建築效能模擬（英文：Building performance simulation，BPS）是電腦模擬領域中的一個子領域，是指使用電腦建立數學模型，來對建築物的物理效能進行電腦模擬。建築物效能模擬的目的是量化與建築物的設計、建造、營運和控制等各個方面。建築效能模擬具有多個子域；最突出的是熱傳模擬、照明模擬、聲學模擬和氣流模擬。 簡介 從物理角度而言，建築物是一個非常複雜的物理系統，受各種引數的影響。電腦模擬能夠以一種較為可行的、相對較低工作量、較低成本的方式，來量化和比較個個設計方案之間的相對成本和效能。能源需求、室內環境質量（包括熱熱舒適性、視覺舒適度、室內空氣品質和溼氣現象）、 HVAC 和可再生能源效能、城市尺度建模、建築物自動化和運營最佳化等，都是建築效能模擬的重要的研究內容 。 在過去的六十年中，已經有許多建築效能模擬軟體被開發並投入使用。 建築效能模擬領域的核心工具是多領域，動態，整座建築的模擬工具，可為使用者提供關鍵指標，例如供暖和製冷負荷、能源需求、溫度趨勢、溼度、熱熱舒適性、視覺舒適度、空氣汙染物，生態影響和成本 。 其中一些軟體僅涵蓋建築效能模擬的某些部分，如氣候分析、熱舒適性、能量計算、中央單元建模、日光模擬等。 典型的建築模擬模型輸入值包含當地天氣；建築幾何；建築外殼隔熱效能；內部熱量來自照明、居住者和裝置所產生的熱； HVAC 系統規格；操作時間表和控制策略。 在建築效能模擬工具之間，輸入的難易程度和輸出資料的視覺化程度差異很大。先進的整體建築模擬工具能夠以不同的方式以某種方式考慮以下所有方面。 建築模擬所需的輸入資料 氣候：周圍空氣溫度，相對溼度，太陽直射和漫射輻射，風速和風向。 地點：建築物的位置和方向，地形和周圍建築物的陰影，地面物理性質。 建築幾何：建築形狀和區域幾何。 建築外殼：材料和結構，窗戶和遮陰（如採光罩）、熱橋、滲透和開口等，這些都會影響建築外殼的隔熱性。 內部熱取得：照明裝置、室內人員和家電裝置都會產生熱，因此模擬時需要輸入裝置操作時程表及人員佔用時程表。 通風系統：空氣的輸送和調節（加熱，冷卻，加溼），如對外通風扇。 房間單元：各個房間的供暖、製冷和通風單元，如個別空調系統（即非中央空調冷氣）。 中控單元：用於將能源轉化，儲存和輸送到建築物的中央單元，如中央空調等。 控制：用於開窗裝置、遮光裝置、通風控制系統、、中控元件等。 建築模擬所輸出之關鍵指標 溫度趨勢：在區域，表面，建築層中，用於熱水或冷水的供應或在雙層玻璃幕牆中 舒適度指標：如 PMV 和 PPD ，輻射溫度不對稱，CO 2 濃度，相對溼度 熱平衡：適用於區域，整個建築物或單個工廠元件 負載曲線：用於加熱和冷卻需求，裝置和照明的電流曲線 能源需求：用於加熱，冷卻，通風，照明，裝置，輔助系統（如泵，風扇，電梯） 日光可利用性：在某些區域，在不同時間點，外部條件各不相同 其他建築模擬之應用 系統規模之預測：用於評估該建築暖通空調元件的噸數，例如空氣處理單元，熱交換器，鍋爐，冷卻器，儲水箱，熱泵和可再生能源系統。過高的冷氣噸數會造成不必要的能源消耗；過低的冷氣噸數會無法滿足建築熱舒適性需求。 最佳化控制策略：設定用於遮光，開窗，加熱，冷卻和通風的控制器，以提高操作效能。 歷史 建築效能模擬的歷史大約跟電腦的發展歷史一樣長。早期發展始於 1950 年代末和 1960 年代初的美國和瑞典。在此期間，引入了幾種穩態計算來分析單個系統元件（例如燃氣鍋爐）的方法。最早的建築模擬工具是 BRIS ，由斯德哥爾摩皇家技術學院於 1963 年所推出。 直到 1960 年代後期，已經開發了幾個可計算逐時數值的模型，開發重點集中於能量評估和暖通空調耗能計算。到了 1970 年代初，開發出一系列更強大的模擬引擎，其中包括 BLAST，DOE2， ESPr ，HVACSIM 和 TRNSYS 等。 在美國，1970 年代的能源危機 加快了這方面的研究發展，因為減少國內建築物的能源消耗已成為迫切的政策需求。能源危機也造成了美國建築能源標準的制定，如 ASHRAE 9075。 建築模擬的發展代表了學術界，政府機構，行業和專業組織之間的共同努力。在過去的幾十年中，建築模擬已經發展成為一個獨立領域，為建築效能評估提供獨特的專業知識、方法和工具 Hensen J 2006 。 在 1980 年代，一群領先的建築模擬專家開始討論建築效能模擬的未來方向。人們一致認為，當時開發的大多數工具在結構上都過僵化，無法適應將來需要的改進和靈活性。 Clarke JA Sowell EF the Simulation Research Group 1985 A Proposal to Develop a Kernel System for the Next Generation of Building Energy Simulation Software Lawrence Berkeley Laboratory Berkeley CA Nov 4 1985 大約在這個時候，開發了第一個基於方程式的建築模擬環境 ENET Low D and Sowell EF 1982 ENET a PCbased building energy simulation system Energy Programs Conference IBM Real Estate and Construction Division Austin Texas 1982 pp 27 ，這為 SPARK 提供了基礎。 1989 年，Sahlin 和 Sowell 提出了一種用於構建模擬模型的中性模型格式（NMF），如今已在商業軟體 IDA ICE 中使用。 Sahlin P and Sowell EF 1989 四年後，克萊因（Klein）推出了工程方程求解器（EES） ，1997 年，馬特森（Mattsson）和埃爾姆奎斯特（Elmqvist）報告了國際上為 Modelica 設計的努力。 建築效能模擬仍然面臨種種挑戰， Clarke（2015）用以下最重要的任務描述了建築效能模擬的未來願景，全球建築效能模擬社群應解決這些最重要的任務 。 更好的概念推廣 輸入資料的標準化和模型庫的可得性 標準績效評估程式 在實際應用中更好地利用建築效能模擬 建築效能模擬的操作支援和錯誤排除 教育，培訓和使用者認可 準確性 在建築物模擬領域中，誤差是指模擬結果與建築物的實際測量效能之間的差異。建築物設計和建築物評估中通常會出現不確定性，這些不確定性通常源於模型輸入的近似值，如人員佔用程度。校準是指 調整 或調整假定的模擬模型輸入以匹配來自公用事業或建築物管理系統（BMS）的觀測資料的過程 。 在過去十年中，涉及建築物建模和模擬準確性的出版物數量大大增加。許多論文報告了模擬結果和測量結果之間的巨大差距 ，而另一方面，其他研究則表明模擬結果和測量結果高度相符 。建築效能模擬結果的可靠性取決於許多不同的因素，例如，輸入資料的品質、 操作工程師的能力以及模擬引擎中所使用的演演算法 。 de Wilde（2014）概述了從設計階段到運營的效能差距，該原因可能引起廣泛討論，而 Zero Carbon Hub（2013）則提供進度報告。兩者都得出上述因素是 BPS 的主要不確定因素 。 ASHRAE 標準 1402017評估建築能耗分析計算機程式的標準測試方法（ANSI 批准） 提供了一種方法，可以驗證計算熱效能的計算機程式的技術能力和適用範圍。 ASHRAE 準則 42014 提供了用於模型校準的效能指標標準。 所使用的效能指標為歸一化平均偏差（NMBE），均方根誤差（RMSE）的變異係數（CV）和 R 2 （確定係數）。 ASHRAE 建議校準後的模型的 R 2 大於 075。 NMBE 和 CV RMSE 的標準取決於是否每月或每小時都可獲得測量資料。 技術方面 考慮到建築能耗和質量流量的複雜性，通常無法找到解析解，因此模擬軟體採用其他技術（例如響應函式方法或有限差分或有限體積法等數值方法）作為近似值。 當今大多數建築物模擬程式中的大多數都使用指令式程式設計語言來制定模型如 C C ， Fortran 或 MATLAB Simulink 等。在此類程式中，通常透過將求解過程作為實際模型方程式的一部分，將模型方程式與求解方法緊密聯絡。 指令式程式設計語言的使用限制了模型的適用性和可擴充套件性。使用符號微分代數方程（DAE）和通用求解器的模擬引擎可提供更大的靈活性，這些通用求解器可提高模型的重用性，透明度和準確性。由於其中一些發動機已經開發了 20 多年，如 IDA ICE，並且由於基於方程式建模的關鍵優勢，這些模擬引擎可以視為最先進的技術 。 應用領域 可以為新建築物或現有建築物開發建築物模擬模型。建築效能模擬的主要用途類別包括： 建築設計：定量比較設計或翻新選項，以提供更節能的建築設計 暖通空調設計：計算熱負荷以確定機械裝置的尺寸，並幫助設計和測試系統控制策略 建築效能等級：展示基於效能的能源法規，綠色認證和經濟激勵措施 建築存量分析：支援制定能源法規和標準，並計劃大規模的能源效率計劃 計算流體力學在建築方面的應用：模擬邊界條件，例如表面熱通量和表面溫度，用於隨後的 CFD 研究 軟體工具 詳見建築能耗模擬軟體。 建築效能模擬的實踐 自 1990 年代以來，建築效能模擬已經從主要用於研究的方法過渡到主流工業專案的設計工具。但是，不同國家的利用率仍然相差很大。諸如 LEED （美國）、 BREEAM （英國）或 DGNB （德國）之類的建築認證計劃證明是 BPS 尋求更廣泛應用的良好動力。另外，允許基於建築效能模擬進行分析的國家建築標準對於增加工業應用也有很好的幫助，例如在美國（ ASHRAE 901 ） 、瑞典（BBR） 、瑞士（SIA） 和英國（NCM） 。 瑞典建築法規的獨特之處在於，必須在建築運營的前兩年內透過測量來驗證計算的能源使用量。自 2007 年法規施行以來，根據統計建模人員偏好高度詳細的模擬模型，以求有效達到所需的精確度。 參考資料 Category 低能耗建築 Category 節約能源 Category 建築工程 Category 建築