第6讲 建筑环境控制方案模拟分析

建筑环境设计模拟分析软件 DeST第六章、建筑环境控制方案模拟分析清华大学 燕 达 宋芳婷 江 亿 燕达，男，1978 年 1 月生，大学，在读博士研究生 100084 北京清华大学建筑学院建筑技术科学系 （010）62789761 yanda00@ 摘要 建筑的环境控制方案的设计是保证实现环境控制要求的最重要环节，而目前的方案设 计往往由于缺乏详细的校核和分析造成难以达到设计要求、设备闲置、系统运行效率 低下等问题，本文针对这些问题提出了环境控制方案的全工况分析方法。

通过对环境 控制方案设计的物理过程的分析，本文提出了环境控制方案全工况模拟的数学模型和 求解方法。

并结合实际算例， 介绍了环境控制方案的全工况模拟分析和优化的全过程。

关键字 环境控制方案 全工况分析 方案模拟Simulation and Analysis of Building Environmental Service SchemeAbstract The building environmental service scheme design is one most important phase of design, to ensure the system can meet the requirement of building environmental control. Being lack of detailed approach to analyze and verify, current design always fail to meet the design requirement, unused equipment and low operation efficiency. This paper present a full year verified method for building environmental service scheme analysis. Based on the physical process, this paper provides a mathematic model and solves approach for the full year verified method. With case study, it shows the process of the building environmental service scheme full year verify and analyze approach.Key Word: Environmental service scheme, Full year analysis, Scheme Simulation一、前言环境控制方案设计是整个空调系统设计过程中的一个重要环节， 它衔接着前期的概念设 计阶段（建筑物热过程分析）和后期的详细设计阶段（设备选择、管网分析等） ，方案直接 决定了系统运行的效果以及需要的初投资和运行费用， 在这个设计阶段设计者需要确定的具 体内容包括： （1）确定空调系统形式，例如，是变风量系统，还是定风量系统，或风机盘管，是否 采用末端再热，或者是采用新的系统形式，例如风机盘管＋根据季节集中改变风-1-量的新风系统，或 VRV、水环热泵等； （2）确定空调系统分区方式，例如按内区外区分区，或按朝向分区； （3）确定末端设备容量，如风机盘管冷量，变风量末端风量范围，空调机风量等； （4）确定水系统采用四管制还是两管制，等等。

目前在环境控制方案设计阶段， 设计者一般以经验为主， 辅以典型工况点的计算分析来 进行设计， 没有对方案的实际性能进行详细的校核和分析， 常造成冷热不匀、 系统设备闲置、 系统运行效率低下等问题，例如： 文献[1]通过大量的现场调研和实测，发现在很多办公建筑中，存在着各个朝向冷热不 匀的情况， 随着一天内太阳辐射的变化， 建筑内不同朝向的区域经常同时出现局部偏冷和偏 热的现象，这种现象在过渡季节尤为显著。

另外在冬季，写字楼普遍反映内区温度高，外区 温度低。

文献[2]中某医院的放射科诊疗部空调系统同时负责机械室和检查室，由于两个房 间的设备产热状况差异较大，导致当保证机械室的室温要求时，检查室的室温偏低，影响正 常使用。

造成上述冷热不匀现象的主要原因在于设计者在设计中没有对朝向、内外区差异、 室内产热等因素进行全面的分析， 将负荷状况差异很大的房间划分在同一个系统中， 从而导 致无论系统如何调节也无法满足所有房间的室温要求。

文献[3]根据一些北京市旅馆类建筑实际运行状况的调查，发现很多原来按照四管制设 计的宾馆并没有使用四管制， 实际上只起到两管制的作用， 还有一些宾馆正在逐步将现有的 四管制系统改造为两管制系统，造成了极大的初投资浪费和运行管理的困难。

综上， 由于在环境控制方案设计中没有全面考虑系统的全年运行状况， 造成很多环境控 制系统无法真正实现设计意图， 很多情况下系统不能满足环境控制的要求， 或是增加了大量 不合理的初投资和运行费用。

二、环境控制方案的全工况分析为了解决环境控制方案设计中的问题，不能只对冬夏典型日的系统运行状况进行分析， 还需要对过渡季等有可能出现冷热同供等情况的工况进行校核， 从而最大限度地降低系统在 实际运行中出现问题的可能性。

因此， 环境控制方案设计可以采用全工况分析的方法对设计 方案在全年中所有可能出现的情况一一进行校核。

例如，在考虑系统分区时，可以通过对不 同的分区方案进行全年的模拟校核， 根据计算获得的全年各房间设定温度的满足程度， 综合 各种影响因素，选择较好的分区方式，从而达到优化设计和提高设计水平的目的。

环境控制方案的全工况分析过程如图 1 所示，设计者确定环境控制方案的具体内容之 后， 可以通过模拟分析方法计算出系统在设计方案下的全年逐时运行状况， 如果运行效果不 令人满意，则需要修改设计方案，再进行全工况的模拟计算，直至方案运行效果满意为止。

因此，环境控制方案的全工况分析是一个不断设计、分析、完善设计的过程，计算机模拟代 替设计者完成繁复的计算， 设计者则可以借助计算机模拟结果对各种方案的运行效果进行分 析，进而对方案进行优化，从而最终确定方案。

方案设计 通过模拟分析进行评价否满意？ 是 下一步-2-图 1 环境控制方案的全工况分析过程 本文将针对建筑环境控制方案设计阶段需要解决的主要问题， 提出与这个设计阶段相对 应的全工况模拟分析方法，并结合实际工程算例进行讨论，使得设计者可以通过这种方法， 明确采用不同的建筑环境控制方案产生的效果，最终达到优化和提高设计质量的目的。

三、环境控制方案模拟的研究现状目前有不少建筑能耗模拟软件可以作为环境控制方案模拟的工具，例如美国的 DOE-2、 EnergyPlus 和日本的 HASP 等。

下面分别对 DOE-2 和 EnergyPlus 的模拟方法进行介绍：1、DOE-2自 1970 年到 1998 年，美国能源部资助开发了建筑能耗模拟软件 DOE-2。

在 DOE-2 中 提供了单风道定风量系统、单风道变风量系统等 14 种美国常见的空调系统形式以供选择， 但无法定义和增加新的系统形式。

用 DOE-2 做环境控制方案的全工况模拟时存在着以下一 些问题： DOE-2 需要按照顺序的 LSPE（Load-System-Plant-Economic）方式进行模拟[4]，如图 2 所示，这种方式无法独立运行环境控制方案模拟，需要和建筑负荷计算、冷热站模块一同进 行模拟。

然而设计者在环境控制方案的设计阶段，一般无法获知冷热源、风机、水泵等设备 的具体性能特性，由于缺乏这些输入数据，DOE-2 无法辅助环境控制方案的设计，因此该 软件主要用于详细设计完成之后的建筑能耗分析和评估。

负荷系统冷热源经济性图 2 LSPE 的模拟方式 系统全年运行的过程中，往往不能将室温一直控制在计算负荷时的房间设定温度上， 此时房间的负荷与最初的计算值存在差异。

DOE-2 采用权重系数法来对负荷的变化进行修 正，将所有房间近似划分为轻中重三种类型，对应三种权重系数。

然而实际建筑的围护结构 状况差异很大，因而这样的近似会对计算室温带来较大的误差。

另外由于 DOE-2 的热模型是基于单面墙体的反应系数法，不考虑房间的热平衡，而且 当室内温度发生变化后， 围护结构的传热变化按照稳态方法来近似处理， 以上简化都会使室 温的计算结果偏离实际情况。

由于建筑的热状况在不断变化， 系统大部分时间是处于部分负荷状态， 因此需要对系统 进行控制调节来适应室内热状况的变化。

在 DOE-2 中将控制调节与房间温度的关系简化为 经验线性分段函数， 用这个线性分段函数来不断修正室内负荷和系统投入房间的冷热量。

然 而线性的经验函数并不能正确反映空调系统的实际物理过程，因此会带来较大的误差。

2、EnergyPlus从 1996 年开始美国能源部和国防部在 DOE-2 和 BLAST 的基础上，重新开发新的建筑 能耗模拟计算软件－EnergyPlus。

EnergyPlus 中提供了用以定义空调系统形式的模块，用户 可以通过拼接的方法定义和增加新的系统形式。

针对 DOE-2 环境控制方案模拟的不足之处， EnergyPlus 在计算房间负荷时考虑了房间的热平衡，并且改进了 DOE-2 的顺序 LSPE 模拟 方法，采用 LSPE 耦合计算的方式进行，使得模拟计算的结果更为准确[5]。

虽然 EnergyPlus 在处理环境控制方案模拟方面做了很多改进工作，但同 DOE-2 一样,-3-EnergyPlus 也无法独立运行环境控制方案模拟， 需要和建筑负荷计算、 冷热站模块一同进行， 使得模拟仍然无法与设计同步，限制了其在设计工作中的应用。

另外为了减少计算量和加快计算速度， EnergyPlus 在计算房间热平衡和房间温度的过程 中， 采用前一时刻的外温、 壁面温度和邻室温度来代替热平衡方程中当前时刻的温度的显式 差分方法。

由于显式差分方法的收敛性对时间步长和空间步长非常敏感， 因而在以 1 小时为 [6] 时间步长的全年的模拟计算中，非常容易产生计算结果发散的现象 。

四、对问题的分析在进行建筑物及其空调系统的全工况模拟时，需要已知： 建筑物及其使用情况的详尽信息； 环境控制系统方案； 风机、水泵等设备的具体性能； 风网水网的详细情况 系统控制调节方式等。

然而在环境控制方案的设计阶段，已知的信息仅为： 建筑物及其使用情况的详尽信息； 环境控制系统方案： 其中包括设计方案中确定的空调系统形式、 系统分区状况、 房间风量范围、有无末端再热设备等方案。