建筑能耗模拟与优化软件平台设计*

赵安军, 魏廷剑,于军琪

(西安建筑科技大学 信息与控制工程学院, 陕西 西安 710055)



建筑能耗模拟与优化软件平台设计*

赵安军, 魏廷剑,于军琪

(西安建筑科技大学 信息与控制工程学院, 陕西 西安 710055)

介绍了建筑能耗模拟与优化软件平台设计,给出了软件平台的体系架构和逻辑架构,分析了软件平台的功能和应用场景。建筑能耗模拟与优化软件平台针对新建建筑和已有建筑,可给出采用不同建筑参数的对比分析报告,向用户提供建筑能耗模拟分析和优化服务; 针对绿色建筑评价标准(绿建标准)的实施,对绿建标准中要求的项目进行模拟分析,支撑绿建标准的实施。

建筑能耗模拟; 云计算; 能耗优化; 软件设计

赵安军(1975—),男,副教授,研究方向为智能建筑、能耗检测与评估。

0 引 言

目前,建筑能耗模拟软件在建筑节能领域中发挥着越来越重要的作用。由于建筑的物理特性复杂,热湿过程的计算量巨大，只能采用计算机在短时间内完成复杂的运算。因此,在进行建筑能耗分析计算时,能耗模拟软件发挥着巨大作用。建筑能耗模拟主要包括建筑负荷和能耗的模拟，为后续的节能设计、节能评估、节能审计以及节能措施的制定提供参考;通过不同工况的模拟,进行围护结构、设备、暖通空调系统、控制系统和控制策略等的优化,通过经济性分析得出最佳方案;设备与系统各种运行状况的预测，在内外扰动等复杂因素的作用下,系统中参数的变化很复杂。通过建筑能耗模拟软件,能比较方便地预测各种工况下的系统参数，为节能标准和规范的制定、实施提供辅助作用。

目前,建筑能耗模拟软件主要有DOE-2、EnergyPlus、Trnsys、PKPM-CHEC和DeST等[1-2]。DOE-2建筑能耗模拟软件采用模块结构,包括Load模块、Economic模块、Plant模块和System模块。在实际的过程中,建筑室内热环境、主机以及空调系统的运行情况是相关的,但DOE-2方式彼此没有反馈,导致计算结果失真。EnergyPlus整合了DOE-2和其他类型模拟软件的优点,采用集成同步的负荷、系统和设备的结构,在管理模块的监督下,彼此之间有反馈,计算结果准确。EnergyPlus作为建筑能耗模拟引擎,能够精确地处理较复杂的各类建筑。在处理建筑热过程时考虑了多方面的因素[3-4]。

因此,基于云计算的建筑能耗模拟与优化平台采用EnergyPlus为能耗模拟引擎,通过软件即服务(SAAS)的方式,构建其输入文件(IDF或IMF文件),对其标准输出进行文档化、图形化等处理,向用户提供建筑能耗模拟和优化服务[5-8]。

1 平台架构

建筑能耗模拟与优化软件平台能够向用户提供专业级建筑能耗模拟分析和优化服务，对用户的专业性要求低,操作简单，支持不同类型的能耗模拟输入文件,包括IDF文件、IMF文件、GBXML文件和自定义的建筑相关参数。该平台提供了国内常见建筑形式的热工参数模板,可以通过简单图形化的修改,完成建筑能耗模拟相关参数的输入,形成标准的IDF文件。同时，该平台支持智能的任务管理,能够同时针对多个用户的多个模拟任务进行模拟计算、优化和分析,并以数据和图表的形式呈现专业建筑能耗模拟分析报告。针对用户提交的建筑方案,模拟分析系统对新建建筑和已有建筑给出采用不同建筑参数的对比分析报告。

1.1 平台体系架构

平台体系架构如图1所示。通过IaaS的基础设施即服务为EnergyPlus模拟计算引擎、数据库服务、Web服务,提供包括计算资源、网络资源、存储资源等基础设施保障。通过PaaS平台即服务提供模拟、优化应用服务、EnergyPlus计算服务、数据库服务、Web应用服务,对前端客户需要的功能进行支撑。通过SaaS软件即服务的方式,以Web、APP等形式向用户提供建筑能耗的模拟服务,用户可通过Web、APP生成模拟和优化任务,查看模拟和优化结果。

图1 平台体系架构

2 平台逻辑架构

平台逻辑架构如图2所示，主要包括输入文件处理、核心系统和输出文件处理。

图2 平台逻辑架构

输入文件处理主要针对不同形式的数据输入,包括EnergyPlus标准的IDF/IMF文件、Revit导出的绿建文件GBXML、用户自定义的参数文件及相关的CAD文件。IDF/IMF作为EnergyPlus标准输入文件,通过验证后可以直接作为平台的输入文件;GBXML文件作为Revit导出文件,需要后端的输入文件处理并进行转换,用户可对其参数进行调整,生成IDF文件作为输入文件;用户自定义文件根据不同的输入文件模板,通过平台软件进行建筑及其相关参数的自定义,最终生成IDF文件。

平台核心部分包括Web服务,EnergyPlus、Trnsys计算引擎、数据库服务。Web服务对用户的Web应用软件、APP软件提供服务,实现包括模拟任务、用户管理、优化管理、系统管理等业务逻辑;EnergyPlus、Trnsys计算引擎完成能耗的模拟计算,并输出相关的模拟计算结果;数据库服务存储与平台相关的结构化数据,包括模拟任务数据、模拟产生的结果数据、文档结果信息、输入文件信息等。输出文件处理模块针对EnergyPlus、Trnsys计算引擎输出的标准结果文件,按照用户的需要,输出不同格式、不同形式的能耗模拟分析报告。

2 平台功能

用户端的系统功能包括模拟任务管理、建筑模板、气候参数、优化设定和系统管理,平台端功能包括任务执行管理、结果分析管理、建筑模板管理、计算引擎管理、气候文件管理、优化设定和系统管理。

任务管理以IDF/IMF、GBXML文件为输入文件,结合平台提供的建筑模板,实现模拟分析任务的创建。任务的输入文件可以采用IDF、IMF、GBXML等文件,也可以采用建筑模板进行简单的修改。模拟分析结果报告以任务为单位进行管理。新建任务中,可以关联所处的地理位置和相关气候参数。

建筑模板主要根据典型的建筑设计和实施方案给出,包括用来进行模拟的主要参数,如建筑的建筑、结构、水电暖等基本信息,以及建筑构件、材料的数据。用户可根据实际建筑情况选择参数,快速构建用来模拟的IDF/IMF文件。

气候参数给出平台所支撑的气候数据,可根据所处的地理位置选择,用户也可以加入自定义的气候参数,在建立新任务时通过地理位置自动获取气候参数文件。在模拟中可以对建筑方案进行优化对比,通过调整建筑的朝向、窗墙比、相关材料、空调系统,给出建筑优化的设计方案或节能改造方案。

3 平台应用分析

建筑能耗模拟与优化软件平台主要应用于新建建筑设计、现有建筑节能改造项目支撑、国家建筑节能、绿建标准实施的支撑等方面。

(1) 新建建筑通过平台能够给出不同方案的能耗情况,可以给出更加细致、精确的能耗分析报告。针对同种建筑设计方案,可以通过调整窗墙比、玻璃所用材料、外围护等优化设计。

(2) 节能改造项目通过平台模拟输出的精确能耗分析,可以精准地了解节能改造建筑的潜力,支撑节能项目改造决策。该平台能够提供直观、科学、合理的节能潜力分析报告,增强节能改造项目的必要性和可行性。

(3) 针对绿建标准的实施,可通过平台对绿建标准中要求的项目进行模拟分析,支撑绿建标准的实施。同时该平台提供当前不同类型建筑的能耗模拟分析结果,为管理提供数据支撑。

4 结 语

介绍了建筑能耗模拟与优化软件平台设计,并在软件平台功能的基础上,阐述了该软件平台主要应用于新建建筑设计、现有建筑节能改造项目支撑、国家建筑节能、绿建标准实施的支撑等方面。

[1] 朱丹丹,燕达,王闯,等.建筑能耗模拟软件对比:DeST、EnergyPlus and DOE-2[J].建筑科学,2012(S2):213-222.

[2] 周宴平,吴静怡,王如竹.EnergyPlus中变频多联空调的模块开发和能耗仿真分析[J].系统仿真学报,2007(20):4808-4811.

[3] CRAWLEY D B,LAWRIE L D,WINKELMANN F C.EnergyPlus:creating a new-generation building energy simulation program[J].Energy and Buildings,2001,33(4):319-331.

[4] ANDOLSUM S,CULP C H.A comparison of EnergyPlusto DOE-2.1E:multiple cases ranging from a sealed box to aresidential building.Proceedings of SimBuild[C].New York,2010.

[5] 孙红三,吴如宏,燕达.建筑能耗模拟软件的BIM数据接口开发与应用[J].建筑科学,2013(12):11-17.

[6] 罗军舟,金嘉晖,宋爱波,等.云计算:体系架构与关键技术[J].通信学报,2011(7):3-19.

[7] 叶青,李振海.DeST能耗模拟软件在某建筑冷热源方案分析中的应用[J].能源技术,2008(1):35-39.

[8] 周欣,燕达,洪天真,等.建筑能耗模拟软件空调系统模拟对比研究[J].暖通空调,2014(4):114-125.

Design of Software Platform for Building Energy Consumption Simulation and Optimization

ZHAO Anjun,WEI Tingjian,YU Junqi

(School of Information and Control Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

This paper introduced the design of software platform for building energy consumption simulation and optimization,and gave the system architecture and logical architecture of software platform.The specific functions and application scenes of the software platform were analyzed.The software platform for building energy consumption simulation and optimization gives the comparative and analytic reports at different construction parameters for new building and existed building,and offers building energy consumption simulation analysis and optimization services for users.Aiming at the implementation of the green building standards,the software platform simulates the demand items in green building standards,which supports the implementation of the green building standards.

building energy consumption simulation; cloud computing; energy consumption optimization; software design

国家自然科学基金资助项目(51508445);陕西省科技计划国际合作项目(2014kW17);教育部留学回国人员科研启动基金(教外司留[2014]1685号)

TU 201.5

B

1674-8417(2016)10-0018-03

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.006

2016-10-08

魏廷剑(1994—),男,硕士研究生,研究方向为建筑智能控制技术。

于军琪(1969—),男,教授,研究方向为建筑智能与节能控制技术。