建筑运行能耗仿真方案设计及影响因素分析

于晓谕，汪明，李尧

(山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南 250101)



建筑运行能耗仿真方案设计及影响因素分析

于晓谕，汪明*，李尧

(山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南 250101)

随着城镇化进程加速，住宅、办公、商业等建筑的增多，建筑能耗问题日益受到关注，建筑运行能耗仿真方案设计及影响因素分析是优化最佳建筑运行参数的前提和基础。文章采用山东济南某高校实验室的房屋作为基本模型，设计了建筑运行能耗仿真方案，利用EnergyPlus软件对实验房屋进行能耗模拟，通过对比室内不同的人员数量、设备种类和数量，室外不同气候等条件下的房间能源消耗情况，得出房屋能耗模拟数据，并对其进行分析，优化出了最佳的建筑运行参数，结果表明：夏季空调温度设定在27 ℃较为适宜；冬季供暖温度保持在18 ℃较为适宜；就餐休息时间选择停止运行空调和电脑等设备可以节约能耗大约20%；面积为48 m2的房屋容纳人数最多为7人。

EnergyPlus；建筑能耗；能耗对比

0　引言

随着我国经济的迅速发展，住宅、办公、商业等建筑日渐增多，建筑能耗问题越来越突出。无论是在建筑的建设过程还是使用过程中，能源的消耗都比较高[1]。据统计，每年的新建建筑中有80%以上为高能耗建筑[2]。与同等气候条件下的发达国家相比，单位建筑面积的建筑能耗高出近2～3倍[3]。甚至在一些发达城市，建筑的能源消耗使城市出现了拉闸限电的现象[4]。

目前对建筑能耗的研究集中于相应的建筑硬件设施的基础研究，缺少对影响因素与能耗之间内在联系的研究。李越铭等针对空调系统能耗方面进行了空调三联供系统的模拟，分析其节能性、经济性等情况，并通过EnergyPlus对三联供系统全年运行情况进行模拟和分析，得出联供系统适合用于电价较高的商业建筑和非工业建筑，而不适用于电价较低的民用建筑[5]。周静娜利用EnergyPlus进行建筑物墙体材料的能耗模拟，得出材料的厚度对建筑物能耗的影响情况[6-7]。Liu等对各类建筑物的空调能耗模拟得出房屋空调运行的最佳策略[8-9]。谷炳龙利用EnergyPlus优化算法来对建筑物的能源消耗状况进行模拟，优化建筑参数，达到最优的效果[10]。Nouidui等利用模拟软件进行能耗模拟的研究多数在于建筑物的某一方面，研究并得到建筑物的能耗模拟方法，并作为辅助工具来完成对建筑设备的设计配置[11]。

文章以实验房间为研究对象，通过EnergyPlus能耗模拟软件，设定房间建筑参数，研究不同影响因素情况下的不同能耗情况，从建筑能耗仿真系统的方案设计和能耗的模拟及优化两大模块进行详细的能耗数据对比分析，比较不同情形下的建筑物的能源消耗情况，得出建筑能源消耗与各种影响因素之间的内在联系和规律，分析出满足人们舒适度高、建筑能耗低的建筑运行策略，以期为建筑设计提供良好的数据支撑。

1　建筑运行能耗仿真方案设计

1.1建筑运行能耗仿真模拟方案理论

本方案采用山东济南某高校实验室的房屋作为基本模型，经过能耗模拟分析观察房间的能源消耗情况，来选择最优的房间系统运行方案。本方案侧重于通过模拟各种不同参数值的改变来比较出能源消耗的情况，使人们能够选择比较有利的建筑建设和设备配置方案。在模拟之前首先对房屋内的人员、设备、空调等参数的情况进行实际的调查，总结出实际能耗变化情况。

方案设计主要是从房间的人员数量、夏季空调温度设定值、冬季温度设定值、外界天气状况、设备运行时间等方面的变化来对建筑物的各个系统进行能耗分析，优化出最优的建筑运行策略，达到既节能又高舒适度的目的。

1.2模拟方案设计步骤

(1) 利用sketchup软件里的插件Openstudio绘制EnergyPlus区域里实验室房间的建筑模型，保存为.idf格式的文件，作为EnergyPlus的输入文件。实验室房间建筑占地面积为48 m2，由四面墙、天花板、地面楼板组成，墙高为3 m，南面墙上开窗面积为1.2 m2，门的面积为2 m2，墙外是约两米宽的走廊，与外界以半实体墙半玻璃幕墙相隔，北面墙上开窗面积为8.25 m2，房间位置为西偏南30 °。窗玻璃采用玻璃厚度为3 mm，中间气体厚度为6 mm的双层玻璃，门采用金属材质的防盗门。主要功能以办公为主。实验房间模型为800 mm×600 mm×300 mm，南面墙上有1500 mm×800 mm的窗户和1000 mm×2000 mm的防盗门，北面墙上是5500 mm×1500 mm的窗户。房屋视图如图1所示。

图1　房屋透视图

(2) 房间建筑模型在Idf Editor里进行进一步的编辑，设置房屋内的人员、设备、灯、空调等数据参数值。房间内初步设计节能灯九盏，功率为50 W，台式电脑七台，功率为220 W，空调功率为1200 W。空调系统采用变风量空调系统制冷，变风量空调系统能够根据室内负荷变化或室内要求参数的变化，保持恒定送风温度，自动调节空调系统的送风量，从而使室内参数达到要求的全空气空调系统。夏季空调系统设置温度为25 ℃，冬季室内设置温度为20 ℃，冬季设计日选择1月21日，夏季设计日选择7月21日，运行区间由1月1日至12月31日，人均面积为7 m2。

(3) 选择济南当地的天气参数，对编辑好的建筑模型在相应的天气条件下进行模拟。进入EnergyPlus软件的官方网站，在天气数据下载栏里选择需要的地点的天气数据，即可下载格式为.ewp的天气文件。本设计方案采用的是山东省济南市的天气状况来对房间的能耗状况进行模拟分析计算。

(4) 导出模拟结果，对实验室房间的能耗进行决策优化处理，分析出建筑的运行策略。

1.3能耗仿真软件

现在比较流行的建筑能耗仿真软件主要有DOE-2、BLAST、TRNSYS、DEST等，每个软件都有各自独特的方面。本系统采用由美国能源部和劳伦斯·伯克利国家实验室共同开发的一款建筑能耗模拟软件EnergyPlus进行建筑模拟。EnergyPlus主要用于建筑能量模拟与负荷计算的，是在软件BLAST和DOE-2基础上进行开发的，吸收了BLAST和DOE-2的优点并且具有许多新的功能[12]。

OpenStudio是由美国可再生能源实验室(NREL)开发的基于EnergyPlus进行能耗分析，基于Radiance进行采光分析的建筑整体分析软件[13]。OpenStudio是基于sketchup建筑软件的基础上对EnergyPlus进行建模[14]，可以方便的使用sketchup的三维建模工具，以实际建筑实测参数为标准，绘制建筑的基本结构图，创建EnergyPlus的输入文件模型。

EnergyPlus是一个能耗分析负荷计算软件，调用输入文件模型进行建筑物理特征和相关设备的参数的输入，创建建筑模型。软件能够计算得到所有设定条件下的冷热负荷，并且能够得出空调冷热源和末端风机等设备的具体能耗。EnergyPlus采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法，在计算负荷时，用户可以定义<1 h的时间步长；在模拟系统中，时间步长自动调整，以加快收敛。EnergyPlus采用热平衡法模拟负荷，用CTF模拟墙体、屋顶、地板等的瞬态传热，用三维有限差分土壤模型和简化的解析方法对土壤传热进行模拟，用联立的传热和传质模型对墙体的传热和传湿进行模拟。通过先进的窗户传热的计算，可以模拟包括可控的遮阳装置、可调光的电路玻璃等。源代码开放，用户可以根据自己的需要加入新的模块或功能。EnergyPlus与一些常用的模拟软件链接，如Window5、Coms、Trnsys、Spark等，以便用户对建筑系统做更详细的模拟。它可以对建筑物的材料、通风、供暖、空调等系统的能耗情况进行模拟分析[15]。

2　建筑运行能耗主要影响因素分析

测试房间为学生实验室房间，经过实际调研，学生每天按时打卡上下班，房屋内的人员数量基本是规律性的。在对测试结果影响极小的情况下，个别情况可按人员流动的正常规律认定。人员活动的时间表如图2所示。

图2　房屋人员数量随时间变化图

房间内电气设备有电脑、空调，一种设备运行模式是早上8点上班到晚上10点下班时间设备持续运行，另一种设备运行模式是上班时间持续运行，休息时间则停止运行。运行时间表如图3、4所示。

图3　房屋设备持续运行时间图

图4　房屋设备间歇运行时间图

2.1夏季空调温度对能耗的影响

保持房间人数，灯的数量，天气状况不变的情况下，冬季温度设定20 ℃，改变夏季空调设定温度值观察建筑能耗变化。能耗模拟结果如图5所示。

图5　能耗随设定温度改变的变化图

随着设定温度的升高，夏季空调能耗逐渐降低，每升高1 ℃，能耗降低大约4%。现代办公建筑夏季空调温度设置在25～27 ℃之间人们舒适感比较好，低于25 ℃会使人有寒冷的感觉，高于27 ℃起不到降温凉爽的作用，过高或过低的温度不仅对身体不利而且还需消耗更多的能源，合理的设定夏季空调的温度值是很有必要的。结合夏季人们舒适性和能耗低的要求，夏季空调温度设定在27 ℃较为适宜。

2.2冬季温度变化对能耗的影响

保持房间内人数、灯的数量、天气状况不变，夏季空调温度设定27 ℃，改变冬季温度设定值观察建筑能耗变化。能耗模拟结果如图6所示。

冬季，随着室内温度要求的升高，供暖能耗逐渐的上升，每升高1 ℃，多消耗能量大约13%。冬季室内温度在18～20 ℃之间人们的感觉较为舒适，低于18 ℃达不到冬季供暖的效果，高于20 ℃会使人感到烦闷，且浪费能源。结合人们的舒适性和能耗低的要求，冬季供暖温度保持在18 ℃比较适宜。

图6　能耗随设定温度的改变的变化图

2.3设备运行时间对能耗的影响

现代建筑办公室在中午和晚饭时间期间，空调、电脑等设备一般持续运行，这样大大的浪费了能源，在休息时间关闭设备在能源的节约上起着很大的作用。我们可以让电脑、空调等设备在休息时间停止运行，关闭电灯，按照图4所示运行。观察能耗情况与图3运行的能耗的大小情况，见表1。

表1　能耗对比表

就餐休息时间选择停止运行空调和电脑等设备可以节约能耗大约20%，在大力倡导节能的今天有很大的影响作用。由于中午的休息时间过长，在下午开始工作时有可能房间内的温度变化到与室外相差不多，这样在突然进入室内人们可能会有轻微的不适感，可以采取在上班开始前10 min开启设备运行，增强人们的舒适感和能源的低能耗使用。如果中午休息时间的人员待在办公室则不适合关闭设备。

2.4房屋内人员数量对能耗的影响

冬季温度设定18 ℃，夏季温度设定27 ℃，天气状况采用山东省济南市，改变房间内的人员数量，按设备运行时间表B运行，观察房屋内的能耗变化情况,如图7所示。

随着房间内人数的增多，夏季空调的能耗呈上升趋势，屋内每增加1人，房屋的能耗大约增加1 %。而冬季供暖能耗逐渐开始呈下降趋势，当人数达到7人时，冬季供暖能耗最低，人数超过7人时，能耗呈上升趋势，因此面积为48 m2的房屋容纳人数最多为7人，全年能耗消耗的最小。

在实际条件下，房屋内的人员流动性比较大，办公室里7个人可能不全是一直待在办公室，实际能源消耗的可能更少。

图7　能耗随人数改变的变化图

2.5天气状况对能耗的影响

冬季温度设定18 ℃，夏季温度设定27 ℃，房间内的人员数量为7 人，按图4所示运行。以上采用济南当地的天气情况对建筑的能耗与人员、设备的关系进行分析，给出济南建筑的运行策略。EnergyPlus固定的某地的天气参数不能直接改变，我们利用不同地域的天气状况不同来模拟不同的天气状况，观察不同天气情况下房屋的能耗与人员、设备等因素的变化情况。如图8所示。

图8　能耗随不同地点天气变化图

由图8中可以看出，纬度较高地区消耗的能量较高且主要是冬季供暖的能量消耗，纬度较低的地区天气炎热时间较长，空气相对比较潮湿，能量消耗的来源主要是夏季空调的能量消耗。中部地区的消耗虽然不尽相同，但是在全年的总能源的消耗是相近的。

3　结论

研究以北方地区济南当地的建筑房间为实验对象，通过人员、设备、气候等与能耗的分布关系，对实验房间的能耗进行了分析处理。经过模拟数据的分析处理，找到了诸多因素与建筑运行能耗之间的内在联系和规律。结果表明：(1) 随着设定温度的升高，夏季空调能耗逐渐降低，每升高1 ℃，能耗降低大约4%，夏季空调温度设定在27 ℃较为适宜；(2) 冬季随着室内温度要求的升高，供暖能耗逐渐的上升，每升高1 ℃，多消耗能量大约13%，冬季供暖温度保持在18 ℃比较适宜；(3) 就餐休息时间选择停止运行空调和电脑等设备可以节约能耗大约20%；(4) 面积为48 m2的房屋容纳人数最多为7人。

[1]潘毅群，吴刚，Haetkopf V.建筑全能耗分析软件EnergyPlus及其应用 [J] .暖通空调，2004，34(9):2-7.

[2]Feng J.C., Ding Y.F., Wu H. J. .EnergyPlus energy simulation software and its application tools [J]. Building Energy Efficiency, 2012, 40(1):64-67.

[3]Zhao J., Lam K.P., Ydstie B.E.,etal.. EnergyPlus model-based predictive control within design-build-operate energy information modelling infrastructure[J]. Journal of Building Performance Simulation, 2015,(8):121-134.

[4]李越铭, 吴静怡, 盐地纯夫. 水冷(热)变频多联空调系统的全年能耗模拟和分析[J].太阳能学报, 2011(7):1040-1045.

[5]朱文敏. 基于EnergyPlus的微型三联供系统模拟与分析 [D].上海：上海交通大学, 2007.

[6]周静娜. 基于EnergyPlus能耗模拟的外墙保温层厚度研究 [J].安徽建筑, 2014, 21(5):262-263.

[7]程桃桃. 基于Energy Plus平台的办公建筑动态能耗模拟分析 [D].西安：西安建筑科技大学, 2011.

[8]Liu J., Heidarinejad M., Gracik S.,etal.. The impact of exterior surface convective heat transfer coefficients onthe building energy consumption in urban neighborhoods withdifferent plan area densities [J]. Energy & Buildings, 2015, 86(6):449-463.

[9]Mingming Zuo M. M., Yiqun Pan T. Q.. The energy simulation and the energy saving potential analysis in the public constriction [J].Building Energy & Environment,2008,27(12): 84-89.

[10]谷炳龙. 地源热泵系统模拟与优化 [D].武汉：华中科技大学, 2011.

[11]Nouidui T., Wetter M., Zuo W.. Functional mock-up unit for co-simulation import in EnergyPlus [J].Journal of Building Performance Simulation, 2014, 7(3):192-202.

[12]Ma J., Qin J., Salsbury T.,etal.. Demand reduction in building energy systems based on economic model predictive control[J]. Chemical Engineering Science, 2012, 67(1):92-100.

[13]Friess W.A., Rakhshan K.., Hendawi T.A.,etal.. Wall insulation measures for residential villas in Dubai: A case study in energy efficiency [J]. Energy & Buildings, 2012, 44(1):26-32.

[14]Picco M., Lollini R., Marengo M. .Towards energy performance evaluation in early stage building design: A simplification methodology for commercial building models[J]. Energy & Buildings, 2014, 76(11):497-505.

[15]Garg V., Jawa A., Mathur J.,etal.. Development and analysis of a tool for speed up of EnergyPlus through parallelization[J]. Journal of Building Performance Simulation, 2014, 7(3):179-191.

(学科责编：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

国家自然科学基金(61273326)；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2013DX018)；山东省高校科技发展计划项目(J11LG16)；住房和城乡建设部科学技术项目(2011-K1-18)

于晓谕(1991-)，男，在读硕士，主要从事建筑设备智能化与能效管理方面的研究. E-mail：yxycxm@163.com

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

1673-7644(2016)02-0148-05

TP391.9

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