搜索
设为首页收藏本站 开启辅助访问
 找回密码
 注册

EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析

查看: 12820| 评论: 3| 发布者: cad |原作者: cad

放大 缩小
简介:讲座导读 田志超(资深建筑能耗模拟及优化、绿色建筑工程师) 【绿建物理模拟讲座】由资深建筑能耗模拟及优化、绿色建筑工程师田志超担任主讲人,为大家介绍EnergyPlus以及能耗模拟分析流程和案例分析。 讲座实 ...

【主讲人】田志超(资深建筑能耗模拟及优化、绿色建筑工程师)

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)


【绿建物理模拟讲座】由资深建筑能耗模拟及优化、绿色建筑工程师田志超担任主讲人,为大家介绍EnergyPlus以及能耗模拟分析流程和案例分析。

 

【讲座实录】


今天很高兴能和大家分享我近一年里做的EnergyPlus培训和咨询工作。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

1


        那么我按照以下几个部分来讲解,首先是介绍EnergyPlus,再讲一下EnergyPlus为什么要代替DOE-2,还有简单介绍一下EnergyPlus开发的第三方软件,然后来介绍一下我经常使用EnergyPlus能耗模拟分析流程EnergyPlus模块的介绍和有什么样的功能,最后通过建筑设计的案例和建筑空调系统的案例进行介绍。

 

一、EnergyPlus简介

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

2


         EnergyPlus是九十年代末为美国能源部支持在DOE-2BLAST共同基础上开发的新一代能耗模拟软件。

         DOE-2BLAST都是上世纪70年代末,80年代初开始开发能耗模拟软件。

         EnergyPlus开发的初衷就是为了解决DOE-2BLAST的不足。DOE-2BLAST不能将HVAC系统和zone很好地耦合在一起(反馈作用有限)。

         HVAC模拟的快速发展,以及DOEBLAST代码的复杂,在两软件中加入新的研究成果。

 

二、为什么要淘汰DOE-2


        DOE-2热环境模拟采用传递函数模型(transferfunction models

        不进行围护结构内、外表面热平衡计算。

        不进行空气热平衡计算。

        墙体、楼板、屋面和内墙等蓄热体的蓄热和放热过程通过预先定义的相应系数设定。和热平衡模型不同的是,这个蓄热放热的过程和通过墙体的导热过程完全无关。这样的假定会影响计算的精确度,在计算冷负荷值稍稍会偏大,对于含有导热传热量大的热工区域,其会引起明显的偏大。

        DOE-2采用反应系数法求解不透明围护结构,用冷负荷系数法求解房间负荷和房间温度。

        不直接计算长波辐射换热,而是转换程折合到对流换热中。

        计算内表面对流传热时采用室内温度计算,室内温度变化后不再次计算。

        没有考虑房间的热平衡。

        间歇采暖或计算相邻房传热时,冷负荷模拟结果偏大,全年累计冷负荷比DeSTEnergy101%69%,采用热平衡计算的DeSTEnergyPlus的负荷计算相差不大。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

3


三、能耗模拟的历史


        第一代(60s~70s):暖通空调手册式、用于计算冷热负荷。

        第二代(70s~80s):采用反映系数法计算动态热环境模拟。HVAC为静态的,对房间(thermalzone)的反馈作用有限。DOE-2BLAST

        第三代(80s~90s):开始具有用户界面,部分采用数值方法。除了时间和空间是独立的变量外其他变量之间是相互耦合的。采用热平衡算法计算建筑的热环境。

        第四代(90s~00s):软件模型较好地反映真实的物理环境,具有知识库,兼容性、交互性更强。

        接下来我们来简单对比一下BLAST DOE-2eQuestECOTECTDeSTESP-rIES-VETRNSYS常见的几款软件。这几款软件BLAST DOE-2属于第二代软件,eQuestECOTECT属于第三代软件,DeSTEESP-rIES-VETRNSYS属于第四代软件,都采用热平衡的算法。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

4


        图中红色圈的地方,这是这款软件相对欠缺的地方。X是有,P是部分有,空白的地方是没有此功能。

        从这个列表EnergyPlus里面在内表面对流算法、建筑内墙蓄热、建筑外表面辐射角计算、建筑内表面辐射、考虑建筑物与建筑,建筑与天空辐射和自然采光,EnergyPlus相比的功能是比较完善。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期) 

5


        这张图是对比的是供暖空调负荷计算方法、渗透通风、是否计算风压系数,风压系数是模拟自然通风时候计算的,多区域通风模型、是否能进行混合通风,DOE2 eQuest这些功能还是比较欠缺的,EnergyPlusDEST功能是比较完善一点的。


 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

6


    最后对比空调系统和经济成本分析。ecotect是在早期分析的一个计算软件,相比我们主要看一下空调系统,自定义空调系统和预定义空调系统。DOE-2eQuest是不能定义空调系统的。

    这样我们就简单的介绍了一下能耗模拟的历史,为什么用EnergyPlus代替DOE-2

 

四、EnergyPlus第三方软件


        DesignBuuider,英国DesignBuuider公司开发的商业软件

        OpenStudio,美国可再生能源实验室开发的开源免费软件。可分为两个版本OpenStudioLegacy OpenStudio

        AECOsim Energy Simulator,美国Bentey公司开发的商业软件。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期) 

7


    这张图是采用Energyplus 能耗建模的流程,会采用OpenStudiolegacy OpenStudioDesignBuilder进行建模,建完模会导出IDF,使用EP-LaunchIDFEditor进行编辑,远行结果采用ExcelxEsoView进行结果的分析。


 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

8


    图8Legacy OpenStudio的建模界面,它是基于SKetchUP建筑系统,OpenStudio和它是类似的。建好模型后保存成IDF格式,再使用EP-Launch打开IDF进行编辑。这个EP-LaunchEnergyplus界面,主要用于模拟的。EP-Launch主要分为三部分,Input File Weather File输入的,和后面View Results 是查看结果的。

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

9


    点击EP-Launch里面的Edit-IDF Editor就进入IDF编辑器里面了。

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

10

 

        为什么我喜欢使用Energyplus,而不是如DesignBuuider的软件?DesignBuuider等软件会简化一些Energyplus的功能,如地面结构的传热传热部分,在DesignBuuider中是不能够进行详细分析的,与地面接触的传热在冬季北方地区是一个很关键的模块,DesignBuuider把它简化了,功能就很大的下降了。

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

11


        这个界面就是Energyplus里的xEsoView结果查看软件的界面,使用这样的一个软件,可以对Energyplus的输出结果进行一个详细的分析,后面我们讲案例的时候会用它进行一个详细的分析,其它的结果用Energyplus输出的文件execl进行数据的后处理。

 

        以上是Energyplus能耗模拟的基本流程,接下讲一下Energyplus计算模型(图12),和它可以模拟的空调系统。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

12


 EnergyPlus计算模型的特点:

        采用热平衡模型模拟热环境,计算不透明围护结构传热(不稳态传热)使用CTF算法,关于Energyplus计算模型可以查看自带的文件,建筑和地面接处这样传热过程是一个非常复杂的过程,Energyplus采用三维有限差分地面传热模型,相比以前有一个很大的进步,那么也能计算传热传湿的过程,通常采用CTF算法的时候是不会使用传湿计算的,Energyplus可以选择算法进行传湿计算,还可以进行热舒适模型,自定义模型的计算具有各向异形的天空模型。Energyplus能够模拟固定遮阳和活动遮阳,百叶、窗帘这样的活动遮阳也能够模拟的。能够模拟日光照明模拟,计算房间的采光系统,还有一点,多区域网络模型自然通风模块,现在能耗模拟大多采用多区域这种方式,自然通风和室内空调通风两种作用下的一种形态,最后一点是非均匀温度场,假设房间任何一点的温度是相同的,对于一些大的空间建筑的上层和下层温度是有梯度的,Energyplus具这非均匀温度场的模块。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

13


    以上是我总结的HVAC的一些模块,HVACTemplate模块是EnergPlus预定义的一些系统,让我们快速建立常建的空调系统,Autosizing能够帮我们自动计算房的负荷,建立好一个集中送风系统,它会我们算设备的容量、风机的大小,还有风机盘管的容量,还有就是Energy Plus有理想空调系统。理想空调系统主要是用来计算建筑负荷的,还有风机盘管、低温辐射系统、孔板送风系统,定风量和变风量系统、一次回风和二次回风、独立新风系统、地源热泵、能量回收系统、蓄冷蓄热系统、可再生能源模块等。EnergPlus内的空调系统还有很多,这里就不一一列出了。


 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

14


    图14Energy Plus里的Edit-IDF Edior-Class List列表,为解决使用方便问题,我会希望今年把辅助文档翻译成中文。

 

五、案例介绍


案例一:


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

15


    接下讲两个案例第一个是Energy Plus优化遮阳的案例。上图15可以看到这个建筑有一个很大的挑檐。

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

16


        从这张图更有看出建筑的初步设计方案中,建筑外面有很大的挑檐可以做为走廊作用,主要研究这挑檐对建筑能耗影响的大小还有就是的挑檐长度多少没有合适,是维持这个长度还是缩小。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

17


    这个是第一个模型,图中紫色部分就是它一个挑檐和遮阳的部分,现在模型就是这样的,接下来做了两个模型是把挑檐长度降低一半,还一个是没有挑檐来分析一下能耗的变化。


 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

18


        上面的图18就是模拟的结果,夏季、冬季把这一年分为这两个季节来进行能耗对比,发现夏季能耗是逐渐升高的,如果没有挑檐是符合正常值的,冬季是逐渐降低的这也符合正常的逻辑,冬季没有挑檐房间接收的太阳辐射,刚才我们看到这个建筑有很多的玻璃幕墙,接收到太阳辐射更多,供暖更少一些所以说这是对的。

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

19


    看一下这张图18,就是目前挑檐、一半挑檐、无挑檐,那么在无挑檐的时候可以看到全年的能耗是上升的,要保持现有的状况,现在建筑的设计是一个即美观又节能的建筑。

 

案例二:

        主要讲有一个由周围四个区域和中间有一个ZONE(房间)组成建筑,如图19,空调系统为一个定风量集中送风系统。这个定风量系统对于房间热环境会有怎样的影响,我来分析这一套系统对于这5 ZONE的影响,看它是否合理。我们知道建筑能耗模拟经常使用的三个衡量建筑的指标,第一个建筑全年的能耗,第二个是建筑不舒适小时数,第三个是否经济,成本是否高全生命周期是否省钱,通常是这三个指标。今天主要分析人体不舒适小时数。

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

20


    下面我来分析一下建筑这5个房间不不舒适小时数,重点来看一北向这个房间,绿色的轴是“北向”,红色的轴是“东向”蓝轴是向上的一方向,北向的房间和东向的房间都采用一个系统定风量系统,采用定风量系统房间不舒适小时数。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

21

 

    这张图20我们主要看一下北向这个房间,图21是一年365天不舒适小时数,每个坐标不大于1,(逐时的不满足小时数)因为冬季没有进行控制,我们重点分析夏季,我们看到夏季不舒适小时数也挺高的,这是一个北向的房间。

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

22


    这是图22是东向的房间,我们看到“ETYF”东向房间全年不舒适小时数的变化,我们可以看在夏季,不舒适小时数明显比北向方间不舒适小时数要多,这是为什么呢?

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

23


        为了进一步分析集中送风量定风系统,对于房间不舒适量的影响,我分离出724这一天的来进行分析,北向房间不舒适小时数比较少的,我们看一下东向的房间。

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

24


    “ETYF”东向的房间,我们看到几乎全天都处于不舒适,室内温度可能过高了,早到6点到晚上21点都是不舒适的。分析原因使用定风量系统的时候,不同房间的送风温度是一样的,而不同房间的送风量也是一样的,建筑全天的两个房间负荷是变化的。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

25


    这张图25是东向房间送风温度,我们看一下北向和东向房间送风温度是否相同。

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

26


    通过这张图26可以看出这两个房间送风温度是一样的,再来看送风量是否是一样的,送风量是否是变化的,我们采用的定风量系统,定风量的这个风机是根据我们开始算负荷的时候,来确定送风量的。

 

【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

27


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

28


    从这两张图可以看到北向和东向房间送风量是不变的。送风量不变送风温度不变,但是我们知道北向房间和东向房间的负荷变化是不一样的。对于这样的结果我做了一个简单分析。


【绿建讲堂】EnergyPlus能耗模拟分析流程和案例分析(绿建之窗-建筑物理模拟群4月15日第二期)

29


   这就是定风量系统经常存在一个问题,我今天用这样的一个案例来介绍EnergyPlus建模和模拟分析的一个过程EnergyPlus最大的优势就是它的灵活性:建模很灵活、算法数据输入都方便、HVAC系统空调系统类型很多。

   

    大家如果想更多的了解、学习EnergyPlus可以联系我。今天的讲解就到这里,大家如有什么疑问,我可以进行解答:

 

QDesignBuuider 不能详细分析地面维护结构的传热,空调系统也不是特别好,但是OpenStudio 目前有什么缺点呢?

AOpenStudio主要实验室开发的不是商业软件,第二个服务没有商业的好,它没有数据库在进行模拟的时候有很多额外的工作要做的。还有系统软件的更新DesignBuuider商业软件做的好,在建模上没有OpenStudio没有DesignBuuider好用。

 

Q:国内开发的Energy Plus第三方软件目前有什么优缺点吗?

1

鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋

刚表态过的朋友 (1 人)

已有 3 人参与

会员评论

  • bbb 2015-6-15 10:16 引用
    继续吧,就这么看着
















    1
返回顶部