生能源，勢在必行。目前，在緩解經濟發展與能源短缺矛盾的各種途 徑中，建筑節能被認為是最直接有效的方式。建筑節能是我國可持續發展戰略的 一個重要組成部分，辦公建筑由于其能耗比較高、節能潛力大更是建筑節能的重 點。建筑設計過程的節能考慮十分重要，建筑能耗模擬也正對建筑設計過程中的 節能決策發揮著越來越重

2、要的作用。在這種背景下，建筑能耗模擬技術作為建筑 節能設計中強有力的工具，得到了前所未有的重視。關鍵詞：建筑能耗、模擬軟件、能耗模擬與分析的應用隨著國民生活水平的提高，建筑總量的大幅增加，人們對居住的舒適度要求 也提高，相應的建筑能耗急劇增大，建筑能耗已經與工業能耗、交通能耗并列成 為我國能源消耗的三大“耗能大戶”。而熱水供應能耗約占全社會總能耗的30%， 其中最重要的是采暖和空調，其占到建筑能耗的65%、而熱水供應能耗占建筑能 耗的15%.根據建設部推算，如果不推行建筑節能或綠色建筑，到2020年，我國 建筑的能耗要達到11億噸標準煤，也就是現在我們建筑能源的3倍以上，那時 我國也就成為碳排

3、放量最大的國家。相反，如果城鎮建筑全部達到節能標準，每 年將節省3.35億噸標準煤；空調高峰負荷將減少8000萬千瓦，相當于我國國家 從1998年到2002年五年新增電力容量的總和，或4.5個三峽大壩的發電量。在 建筑的全生命周期里，建筑材料和建造過程中所消耗的能源一般只能占到其總的 能源消耗的20%左右，大部分能源消耗則發生在建筑物運行過程中。因此，建筑 運行能耗是建筑節能任務中最主要的關注點之一。隨著城市的不斷發展以及產業結構的調整，建筑能耗將超越工業能耗，交通 能耗等其他行業而居于全部社會能源消耗的首位，將可能達到30%40%。我國 人口眾多，如果照搬發達國家的模式及發達國家的人均水平的

4、話，那么中國建筑 能源的消耗將達到全球目前能源消耗的1/4，很顯然這是不可能的。因此必須高 度重視這一問題，提前防范，并探索一條適合中國發展的辦法，在滿足社會經濟 發展和人民生活水平的前提下，大幅度減少能源消耗，實現城市建設的可持續發 展。我國目前既有建筑約為400億皿，每年將新建約20億皿，建筑物用電量為 4600億kWh。如果延續目前的能源消耗情況，預計到2020年底，將達到全社會 能源消耗的46.7%。目前，國內所有大城市的新建建筑中，只有10%-15%符合規 范的要求。能源的利用效率目前也僅為33%，落后發達國家將近20年；同時我 國能源消耗強度也遠高于發達國家及世界平均水平。因此，我

5、國必須大力推進建 筑節能的實施，而建筑能耗模擬技術則是建筑節能設計中強有力的工具。只有通 過計算機模擬計算的方法才能有效地預測建筑環境在沒有環境控制系統時和存 在環境控制系統時可能出現的狀況，例如室內溫濕度隨時間的變化、采暖空調系 統的逐時能耗、以及建筑物全年環境控制所需的能耗。建筑模擬主要在如下兩方面得到廣泛的應用：建筑物能耗分析與優化和空調 系統性能分析和優化。利用建筑能耗模擬與分析軟件對建筑能耗模擬，可以隨時 模擬任意地點、任意氣候區及任意季節的情況，而不受實際因素的影響。也可以 對我們提供各種各樣的可能方案進行可行性分析，開拓我們的思路，實現各種可 能性。除了在設計階段可以使用外，還可

6、以預測并調整建筑建成后可能出現的問 題。因此，在設計階段盡早進行能耗模擬分析的話，將可以增加設計過程的預測 性和可控性。在建筑的使用過程中，能量的消耗主要用于建筑的空調、照明、熱水、炊事、 電器等，其中尤其是空調系統的能耗占了建筑能耗的一半以上。因此，建筑能耗 模擬與空調的負荷計算密切相關。建筑能耗模擬是利用計算機對建筑能耗和采暖 空調負荷進行動態的計算，從而對建筑物及其空調系統的性能進行分析和評價。空調負荷計算就是對空調系統的設計負荷進行預測。它是依據設計規范和建 筑熱工性能，計算出建筑物的冷負荷、熱負荷、濕負荷以及新風負荷，并以此來 確定空調系統設備的容量大小。負荷計算是建筑能耗模擬的基礎

7、。建筑物能耗計算的目的是預測建筑物全年的能源消耗量，從而為方案的分析 和評價提供依據。能耗計算與空調設計中的負荷計算是類似的，它們的區別主要 在于能耗計算一般選擇有代表性的氣候條件為計算基礎，即所謂的典型氣象年。 負荷計算以極端的氣候條件為計算基礎。負荷計算可以確定暖通空調設計負荷的 峰值，從而選擇合適的設備容量和數量。能耗計算可以得到用來滿足負荷的一年 的能源消耗量。目前能耗計算的方法有多種，基本可以分為靜態和動態兩類。靜 態計算方法應用相對簡單，但它不能給出能耗隨時間的變化情況，它不考慮建筑 結構蓄熱的影響。常用的靜態計算方法有度日法、bin法、溫頻法、滿負荷系數 法等。動態計算方法對能耗

8、進行全年的逐時計算，它能詳細反映能耗隨時間的變 化。常用的動態計算方法有加權系數法和熱平衡法。建筑能耗模擬除了需要建筑設計的數據，當地的室外氣象資料也是非常重要 的信息。建筑能耗模擬是全年8760h逐時的動態模擬，因此需要逐時的氣象數據。 建筑能耗模擬所需要的氣象參數包括太陽輻射、溫度、濕度、風速、風向、云量、 大氣壓力等約10到13種數據。模擬往往采用典型氣象年的氣象數據。典型氣象 年的數據可以根據過去多年的氣象數據，通過一定的方法建立。模擬軟件是建筑能耗模擬的工具。現在有許多個大型工程中得到應用。不同 類型的模擬軟件，各個軟件有各自的特點，并且面對眾多的模擬軟件，要進行比 較和做出選擇并還

9、在不斷的發展。有些模擬軟件計算詳細精確，但是不容易。選 擇軟件時首先要考慮清楚所要解決的問使用起來很復雜，要求的專業知識較高， 它們在過去通常用于研究目的，例如DOE-2，BLAST，ESP-r,TRN-SYS和Energy-Pluso這些詳細的建筑能耗模擬軟件通常是逐時、逐區模擬建筑能耗，考 慮了影響建筑能耗的各個因素，如建筑圍護結構、HVAC系統、照明系統和控制 系統等。在建筑物壽命周期分析(LCC)中，建筑能耗模擬軟件可對建筑物壽命 周期的各環節進行分析，包括設計、施工、運行、維護、管理。另外還有一些相 對簡單的軟件，例如Energy-10，ENER-WIN和EnergyScheming

10、等。這些軟件可 以進行建筑全年能耗的評估，用于系統方案的比較選擇。在國內，清華大學的建 筑能耗模擬軟件Dest影響較大，并已經在幾個大型工程中得到應用。面對眾多的模擬軟件，要進行比較和做出選擇并不容易。選擇軟件時首先要 考慮清楚所要解決的問題，軟件并非功能越強大就越好，因為這種軟件往往更昂 貴，并且由于使用復雜而更易出錯。另外要考慮軟件使用的成本，包括培訓、計 算機資源等。表1列建筑能耗舉了幾種模擬軟件及其特點，供參考。名稱特點適用于各類住宅和商業建筑。它可以進行逐時能耗分析，HVAC系統運行的 壽命周期成本 (LCC)分析，有20種輸入校核報告，50種月度或年度綜合Doe-2報告，700種建

11、筑能耗逐時分析參數，用戶可根據具體需要選擇輸出其中一 部分。有非常詳細的建筑能耗逐時分析報告，可處理結構和功能較為復雜的 建筑。但是操作較復雜，須經過專門培訓，對專業知識要求較高。這是目前 最強大的模擬軟件。BLAST適用于工業供冷，供熱負荷計算，建筑空詞系統以及電力設備逐時能耗模擬。 輸入文件可由專門的模塊HBLC在Windows操作環境下輸入，也可在記事本 中直接編輯。基于Window的友好的操作界面，結構化的輸入文件，可分析 熱舒適度，高強度或低強度的輻射換熱，變傳熱系數下能耗分析。對專業知 識和工程實際有較深刻的理解才能設計出符合要求的模型。Energy-Plus適用于多區域氣流分析，

12、太陽能利用方案設計及建筑熱性能研究。ASCII輸 入、輸出文件，可供電子數據表作進一步的分析。對建筑的描述簡單，輸出 文件不夠直觀。ENER-WIN適用于瞬時熱流計算，能耗分析，壽命周期成本分析。提供一個簡單的畫板 輸入建筑的基本布局，建筑圍護結構的熱工性能。室內逐時溫度設定。有表 格和圖像形式的月度、年度能耗報告，圖形操作界面，有較為合理的缺省值。 建筑可超過98個分區，提供20多種墻窗類型。算法較為簡單，只有9種 HVAC系統可供選擇。Energy-10適用于住宅建筑和小型商業建筑。可進行方案設計階段建筑能耗評價，逐時 空調能耗分析和照明計算。12種HVAC系統可選。具有基于當前方案與標

13、準方案之間比較的匯總圖表，也可生成詳細的報表。易于操作，快速，準確。 建筑描述過于簡單，只能用于小型建筑和小型HVAC系統。ESP- r適用于對影響建筑能源特性和環境特性的因素做深入的評估。內置CAD繪 圖插件，或者直接導人CAD文件。可模擬和分析當前比較前沿或創新的技 術。需要較強的專業知識。建筑能耗模擬的主要應用之一是建筑物能耗預測與設計優化。對于一個建筑 物來說，建筑造型及其圍護結構形式對它的能耗有決定性的影響。它們直接影響 到建筑物與室外環境的熱量傳遞、自然通風、自然采光，而與這些相關的負荷占 建筑采暖通風空調負荷的70%以上。因此，不同的建筑設計形式將導致很大的 能耗差別。但是建筑設

14、計形式對能耗的影響是復雜的，很難簡單地進行判斷。例 如加大外窗的面積可以增加自然采光，冬天可以增加太陽輻射熱量，減少采暖能 耗，但夜晚又會增加向室外的傳熱，增大采暖能耗；夏季還會增加室內的得熱量， 增大空調的能耗。這樣要判斷建筑設計的優劣必須依靠計算機的動態能耗模擬。目前，國內已經有越來越多的人開始利用建筑節能技術耗模擬技術來分析建 筑設計與能耗的關系。魏玲等人利用建筑能耗模擬分析了窗戶對建筑能耗的影 響，得到了減少南京地區全年空調建筑物由熱傳遞及太陽輻射引起的窗戶能耗的 3條措施。陳紅兵等人利用耵IIISYS軟件研究了天津地區窗戶對建筑能耗的影響。 周孝清等人利用DOE-2軟件對廣州一辦公樓

15、的不同外圍護結構進行了能耗模 擬，提出了圍護結構設計的優化方案。劉洋等人利用Energy-Plus軟件對天津某 住宅小區的建筑能耗進行了模擬，并與實測結果比較，肯定了對Energy-Plus建 筑設計的指導作用。曹毅然等人利用DEST軟件模擬分析了上海混凝土砌塊別墅 建筑外圍護結構的熱工性能及其對建筑物能耗的影響，并給出了節能的方案。吳 靖杰等人在一個節能住宅單體設計過程前期運用DOE-2進行建筑能耗模擬，并 以計算結果為指導，結合實際做出了優化設計方案。空調系統的性能預測與設計優化也是建筑能耗模擬的主要應用之一。目前空 調系統的設計中，一般通過計算出最大的冷負荷來確定設備容量和數量。但實際

16、上空調系統要運行在各種氣候條件和室內使用方式下，它大部分運行時間不是在 最大負荷而是在部分負荷下運行。這些部分負荷工況的特點不同，使得空調系統 在實際運行中常常出現問題。如果能在空調設計時進行動態能耗模擬，了解可能 出現的各種工況，在設計中就可以選擇合理的系統形式，確定合適的設備容量和 數量，采取有效的控制方案，從而使設計優化。另外，建筑能耗模擬對于建筑節能標準的制定和實施也發揮重要作用。美國 的DOE-2是目前最精確的動態模擬軟件，它參與了許多國家的建筑節能標準制 定。我國2001年頒布的夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準在制定過程中， 也采用了 DOE-2進行動態模擬計算。另外，在評估一個設計方案是否滿足節能 標準時，同樣少不了模擬軟件的幫助。建筑能耗模擬是建筑節能中的一項重要技術，但是目前它在我國的應用范圍還不是很廣，大部分還是用于研究目的。在工程設計中的應