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作者：樊瑛單位：中國建筑科學研究院上海分院

目前，國內主流的建筑節能軟件有中國建筑科學研究院開發的PBECA、清華斯維爾THS-BECS與天正建筑節能軟件TBEC共三款軟件。本文將在國外建筑能耗模擬軟件綜述的基礎上，對國內建筑節能軟件的現狀以及發展中遇到的障礙或瓶頸進行深入分析。

國外建筑能耗模擬軟件綜述

建筑能耗模擬軟件已發展了40余年。第一代建筑能耗模擬軟件是基于在設計手冊中就可以找到的解析方程式進行開發的；第二代基于簡化動態模型；第三代采用數值計算方法，可實現建筑的聲、光、熱等熱工性能的部分融合；第四代完全綜合了建筑的聲、光、熱等多方面的模擬功能。從第一代到第四代，模擬結果逐漸接近建筑能耗的實際情況，但同時，使用起來更加復雜，在專業方面，對軟件使用者也提出了更高的要求。

1暖通空調系統設計與分析軟件

1.1能耗分析

基于建筑與系統熱性能的一系列方程式，在給定的邊界條件、運行策略以及控制策略下，這些軟件可進行逐時，甚至逐分的模擬。常用于分析系統在滿負荷和部分負荷工況下、不同系統運行策略以及設計方案下的系統能耗情況。具有這些功能的軟件有Carri-erHAP、TraneTRACE700、DOE-2、eQUEST、Energy-Plus、ESP-r、IDAICE、TRNSYS、HVACSIM+、VA114以及SIMBAD等。

1.2系統優化

系統優化常與系統性能分析軟件結合使用，如通用優化軟件Genopt，其與TRNSYS軟件相結合可實現對系統進行優化，非常方便。

1.3系統控制分析與優化

在目前可用的軟件中，系統控制的模擬水平存在很大的差異。(1)控制器可以用管理控制模型，如在EnergyPlus、TRNSYS以及ESP-r中，常采用簡單的本地控制模型。(2)在基于MATLAB的工具SIMBAD，與MAT-LAB耦合的工具ESP-r以及TRNSYS中采用了更高級的控制器，比如模糊邏輯控制器。

1.4系統實時性能優化

在建筑運行階段，運用模擬軟件的好處仍未進行充分研究。目前，模擬軟件可實現以下功能：(1)調試診斷：驗證整個建筑、系統以及各組成設備的性能。(2)監控診斷與故障檢驗診斷：檢驗、分析、定位以及預測每日運行過程中系統與設備存在的問題。(3)仿真一個建筑及其暖通空調系統：模擬建筑的響應以及該建筑內的暖通空調系統對能源管理系統命令的響應情況。

2建模方法

2.1暖通空調系統組件的建模方法

對于大多數建筑與系統性能模擬模型而言：(1)其狀態是連續的，因為模型變量的范圍用實數或者區間來表示。然而，一些模型的狀態假定是離散值，因此，為離散狀態模型。(2)其時間是離散的。如果模型的狀態是連續的而時間是離散的，那么該模型可用差分方程式來描述。(3)具有確定性。然而，也可以采用隨機模型。(4)是時變的，因為在不同時間段相互作用規則是不同的。(5)其可用于靜態和動態的分析。(6)正向的。所謂正向模型指的是基于已知結構與已知參數，來預測的輸出變量。逆向模型往往更加簡單。所謂逆向模型指的是組件的輸入與輸出變量已知，目的是確定數學描述且評估系統參數。通常在故障檢驗與診斷時，才能用到此種模型。

2.2HVAC控制的模擬方法控制器分為兩類，本地控制與管理控制。

(1)本地控制：允許HVAC系統適當運行以及提供足夠服務的低水平控制器。本地控制可進一步分為時序控制與過程控制。時序控制(SC)定義了設備開關的順序，即在什么情況下開啟，在什么情況下關閉。典型的時序控制器依次為制冷機時序控制器、冷卻塔時序控制器、水泵時序控制器以及風扇時序控制器等。過程控制(PC)用于調整控制變量以滿足根據擾動所需求的設定點，并且考慮系統動態特征。在HVAC領域常用的典型過程控制器為P、PI、PID、ON/OFF、步長控制器等。

(2)管理控制：完全考慮了系統水平特征與組件間以及與組件相關的變量之間的相互作用的高水平控制器。比如：一個管理控制器設定運行模式以及為本地控制設定點。從建模的角度，控制器用方程式來表達。此方程式必須滿足每個模擬步長。控制器指導建筑與系統以及系統內各組件之間的相互作用。

事實上，閉環的本地過程控制的傳感器可從一個可測量的變量獲得抽樣。基于設定點數值以及可測量的數值，根據控制器指定的控制算法，控制器計算控制信號，該控制信號可以向實際的執行機構提供信號。然而，在模擬中，用戶可以說明在實際中不能被感應或調解的變量。比方說，一個模型調節器可以直接調節一個模型里的熱流量，然而，在實際中，這個只能通過改變閥門位置來實現。由于在實際工程中許多變量無法獲得，比如冷熱負荷。然而，在模擬中，可以進行理想的控制。比如，可以根據負荷的變化來控制制冷機、冷卻塔等的運行時間。

2.3HVAC系統的模擬方法

HVAC系統的模擬方法分為四類：

(1)純概念的系統建模方法：僅考慮房間過程，一次系統與二次系統中的所有其他過程均視作理想過程。比如，用房間冷熱負荷去確定所需要的HVAC系統的大小。當前，大多數的建筑性能軟件工具均采用此方法來模擬系統。

(2)基于系統的模擬方法：用預先已定義好的通用系統類型，如VAV、CAV系統。這些模擬方法在DOE-2(見圖1)、eQUEST、BuildingEnergyAnalyzer、BLAST、DesignBuilder、HAP等中采用。用戶可以按照自己的需要來設定容量、系統流量、效率、系統組件特征，但是系統配置和控制策略不能改變，只能在工具中預設。

(3)基于組件的系統模擬方法：用相互連接的組件模型來模擬系統。與上述方法相比，在系統配置以及控制策略方面，此方法更加靈活。

(4)基于方程式的系統模擬方法：一個系統用一個基本的模擬單元表示。該方法的模擬單元比組件要小。基于方程式的模擬工具具有自由的輸入與輸出、模塊化、分等級的、通用的等特征。基于方程式的模擬工具有：①SPARK(SimulationProblemAnalysisandResearchKernel)：面向對象的模擬環境，基本的對象是一個方程式，由LawrenceBerkeley實驗室開發的。②EKS(EnergyKernelSystem)：在ESP-r模擬環境中進行，英國開發。③NMF(neutralmodelformat)：基于差分算法方程式，為許多現有與正在出現的模擬工具提供了通用模型表達式。

2.4系統模擬模型的計算方法

模擬工具采用的計算方法的不同主要在于積分器的應用方法的差異。系統模擬模型的計算方法包括以下3種：

(1)同時模塊算法：各組件由一個共同的積分器來同時計算。每個組件用時間平均的離散化熱質平衡描述，其聯合起來形成系統矩陣，對于每個模擬時間步長，可同時解決，用隱性的或者顯性的或者混合的數值算法。

(2)獨立模塊算法：每個模塊被提供了單獨的積分器計算。組件的模塊包含與組件的模擬模塊設定與執行相關的所有信息。每個組件被順序進行，系統求解器重復計算直到找到收斂解。

(3)基于方程式的算法：伴隨著基于方程式工具的發展，該算法在近些年也出現了。用這些工具組成的模塊不能直接執行。在執行時，一個模塊需要被轉化為程序語言。

國內建筑節能軟件現狀

國內有代表性的建筑節能軟件為中國建筑科學研究院開發的PBECA、清華斯維爾THS-BECS與天正建筑節能軟件TBEC。表1對此三款軟件進行了比較。從表1可看出，此三款軟件均基于相同的平臺與引擎。另外，該三款軟件的工作流程也是相同的，依次為工程信息設置、圖形導入建模、圍護結構熱工性能設置、節能分析與結果輸出。顯然，這三款軟件內核以及開發思路均是相同的，只是在軟件的界面以及一些細節的處理方面有所不同，比如表1中所列建模過程中的圖形導入處理方式的差異是其最大的不同。

1對應標準的開發模式

以DOE作為引擎，DOE是基于系統的模擬工具，即軟件能夠模擬的系統形式均是預先設定的。而國內建筑節能軟件的開發目標主要是為了滿足我國的公共建筑和居住建筑的節能審查，具體而言，主要是用來進行建筑節能計算。軟件中，暖通空調系統是內置的，界面上沒有關于系統的模塊。內置系統也完全是按照我國當前居住建筑節能標準以及公共建筑節能標準來設定的。

以公共建筑節能計算為例，現行GB50189—2005《公共建筑節能設計標準》提出的50%的節能目標所基于的基準建筑是按照我國20世紀80年代傳統做法，對圍護結構熱工參數、冷熱源機組能效比以及照明參數均作出規定。并且在圍護結構熱工性能的權衡計算中假設所設計建筑和參照建筑空氣調節和采暖都采用兩管制風機盤管系統。即國內建筑節能軟件的設置完全是對應國內節能標準的，僅是為了工程應用而開發的。對應標準的開發模式無法避免的問題是軟件開發工作的低水平重復。一旦國家節能標準或地方節能標準修訂了，那么軟件也要做相應的重復開發工作。

2模塊開發

通常，建筑能耗模擬軟件由負荷模擬模塊、系統模擬模塊、設備模擬模塊以及費用模擬模塊共4個主要模塊組成。對于國內的建筑節能軟件，實質上不完全屬于建筑能耗模擬軟件，而完全是為了滿足市場需求開發的，且僅是針對工程應用的一種工具。市場需求加外部政策的扶持，促使這些軟件有不錯的市場空間。

然而，目前國內建筑節能軟件系統、設備及費用模塊不夠成熟。事實上，若要完全獨立開發系統模塊，短時間內很難開發成功。關于系統能耗模擬的軟件，有主要用于研究的TRNSYS軟件，它是基于組件開發的，功能非常強大，應用也非常靈活。還有DOE系列的VisualDOE、Equest等，其系統類型都是預先設定好的。在國內建筑節能軟件系統開發方面，可參考DOE來進行即可滿足工程需求。同時，也可把注意力投向較新的領域，如太陽能光熱、光電系統、水源熱泵系統等可再生能源系統。另外，建議增加經濟、環境評價模塊。

3軟件定位決定了軟件發展空間

國內軟件定位于工程應用，所以其發展將會遇到瓶頸，很難從工程應用轉化到科學研究，這樣就導致國內建筑節能軟件一直遵循基于國外的成熟的開發成果，與國內標準相結合的開發模式，缺少了創新性的自主開發。即使定位于工程應用，國內建筑節能軟件開發也有許多需要進一步完善的內容：

3.1界面的完善

以PBECA軟件為例，界面分為初步、施工、竣工以及運營階段。不同階段下顯示出了相同的模塊，這種界面會讓用戶產生以下疑問：①怎么到了運營階段，還進行負荷計算分析與焓濕圖計算呢？②不同階段的相同模塊功能有什么不同呢？事實上，不同階段的相同模塊具有相同的功能。建議不要按階段劃分，直接列出各個模塊或許更好，用戶可根據自己的需求來選擇模塊。

3.2材料編輯需要改善的細節

在材料編輯中，對于用戶來說，保溫材料的修正系數的輸入是件很麻煩的事情，建議軟件可根據輸入的保溫材料名稱以及圍護結構的類型直接產生修正系數，從而減少修正系數輸入工作量。對于材料庫中沒有的保溫材料的信息，系統可自動給出修正系數的推薦值。

3.3節能軟件對于建筑專業方案階段的支持

建筑專業在設計方案確定后，用節能軟件計算節能率是否滿足要求。如果結果不滿足業主或標準的要求，目前節能軟件不會對設計者在方案設計方面提供任何幫助。關于此點，提出兩點建議：

(1)建筑專業可同時輸入多種設計組合方案；軟件可以顯示出不同方案的圍護結構熱工性能；軟件可以同時計算出幾種方案的節能率、成本等。當然，對于建筑專業做節能計算報告書時，只關注節能率，但是成本業主會關注，通過設置實現選擇輸出。

(2)建筑專業將自己的初步方案輸入軟件計算節能率，如果不滿足要求，軟件可以提供多種可能的解決方案。方案需具體到選用材料的類型、厚度等，而不是宏觀性的指導。如此，該軟件對建筑專業的節能設計工作將會帶來很大幫助。

結語

國外軟件發展成熟有序，國內建筑節能軟件僅定位于工程應用。基本思路是利用國外軟件的內核，結合國內標準，進行開發，此種模式限制了國內建筑節能軟件的定位，從而對軟件開發應用領域有所限制。缺乏原始創新。另外，當前國內節能軟件，也需要從界面、材料編輯、對建筑專業方案階段的支持等方面進行一些改善。