建築能耗模擬軟體

建築物能耗模擬軟體是一種在建築設計階段使用的工具，能夠透過電腦模擬預測未來建築物的能耗情況，達成建築性能模擬。這有助於評估不同設計方案的性能，並選擇那些具有較低能耗的方案。通常這些軟體使用幾類基礎模擬引擎，如DOE-2或BLAST。隨後，開發者再基於這些引擎創建帶有使用者介面的模擬引擎，例如美國的EnergyPlus、eQuest，英國的ESP-r和加拿大的EE4等，使得設計者能夠更有效地評估和優化建築的能源效能。

## 基礎模擬引擎

DOE-2和BLAST通常被稱為建築能耗模擬領域的兩大公用軟體，各有其特點和應用範疇。

### DOE-2

DOE-2是一款建築能耗動態模擬分析軟體，由美國能源部的勞倫斯伯克利國家實驗室於1980年代開發。該軟體可根據已知的氣象條件、建築外殼、空調系統、電氣設備和照明等建築條件，分析它們對能耗的影響，並計算建築物的能耗性能和設備運行的壽命周期成本（LCC）。

DOE-2的輸入方法較為特殊，使用者需手寫輸入檔，而這些檔案必須符合嚴格的格式和關鍵字要求。這使得對於初學者而言，學習使用較為困難。軟體將能耗分為空調、動力、照明等三大項目，其中動力和照明的耗電量與使用時間呈現線性相關。至於空調部分的能耗計算，則考慮了氣候、建築結構、材料、運轉模式以及內部空調負荷等多條件的耦合計算。

雖然DOE-2在建築能耗模擬方面提供了有用的功能，但目前程式已停止更新，版本仍維持在DOE-2.2。這意味著模擬功能的擴充和程式錯誤的修正都已終止。

### BLAST

BLAST是一款建築能耗模擬軟體，全名為「建築物負荷分析和系統熱力學」（Building Loads Analysis and System Thermodynamics），由美國國防部提供資助開發。此軟體主要適用於工業製冷和供熱負荷計算，以及建築物空調系統和電力設備的逐時能耗模擬。

BLAST以較低版本的Fortran77語言編寫而成，但軟體本身操作較為專業，使用者需要對相關領域擁有深入的知識和實務經驗。

## 包含使用者介面的模擬引擎

### EnergyPlus

EnergyPlus，由美國能源部資助勞倫斯伯克利國家實驗室開發，是以DOE-2為基礎的大型能耗分析計算軟體，從1998年便開始進行整合的工作，將DOE-2的強項功能納入並且同時發展新的功能模組，包括熱負荷計算模組、空調系統模組、機房模組、經濟分析模組。該軟體據動態負荷理論，採用反應係數法，對建築物及相關的供熱、通風和空調設備能耗，進行模擬計算。

與DOE-2相較之下，EnergyPlus目前同樣也是國際公認的建築能耗分析軟體，並且該軟體是免費軟體，由於其模擬功能更為完整並且持續進行軟體版本的更新，使用人數和範圍也非常廣泛，因此目前已有逐步取代DOE-2的趨勢。EnergyPlus比較適合於研究多區域氣流、太陽能應用方案以及建築物熱力性能；輸出是簡單的ASCII文件，輸出型式包括txt、excel以及html等，使用者必需透過後處理方式才能獲得圖形化結果。2017年釋出 EnergyPlus 8.8.0 版本，可在Windows、Macintosh和Linux作業系統上運行, 是美國能源部目前官方正式的建築物模擬軟體。

EnergyPlus也可用於模擬建築物中照明用電和水的使用，並包括了許多革新的模擬能力：可設定短於一小時的時間步長，軟體模組系統，多區域空氣流，熱舒適，自然通風和光伏系統被動節能模擬等。

#### 特徵

EnergyPlus有下列特徵：

- 建築物響應以及主次要系統緊密耦合的集成同步方案
- 對於熱區域與環境間的交互作用使用者可定義時間步長低於1小時
- 基於ASCII碼氣候文件，輸入和輸出文件包含以1小時或低於1小時為單位的時間步長
- 對建築物熱負荷採用熱平衡技術同步計算時間步長內的建築物內外壁面的輻射和對應換熱效果
- 以三維的有限差分地地面模型分析地面傳熱
- 以熱量傳遞與質量傳遞模型相結合計算水份的吸收和釋放，通過與傳熱導函數的層層結合或通過水份滲透深度模型
- 基於人的活動，內部幹球溫度和濕度等的熱合適模型
- 採用各向異性天空模型計算傾斜表面的太陽熱擴散
- 先進的窗戶負荷計算，包括對於百葉窗和電變色窗採用一層層熱平衡法正確分配通過窗口吸收的太陽能
- 採光控制計算，包括室內照度計算，眩光仿真與控制，照明控制，以及減少人工照明對於加熱和冷卻的影響
- 基於循環配置的HVAC系統（對流和輻射），允許用戶在無需重新編譯程序原始碼方便地模擬典型系統和微小修改系統
- 進行空氣污染計算，以預測建築物內外CO2，SOx，NOx，CO，PM和碳氫化合物濃度
- 可連接到其他流行的仿真軟體環境，比如WINDOW5,WINDOW6 and DElight，允許對建築物組件作詳細分析

#### 操作

EnergyPlus中的氣象資料寫在副檔名epw的程式中；建築資訊則寫在副檔名idf的程式中，供使用者選擇idf程式編輯器，有預設程式編輯器、純文字檔編輯器等。最常使用到的指令除了RDD、MDD查看關鍵指令列表之外，另外就是ERR的這項指令，由於EnergyPlus是個功能相當完整的建築性能模擬軟體，相對它的輸入方法及參數要求也會相對嚴格且複雜，因此在模擬過程當中常會遭遇錯誤訊息的發生。一旦有錯誤訊息，程式便無法繼續進行模擬，必需要把錯誤訊息裡的錯誤修正後，才能再繼續進行模擬。但有時候會發生另外的情形，就是當修正完一項錯誤後，卻會出現另外一項新的錯誤，因此在過程就必需相當耗時來一一解決這些錯誤。

通常產生的錯誤訊息可分為兩類，分別為error以及warning。有些warning的錯誤訊息是可以被忽略的，但error的錯誤訊息則必需將它完全修正後才能夠繼續進行模擬。而要查看詳細的錯誤訊息，可在EnergyPlus主要操作介面按下ERR這個指令，詳細的錯誤訊息便會以視窗形式出現，如圖3所示。在此視窗中會顯示在此次的模擬過程中發現幾個error以及warning，並且會指出這些error或是warning是在哪裡發生，因此根據錯誤訊息的描述，可一一在參數輸入介面中做適當的修正，直到在模擬過程中沒有錯誤訊息產生。若對各個輸入值有疑問，官方提供厚達數千頁的操作手冊可供查找。

#### 模組化

EnergyPlus的良好組織的模組概念使增加特徵和連接其他程式變得容易。FORTRAN90被用於開發EnergyPlus，是基於該語言的以下特點：

- 由於這是在許多平台有良好編譯工具的現代模塊化語言
- 允許類似於C語言的數據結構和混合語言模塊
- 提供開始面向對象的結構
- 變量名可容許長達32個字符

#### 更高階的使用者介面軟體

有鑑於EnergyPlus的操作仍具備一定門檻，另有商用軟體單純使用EnergyPlus的計算引擎功能，並配備更容易上手的使用者介面方便使用者操作，如DesignerBuilder、Simergy等。

SketchUp以及其外掛程式OpenStudio也可以輔助EnergyPlus在建築建模方面的不便。由於EnergyPlus預設的輸入介面是文字形式，在此輸入模式中建築建模以輸入建築在空間中的每個座標點來定義每個建築部件。直接匯入 SketchUp所繪製的圖檔會節省的建模時間，以及避免在文字介面中輸入錯誤的情形發生。

BIM建模軟體Rhino與其模塊化編程插件grasshopper中也提供了Ladybug Tools系列的基於EnergyPlus的開源模塊化組件，提升了建模交互效率。該組件中的Honeybee Energy是主要的模擬板塊，其中也集成了Honeybee Radiance-採光（Radiance）、Butterfly-通風（OpenFOAM）等建築性能模擬的可視化界面。

### EE4

EE4是由加拿大自然資源部的CANMET能源科技中心，在 1970 年代能源危機後為研究建築能源問題，依據加拿大全國建築物能耗標準模型（Model National Energy Code for Buildings，MNECB）所開發的一款綜合能源分析及一致性評估軟體。EE4採用DOE-2.1E仿真軟體為內核，可用於計算建築物全年的能耗，並計算建築方案改變對建築物全年能耗的影響。

EE4當前版本1.7，可自動評估能量使用，並運用加拿大自然資源部驗證新建築物設計的規則，來檢驗一項建築設計是否達到至少比1997年MNECB標準模型節能25%。

EE4仿真的目的，並非精確預言建築物的年能量消耗，而是公平和一貫的評估能耗與MNECB模型間偏差的影響。

### EQuest

eQUEST，被稱為快速能耗模擬軟體工具，是美國加州公用電力委員會主管的「能源設計資源」的一部分。目前的版本號是3.65。eQUEST的開發，是基於DOE-2的模擬引擎，因此它的軟體架構以及計算引擎和DOE-2基本上是一樣的。另外它允許設計者進行多種類型的建築能耗模擬，並且也為設計者提供了建築物能耗經濟分析、空調系統模組、日照和照明系統的控制以及通過從列表中選擇合適的測定方法，自動完成建築能源利用效率的模擬等附加功能。同時，軟體還提供了報表型式以及圖形結果顯示的功能，可以直接由軟體操作介面查看圖形的輸出結果，亦或是利用excel檔案，透過後處理進行更細部的圖形結果輸出。等於是結合了一建築物能效測量創建嚮導軟體及圖形報告功能。即eQUEST = 加強版DOE-2 + 嚮導軟體 + 圖形報告。

eQUEST據稱是美國使用最廣泛的建築能耗模擬軟體之一，該全版軟體每年平均下載次數大約為10,000次。

## 計算流體力學軟體

由於建築耗能與周遭日射量、風場等微氣候條件相關，因此建築能耗模擬也常計算流體力學軟體同時使用，如ENVI-met、TRNSYS。或者像ESP-r本身就內建計算流體力學計算器。

### ESP-r

<image>

ESP-r是由英國斯特拉斯克萊德大學機械學院於1974年開始開發，並於2002年轉換為GNU通用公眾授權條款。主要是應用於計算與評估環境因子對建築能源的影響。該軟體內置CAD繪圖外掛程式，支持直接導入CAD文件和HVAC系統的描述，ESP-r系統允許分析耦合的域間過程，例如詳細的氣流和建築物動態溫度變化。該軟體能夠以集成方式對以下領域建模，以達到不同的解析度級別：熱，照明，通風（網路空氣流量和CFD），濕度，HVAC，電力流（包括可再生能源）等系統的評估。主要用於研究，也是建築顧問的工具和教育工具。

ESP-r基於有限體積方法來計算建築性能值，在此方法中，它可以解決一組連續性方程式。該軟體專為Unix作業系統而設計，並支持Solaris，Linux（SuSE，Ubuntu等），同時也可在OSX 10.5和10.6環境下運行。另外它也可以在Cygwin環境中的Windows上運行，也可以在本機Windows（XP Vista）中運行。ESP-r具有全球開發社群，其發行是在Subversion源代碼控制下管理的。根據開放程式碼許可證，該系統免費提供。

### ENVI-met

微氣候模型ENVI-met是由邁克爾·布魯斯所開發，是一個三維非壓縮流體模型，用於模擬地表植物與空氣的相互作用。它是為微氣候設計的，典型水平解析度為0.5至5米，模擬時間範圍為24至48小時，時間步長為1至5秒。這種時間、空間解析度可以分析單個建築物，表面和植物之間的小規模相互作用，並應用於模擬城市環境和評估綠色建築願景的影響，曾應用於墨爾本、雅典、德黑蘭等都市發展項目的評估。

另一個研究重點是城市污染問題的分析，尤其是關空氣懸浮粒子和氮氧化物污染。.數值模擬和測量被用於發展和評估城市概念，這些概念可用於減少人口對空氣污染物的暴露。例如，ENVI-met是比利時－荷蘭政府倡議「空氣創新平台」和墨爾本氣象局的參考模型。在模擬計算的基礎上，與建築師，城市規劃師和協會一起，創建了區域和開放空間的開發方案，通過這些方案可以在本地減輕氣候變化的負面影響，例如德國德國聯邦教育及研究部所推動的KLIMAzwei倡議、 Green Aspang Wien計畫、BUGS of the EU計畫等。

### TRNSYS

TRNSYS（發音為「tran-sis」）是由威斯康辛大學在1980年代開始開發的商用軟體。一開始為評估各種可再生能源和常規能源的系統模擬所設計，它的原始應用之一是在典型的氣象年度對太陽能熱水系統的性能進行動態模擬，以便可以確定這種系統所能帶來的節能效益。不過TRNSYS同樣可以很好地用於建模其他動態系統，例如交通流或生物過程。TRNSYS由兩部分組成。第一個是引擎（稱為內核），該引擎讀取和處理輸入文件，迭代地求解系統，確定收斂性，並繪製系統變量。內核還提供了一些實用程序，這些實用程序（其中包括）確定熱物理性質，求逆矩陣，執行線性回歸以及對外部數據文件進行插值。TRNSYS的第二部分是一個廣泛的組件庫，每個組件都對系統某一部分的性能進行建模。標準庫包括大約150種模型，包含泵、多區域建築物、風力渦輪機、電解器、天氣數據處理、經濟分析等。TRANSYS的開發模式可供使用者修改現有組件或編寫自己的組件，從而新增自己所需的功能。