建築能耗模擬軟體

**建築能耗模擬軟體**可在建築設計階段對未來建築物的能耗進行電腦模擬，以預測建築物性能，進而選擇能耗低的設計方案。基本上都以 **DOE-2** 或 **BLAST** 為基礎模擬引擎，之後基於這兩個基礎模擬引擎開發出包含使用者介面的模擬引擎，如美國的 **EnergyPlus**、**eQuest**、英國的 **ESP-r** 和加拿大的 **EE4** 等。

## 基礎模擬引擎

### DOE-2

DOE-2 是 1980 年代開始，由美國能源局所屬的勞倫斯伯克利國家實驗室所開發的建築耗能動態模擬分析軟體。可依據已知的氣象條件、建築外殼、空調系統、電器設備和照明等建築條件對能耗的影響，可計算建築物能量性能和設備運行的壽命周期成本（LCC）。該軟體的輸入方法為同程式設計，要求用戶手寫輸入檔，輸入檔必須滿足其規定的格式，並且有關鍵字的要求。輸入、輸出檔格式要求比較嚴格，對於一般初學使用者來說不易上手。計算原理方面，DOE-2 將能耗區分為空調、動力、照明等 3 大項目，其中動力及照明部分之耗電量與使用時間正相關，可視為線性關係；在空調耗能部分，因受氣候、建築結構、材料、運轉模式及內部空調負荷等多條件耦合計算所得出的結果。目前程式已停止更新，因此模擬功能的擴充或是程式錯誤的修正也就維持在 DOE-2.2 的版本。

### BLAST

BLAST 能耗模擬軟體，全稱為「建築物負荷分析和系統熱力學」（英語：Building Loads Analysis and System Thermodynamics），由美國國防部資助下開發，適合於工業製冷、供熱的負荷計算，和建築物空調系統及電力設備的逐時能耗模擬。

BLAST 的操作，要求用戶對專業知識和工程實際有較深理解。該軟體用低版本的 Fortran77 語言編寫。BLAST 和 DOE-2 合稱建築物能耗模擬的兩大公用軟體。

## 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用戶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，內部干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，供用戶選擇 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 語言的資料結構和混合語言模塊
* 提供開始物件導向的結構
* 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用戶操作，如 DesignerBuilder、Simergy 等。另外 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。

### 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

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（網絡空氣流量和 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 操作系統而設計，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 的開發模式可供用戶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。

## 參考資料