DeST与其它建筑环境模拟软件的比较分析

建筑热环境的全年动态模拟在理论上已经基本逐渐发展成熟。现行计算分析的方法很多，例如有限差分法，反应系数法，谐波反应法，状态空间法等。它们通过采用数值或者分析求解的方法都可以在计算机上模拟出很好的结果，自20世纪60年代到今天，世界各国都相继开发出一些很好的能耗模拟软件，可以很方便的对建筑物全年动态能耗进行建模计算。其中比较著名的包括美国能源部开发的DOE-2，美国国防部开发的BLAST，英国开发的ESP，美国最近开发出来的ENERGY-PLUS，此外还有SRES/SUN, SERIRES, S3PAS, TRNSYS, TASE。我国清华大学也独立研究开发了一套功能齐全的全年动态能耗模拟软件，DeST(Designer's Simulation Toolkit)。DeST与世界上其他软件各自的特点和处理能力的异同正是本文下面要研究的主要内容。

2.背景和意义

统计结果表明，世界上大概有三分之一的能量被消耗在了建筑物上。从这个意义上说，建筑物的无谓耗能也是全球温室效应，臭氧空洞等环境问题的主要原因之一。从20世纪60年代开始，已经开始有越来越多的科学家重视到这个问题，节省能耗问题也开始变成世界科学界的一个挑战。Mohammad【1】在文章中具体分析了建筑能耗分析的巨大意义，并强调说“预防总好于维护”(“Prevention is better than cure”)：

1）建筑物的使用时间很长，设计一旦被决定，就将被使用相当长的一段时间。

2）越早期的方案决策对改善建筑物的节能表现越有效，而后期的维护耗资巨大却收效较小。

3）绝大多数的建筑不能没有空调通风系统，因此对于这些建筑的能耗分析十分必要。

正是意识到这些重要意义，世界各国开始加紧对建筑能耗的分析和预测工作。从20世纪60年代到今天，世界各国都相继开发出一些很好的模拟软件，可以很方便的对建筑物进行全年动态模拟。其中比较著名的包括美国能源部主持开发的DOE-2，美国国防部主持开发的BLAST，英国开发的ESP，美国最近开发出来的ENERGY-PLUS，此外还有SRES/SUN, SERIRES, S3PAS, TRNSYS, TASE。我们清华大学也自行独立研究开发了一套功能齐全的全年动态能耗模拟软件，DeST(Designer's Simulation Toolkit)。

本文就将从基本功能，负荷计算，设备计算等方面具体分析这些软件的异同，并用美国暖通空调协会（ASHRAE）2001年公布的建筑能耗计算标准140P协议中的案例来做为检验案例，让不同软件处理同样案例，观察各个软件的不同表现。

3.软件特性和功能比较

下面主要对各个软件在基本使用特性，负荷计算能力和设备计算兼容性方面做了细致比较。比较的主要依据来源于三个方面：

1） 美国能源部的Drury B.Crawley，美国国防部建筑工程实验室的Linda K.Lawrieb，劳伦斯－伯克力国家实验室的Frederick C.Winkelmannc和几位知名大学的教授共同为介绍新软件ENERGY-PLUS写的几篇文章【2】【3】【4】，文章中将以前的建筑能耗软件与新开发的ENERGYPLUS做了详细比较，从这些软件开发者的评论中我们可以很好看到这些软件的特点。

2） 另一篇重要文章是日本日建设计的丹羽英治和名古屋大学的中原信生等教授介绍DeST和其它一些建筑能耗软件的一系列文章【5】，这些文章从不同角度比较计算了各个软件处理问题的异同，也是权威的比较依据。

3） 各个软件的工程手册。

3.1 基本特性比较

表1 基本特性比较表

3.2 负荷计算能力比较

表2 建筑负荷分析计算能力比较

3.3 设备计算兼容性比较

表3 设备计算兼容性能力比较

4.ASHRAE 140P标准案例比较

我们选择美国暖通空调工程师协会ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers）2000－2001年组织设计的这个140P标准算例来比较评价各种建筑能耗动态模拟软件的异同【6】。这套算例是ASHRAE精心为建筑能耗的动态模拟而专门设计的标准算例，可以作为检验标准来检验软件的计算结果。这套算例严格规定了气象参数、几何描述（如右图）、材料性质、地表参数、通风设定、内热扰、不透过壁体的辐射性质、外表面对流辐射综合系数、内表面对流辐射综合系数、窗户材料参数、太阳光分配比率、设备参数、系统控制策略的参数数值（具体参数设置请参阅文献【6】），在这样的设定工况下，各个软件应该对同一个案例表现出近似的模拟结果，将这些结果放在一起便容易分析出各个软件计算能力之间的异同。

本文选出的六种有代表性的案例进行比较分析，有稳态的也有非稳态的，围护结构特点和控制策略也各有变化。Basecase600是最基本的情况，墙壁较薄，仅有南向两面外窗。Basecase620也是基本情况，墙壁较薄，外窗改成东西向各一面，总大小不变，其他条件也不变。Basecase640在Basecase600的基础上加入对房间空气控制温度的逐时变化。Case900是较复杂的非稳态情况，墙壁材料厚，材料分层，每层材料的性质和厚度给出，其它参数同于Basecase600。Case920比Case900的不同在于把南向两面外窗改成东西向各一面窗，总大小保持一致。Case940在Case900的基础上加入了房间温度控制策略。

我们选择比较的软件主要有：DeST，ESP, BLAST, DOE-2, SRES/SUN, SERIRES, S3PAS, TRNSYS, TASE, ENERGYPLUS。基本覆盖了现在较为主要的动态能耗模拟软件。

4.1 全年动态冷负荷累计结果

图 2 全年动态冷负荷累计结果

4.2 全年动态热负荷累计结果

图 3 全年动态热负荷累计结果

4.3 全年动态基础室温频率统计结果

图 4 全年动态基础室温频率统计图

图中横坐标表示基础室温（自然室温，没有任何空调设备下的室内温度），纵坐标表示对应的基础室温在全年出现的次数。这张图可以比较各个软件处理动态瞬时负荷特性的能力。

4.4 比较分析和说明

从上面的三张统计图中，我们可以清楚的看到，依据ASHRAE-140标准设定之后，各种常用软件的计算趋于一致。从比较中我们可以发现，在冷负荷的计算上ESP计算出的结果普遍偏小，而SERIRES计算出来的结果普遍偏大；在热负荷的计算上也是ESP计算出的结果普遍偏小，而DOE-2和TASE计算出的结果偏高。其中值得一提的是，在不同案例的比较中我们发现DeST在绝大多数案例中的计算结果都接近各个软件计算结果的数学平均值的位置。由此我们可以有足够理由相信DeST在处理动态能耗问题上可以计算出令人满意的结果。特别值得注意的第三张全年动态基础室温频率统计图，我们知道每个时刻的基础室温对这个时刻的计算负荷之间的密切联系，因而这张图可以反映不同软件的逐时刻的动态模拟能力。我们看到DeST不仅在冷热负荷的全年累计结果上能够算出令人满意的结果，在逐时动态室温的模拟上，也和其他软件计算的结果非常一致。综上所述，我们可以通过不同案例的全面比较体现DeST计算结果的可靠性。

5.结论

通过上面各方面的讨论，我们可以看到各个建筑环境模拟软件在使用和计算功能上以及处理实际案例时表现出的异同。在对这些异同的比较中，我们看到这些软件的不同特性，然而它们在处理ASHRAE140P标准案例的时候又都能够对标准案例表现出相似的结果。值得注意的是，清华大学独立开发的DeST软件在对标准案例的计算中达到了较好的结果，在动态模拟方面的比较中也同样表现出令人满意的结果。

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