建筑能耗模拟软件

建筑物能耗模拟软件是一种在建筑设计阶段使用的工具，能够透过电脑模拟预测未来建筑物的能耗情况，达成建筑性能模拟。这有助于评估不同设计方案的性能，并选择那些具有较低能耗的方案。通常这些软体使用几类基础模拟引擎，如DOE-2或BLAST。随后，开发者再基于这些引擎创建带有使用者界面的模拟引擎，例如美国的EnergyPlus、eQuest，英国的ESP-r和加拿大的EE4等，使得设计者能够更有效地评估和优化建筑的能源效能。

## 基础模拟引擎

DOE-2和BLAST通常被称为建筑能耗模拟领域的两大公用软件，各有其特点和应用范畴。

### DOE-2

DOE-2是一款建筑能耗动态模拟分析软件，由美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室于1980年代开发。该软件可根据已知的气象条件、建筑外壳、空调系统、电气设备和照明等建筑条件，分析它们对能耗的影响，并计算建筑物的能耗性能和设备运行的寿命周期成本（LCC）。

DOE-2的输入方法较为特殊，使用者需手写输入档，而这些档案必须符合严格的格式和关键字要求。这使得对于初学者而言，学习使用较为困难。软件将能耗分为空调、动力、照明等三大项目，其中动力和照明的耗电量与使用时间呈现线性相关。至于空调部分的能耗计算，则考虑了气候、建筑结构、材料、运转模式以及内部空调负荷等多条件的耦合计算。

虽然DOE-2在建筑能耗模拟方面提供了有用的功能，但目前程式已停止更新，版本仍维持在DOE-2.2。这意味着模拟功能的扩充和程式错误的修正都已终止。

### BLAST

BLAST是一款建筑能耗模拟软件，全名为“建筑物负荷分析和系统热力学”（Building Loads Analysis and System Thermodynamics），由美国国防部提供资助开发。此软件主要适用于工业制冷和供热负荷计算，以及建筑物空调系统和电力设备的逐时能耗模拟。

BLAST以较低版本的Fortran77语言编写而成，但软件本身操作较为专业，使用者需要对相关领域拥有深入的知识和实务经验。

## 包含使用者界面的模拟引擎

### EnergyPlus

EnergyPlus，由美国能源部资助劳伦斯伯克利国家实验室开发，是以DOE-2为基础的大型能耗分析计算软件，从1998年便开始进行整合的工作，将DOE-2的强项功能纳入并且同时发展新的功能模组，包括热负荷计算模组、空调系统模组、机房模组、经济分析模组。该软件据动态负荷理论，采用反应系数法，对建筑物及相关的供热、通风和空调设备能耗，进行模拟计算。

与DOE-2相较之下，EnergyPlus目前同样也是国际公认的建筑能耗分析软件，并且该软件是免费软件，由于其模拟功能更为完整并且持续进行软件版本的更新，使用人数和范围也非常广泛，因此目前已有逐步取代DOE-2的趋势。EnergyPlus比较适合于研究多区域气流、太阳能应用方案以及建筑物热力性能；输出是简单的ASCII文件，输出型式包括txt、excel以及html等，使用者必需透过后处理方式才能获得图形化结果。2017年释出 EnergyPlus 8.8.0 版本，可在Windows、Macintosh和Linux操作系统上运行, 是美国能源部目前官方正式的建筑物模拟软件。

EnergyPlus也可用于模拟建筑物中照明用电和水的使用，并包括了许多革新的模拟能力：可设定短于一小时的时间步长，软件模组系统，多区域空气流，热舒适，自然通风和光伏系统被动节能模拟等。

#### 特征

EnergyPlus有下列特征：

- 建筑物响应以及主次要系统紧密耦合的集成同步方案
- 对于热区域与环境间的交互作用用户可定义时间步长低于1小时
- 基于ASCII码气候文件，输入和输出文件包含以1小时或低于1小时为单位的时间步长
- 对建筑物热负荷采用热平衡技术同步计算时间步长内的建筑物内外壁面的辐射和对应换热效果
- 以三维的有限差分地地面模型分析地面传热
- 以热量传递与质量传递模型相结合计算水分的吸收和释放，通过与传热导函数的层层结合或通过水分渗透深度模型
- 基于人的活动，内部干球温度和湿度等的热合适模型
- 采用各向异性天空模型计算倾斜表面的太阳热扩散
- 先进的窗户负荷计算，包括对于百叶窗和电变色窗采用一层层热平衡法正确分配通过窗口吸收的太阳能
- 采光控制计算，包括室内照度计算，眩光仿真与控制，照明控制，以及减少人工照明对于加热和冷却的影响
- 基于循环配置的HVAC系统（对流和辐射），允许用户在无需重新编译程序源代码方便地模拟典型系统和微小修改系统
- 进行空气污染计算，以预测建筑物内外CO2，SOx，NOx，CO，PM和碳氢化合物浓度
- 可连接到其他流行的仿真软件环境，比如WINDOW5,WINDOW6 and DElight，允许对建筑物组件作详细分析

#### 操作

EnergyPlus中的气象资料写在副档名epw的程式中；建筑资讯则写在副档名idf的程式中，供用户选择idf程式编辑器，有预设程式编辑器、纯文字档编辑器等。最常使用到的指令除了RDD、MDD查看关键指令列表之外，另外就是ERR的这项指令，由于EnergyPlus是个功能相当完整的建筑性能模拟软件，相对它的输入方法及参数要求也会相对严格且复杂，因此在模拟过程当中常会遭遇错误讯息的发生。一旦有错误讯息，程式便无法继续进行模拟，必需要把错误讯息里的错误修正后，才能再继续进行模拟。但有时候会发生另外的情形，就是当修正完一项错误后，却会出现另外一项新的错误，因此在过程就必需相当耗时来一一解决这些错误。

通常产生的错误讯息可分为两类，分别为error以及warning。有些warning的错误讯息是可以被忽略的，但error的错误讯息则必需将它完全修正后才能够继续进行模拟。而要查看详细的错误讯息，可在EnergyPlus主要操作界面按下ERR这个指令，详细的错误讯息便会以视窗形式出现，如图3所示。在此视窗中会显示在此次的模拟过程中发现几个error以及warning，并且会指出这些error或是warning是在哪里发生，因此根据错误讯息的描述，可一一在参数输入界面中做适当的修正，直到在模拟过程中没有错误讯息产生。若对各个输入值有疑问，官方提供厚达数千页的操作手册可供查找。

#### 模组化

EnergyPlus的良好组织的模组概念使增加特征和连接其他程式变得容易。FORTRAN90被用于开发EnergyPlus，是基于该语言的以下特点：

- 由于这是在许多平台有良好编译工具的现代模块化语言
- 允许类似于C语言的数据结构和混合语言模块
- 提供开始面向对象的结构
- 变量名可容许长达32个字符

#### 更高阶的使用者界面软件

有鉴于EnergyPlus的操作仍具备一定门槛，另有商用软件单纯使用EnergyPlus的计算引擎功能，并配备更容易上手的使用者界面方便用户操作，如DesignerBuilder、Simergy等。

SketchUp以及其插件OpenStudio也可以辅助EnergyPlus在建筑建模方面的不便。由于EnergyPlus预设的输入界面是文字形式，在此输入模式中建筑建模以输入建筑在空间中的每个座标点来定义每个建筑部件。直接汇入 SketchUp所绘制的图档会节省的建模时间，以及避免在文字界面中输入错误的情形发生。

BIM建模软件Rhino与其模块化编程插件grasshopper中也提供了Ladybug Tools系列的基于EnergyPlus的开源模块化组件，提升了建模交互效率。该组件中的Honeybee Energy是主要的模拟板块，其中也集成了Honeybee Radiance-采光（Radiance）、Butterfly-通风（OpenFOAM）等建筑性能模拟的可视化界面。

### EE4

EE4是由加拿大自然资源部的CANMET能源科技中心，在 1970 年代能源危机后为研究建筑能源问题，依据加拿大全国建筑物能耗标准模型（Model National Energy Code for Buildings，MNECB）所开发的一款综合能源分析及一致性评估软件。EE4采用DOE-2.1E仿真软件为内核，可用于计算建筑物全年的能耗，并计算建筑方案改变对建筑物全年能耗的影响。

EE4当前版本1.7，可自动评估能量使用，并运用加拿大自然资源部验证新建筑物设计的规则，来检验一项建筑设计是否达到至少比1997年MNECB标准模型节能25%。

EE4仿真的目的，并非精确预言建筑物的年能量消耗，而是公平和一贯的评估能耗与MNECB模型间偏差的影响。

### EQuest

eQUEST，被称为快速能耗模拟软件工具，是美国加州公用电力委员会主管的“能源设计资源”的一部分。目前的版本号是3.65。eQUEST的开发，是基于DOE-2的模拟引擎，因此它的软件架构以及计算引擎和DOE-2基本上是一样的。另外它允许设计者进行多种类型的建筑能耗模拟，并且也为设计者提供了建筑物能耗经济分析、空调系统模组、日照和照明系统的控制以及通过从列表中选择合适的测定方法，自动完成建筑能源利用效率的模拟等附加功能。同时，软件还提供了报表型式以及图形结果显示的功能，可以直接由软体操作界面查看图形的输出结果，亦或是利用excel档案，透过后处理进行更细部的图形结果输出。等于是结合了一建筑物能效测量创建向导软件及图形报告功能。即eQUEST = 加强版DOE-2 + 向导软件 + 图形报告。

eQUEST据称是美国使用最广泛的建筑能耗模拟软件之一，该全版软件每年平均下载次数大约为10,000次。

## 计算流体力学软件

由于建筑耗能与周遭日射量、风场等微气候条件相关，因此建筑能耗模拟也常计算流体力学软件同时使用，如ENVI-met、TRNSYS。或者像ESP-r本身就内建计算流体力学计算器。

### ESP-r

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ESP-r是由英国斯特拉斯克莱德大学机械学院于1974年开始开发，并于2002年转换为GNU通用公众授权条款。主要是应用于计算与评估环境因子对建筑能源的影响。该软件内置CAD绘图插件，支持直接导入CAD文件和HVAC系统的描述，ESP-r系统允许分析耦合的域间过程，例如详细的气流和建筑物动态温度变化。该软件能够以集成方式对以下领域建模，以达到不同的分辨率级别：热，照明，通风（网络空气流量和CFD），湿度，HVAC，电力流（包括可再生能源）等系统的评估。主要用于研究，也是建筑顾问的工具和教育工具。

ESP-r基于有限体积方法来计算建筑性能值，在此方法中，它可以解决一组连续性方程式。该软件专为Unix操作系统而设计，并支持Solaris，Linux（SuSE，Ubuntu等），同时也可在OSX 10.5和10.6环境下运行。另外它也可以在Cygwin环境中的Windows上运行，也可以在本机Windows（XP Vista）中运行。ESP-r具有全球开发社群，其发行是在Subversion源代码控制下管理的。根据开放程式码许可证，该系统免费提供。

### ENVI-met

微气候模型ENVI-met是由迈克尔·布鲁斯所开发，是一个三维非压缩流体模型，用于模拟地表植物与空气的相互作用。它是为微气候设计的，典型水平分辨率为0.5至5米，模拟时间范围为24至48小时，时间步长为1至5秒。这种时间、空间分辨率可以分析单个建筑物，表面和植物之间的小规模相互作用，并应用于模拟城市环境和评估绿色建筑愿景的影响，曾应用于墨尔本、雅典、德黑兰等都市发展项目的评估。

另一个研究重点是城市污染问题的分析，尤其是关空气悬浮粒子和氮氧化物污染。.数值模拟和测量被用于发展和评估城市概念，这些概念可用于减少人口对空气污染物的暴露。例如，ENVI-met是比利时－荷兰政府倡议“空气创新平台”和墨尔本气象局的参考模型。在模拟计算的基础上，与建筑师，城市规划师和协会一起，创建了区域和开放空间的开发方案，通过这些方案可以在本地减轻气候变化的负面影响，例如德国德国联邦教育及研究部所推动的KLIMAzwei倡议、 Green Aspang Wien计划、BUGS of the EU计划等。

### TRNSYS

TRNSYS（发音为“ tran-sis”）是由威斯康辛大学在1980年代开始开发的商用软件。一开始为评估各种可再生能源和常规能源的系统模拟所设计，它的原始应用之一是在典型的气象年度对太阳能热水系统的性能进行动态模拟，以便可以确定这种系统所能带来的节能效益。不过TRNSYS同样可以很好地用于建模其他动态系统，例如交通流或生物过程。TRNSYS由两部分组成。第一个是引擎（称为内核），该引擎读取和处理输入文件，迭代地求解系统，确定收敛性，并绘制系统变量。内核还提供了一些实用程序，这些实用程序（其中包括）确定热物理性质，求逆矩阵，执行线性回归以及对外部数据文件进行插值。TRNSYS的第二部分是一个广泛的组件库，每个组件都对系统某一部分的性能进行建模。标准库包括大约150种模型，包含泵、多区域建筑物、风力涡轮机、电解器、天气数据处理、经济分析等。TRANSYS的开发模式可供用户修改现有组件或编写自己的组件，从而新增自己所需的功能。