基于無塵塵間蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析軟件選擇分析

建筑行業(yè)能耗占社會能源總消費(fèi)量中的30%左右，而空調(diào)能耗占建筑物總能耗的50%~60%。隨著空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，其任務(wù)已不僅限于保證室內(nèi)的溫濕度要求，而應(yīng)向更高層面即創(chuàng)造良好的舒適環(huán)境、提高室內(nèi)空氣品質(zhì)和節(jié)約能源的方向發(fā)展。蒸發(fā)冷卻空調(diào)是一種綠色空調(diào)，與機(jī)械制冷相比，不需要消耗壓縮功，COP值比機(jī)械制冷大，以水作為制冷劑，能減少溫室氣體和CFCs 的排放量，具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景極為廣闊。蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在我國的推廣采用源于 20 世紀(jì) 80年代后期，發(fā)展到現(xiàn)在已有單級的直接蒸發(fā)冷卻、間接加直接的兩級蒸發(fā)冷卻、兩級間接加直接的三級蒸發(fā)冷卻、三級蒸發(fā)冷卻加機(jī)械制冷的復(fù)合空調(diào)等形式，廣泛應(yīng)用于舒適性空調(diào)和工藝性空調(diào)。

為了達(dá)到準(zhǔn)確定量地對蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行計(jì)算和分析、全面地衡量和評價蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性，同時為蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)的目的，就必須借助能耗分析軟件來實(shí)現(xiàn)。目前空調(diào)系統(tǒng)全年能耗的計(jì)算方法分為穩(wěn)態(tài)計(jì)算和動態(tài)計(jì)算兩種。穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法適合進(jìn)行手算分析，計(jì)算速度快，但計(jì)算分析的結(jié)果比較粗略，其精度無法滿足研究分析的需要；動態(tài)計(jì)算方法采用建筑能耗分析軟件，可以得到空調(diào)系統(tǒng)全年逐時能耗變化，計(jì)算結(jié)果比穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法精確。

因此，選擇合適的建筑能耗分析軟件，準(zhǔn)確快捷地對蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的能耗計(jì)算及分析、經(jīng)濟(jì)性評價和系統(tǒng)優(yōu)化等問題進(jìn)行研究具有重要的意義。

1 國內(nèi)外主要建筑能耗分析軟件簡介

建筑能耗分析軟件是用來模擬建筑及系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，從而分析設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化系統(tǒng)，預(yù)測運(yùn)行能耗和費(fèi)用的軟件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與建筑能耗仿真研究的發(fā)展，各種各樣的建筑能耗分析軟件不斷地涌現(xiàn)出來。目前比較流行的建筑能耗分析軟件主要有國外的 DOE-2、EnergyPlus、TRNSYS 等，以及國內(nèi)的 DeST。上述這些能耗分析軟件都可以進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)能耗模擬，但是，由于各自的軟件開發(fā)目的有所不同，因此它們各有各自的特點(diǎn)。下面對國內(nèi)外主要常用的能耗分析軟件及其應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行簡單的介紹。

DOE-2 由美國能源部（Department of Energy）開發(fā)，它的出現(xiàn)在建筑能耗模擬軟件發(fā)展的歷史上具有重大意義，其曾經(jīng)是公認(rèn)的最權(quán)威、最經(jīng)典的建筑能耗模擬軟件之一，被很多能耗模擬軟件，如eQUEST、EnergyPlus 等借鑒和引用。DOE-2 通過輸入當(dāng)?shù)氐闹饡r氣象參數(shù)及對建筑和HVAC系統(tǒng)及設(shè)備的描述等就可以預(yù)測建筑的逐時能耗和費(fèi)用。

BLAST（Building Loads Analysis and SystemThermodynamics）是由美國國防部（Departmentof Defense)資助和建筑工程實(shí)驗(yàn)室（The Construc-tion Engineering Research Laboratory）開發(fā)的建筑能耗模擬軟件。BLAST可以用來預(yù)測建筑的供暖空調(diào)能耗及分析其能源消耗費(fèi)用，它可用于審查新建建筑或改造建筑的能耗性能。

EnergyPlus 由美國能源部（Department ofE n e r g y ）和美國勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）等科研機(jī)構(gòu)共同開發(fā)，整合了DOE-2 和 BLAST的優(yōu)點(diǎn)，并加入了很多新的功能。EnergyPlus 被認(rèn)為是一個全新的用來替代 DOE-2 的建筑能耗分析軟件。對于EnergyPlus 軟件來說，輸入建筑及相關(guān)基礎(chǔ)系統(tǒng)等的相關(guān)參數(shù)之后，即可模擬計(jì)算維持設(shè)定室內(nèi)空氣的溫度所需的冷熱量，用戶側(cè)HVAC系統(tǒng)和盤管的工況，設(shè)備裝置的能耗等。

T R N S Y S 軟件由美國威斯康星大學(xué)（Wisconsin-Madison University）與太陽能利用研究室（Solar Energy Laboratory）的研究人員開發(fā)，并在歐洲一些研究所的共同努力下逐步完善。TRNSYS 的全稱為 Transient System SimulationProgram，即瞬時系統(tǒng)模擬程序。TRNSYS 采用了和EnergyPlus以及DOE-2 等軟件完全不同的設(shè)計(jì)思路，即 TRNSYS 立足于暖通空調(diào)系統(tǒng)而不是建筑。該軟件的最大的特色在于其模塊化的分析方式，即認(rèn)為所有熱傳輸系統(tǒng)均由若干個細(xì)小的系統(tǒng)（即模塊）組成，一個模塊實(shí)現(xiàn)一種特定的功能，如太陽能集熱器模塊、水泵模塊、制冷機(jī)組模塊、風(fēng)機(jī)模塊等。因此，在進(jìn)行試驗(yàn)研究時只需要調(diào)用實(shí)現(xiàn)這些特定功能的模塊，根據(jù)模塊之間的關(guān)系建立連接，并設(shè)定所建立的系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，這些模塊程序就可以對某種特定熱傳輸現(xiàn)象進(jìn)行模擬，最后匯總就可對整個系統(tǒng)進(jìn)行瞬時模擬分析。

DeST 為一款國內(nèi)研究開發(fā)的能耗分析軟件，該軟件是由清華大學(xué)的建筑環(huán)境與設(shè)備工程研究所研發(fā)的建筑物能耗分析及設(shè)計(jì)的軟件包。該軟件的模擬計(jì)算過程借助AutoCAD 軟件，并研發(fā)了圖形化的用戶界面，則用戶可以通過該界面對建筑物的外觀進(jìn)行描述。該軟件可以對水力計(jì)算、系統(tǒng)的方案、建筑物以及空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。

2 能耗分析軟件在暖通空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用分析

（1）DOE-2

DOE-2建筑能耗分析軟件暖通空調(diào)系統(tǒng)的處理能力有限，只能處理少數(shù)的幾種暖通空調(diào)系統(tǒng)，DOE-2 的計(jì)算過程為傳統(tǒng)的 LSPE 的模擬結(jié)構(gòu)（如圖1），即 Load 模塊、System 模塊、Plant 模塊、Economic 模塊，這 4 個模塊之間相互有機(jī)的聯(lián)系，從而形成了一個建筑物及空調(diào)系統(tǒng)的模型。在實(shí)際的空調(diào)系統(tǒng)中，建筑室內(nèi)熱環(huán)境、空調(diào)系統(tǒng)、主機(jī)以及末端設(shè)備的運(yùn)行情況，它們之間是相互耦合、相互關(guān)聯(lián)的，順序的計(jì)算方式不能夠準(zhǔn)確的表達(dá)它們之間的反饋與關(guān)聯(lián)，因此DOE-2建筑能耗分析軟件計(jì)算出的結(jié)果精確度較低。

（2）BLAST

BLAST軟件是一個包含三個主要子程序的模擬建筑能耗的綜合程序，它們分別是：空間負(fù)荷模擬程序，它是基于用戶輸入的相關(guān)參數(shù)來模擬計(jì)算建筑或區(qū)域的逐時負(fù)荷；空氣輸配系統(tǒng)模擬程序，它是基于計(jì)算的空間負(fù)荷和用戶對建筑空氣處理系統(tǒng)的描述來模擬計(jì)算熱水或蒸汽、冷凍水和電能的需求量；中央空調(diào)設(shè)備模擬程序，它能模擬鍋爐、冷水機(jī)組、現(xiàn)場發(fā)電設(shè)備和太陽能利用系統(tǒng)等設(shè)備的運(yùn)行特性，同時計(jì)算燃料與電的月耗量、年耗量和整個生命周期內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。通過 BLAST 模擬，機(jī)械工程師、能量工程師和建筑工程師能對建筑的能量需求做出準(zhǔn)確的預(yù)算。

（3）EnergyPlus

EnergyPlus 能耗分析軟件吸收了 DOE-2 的LSPE 結(jié)構(gòu)，并做出了改進(jìn)，它采用如圖2所示的集成同步的負(fù)荷、系統(tǒng)和設(shè)備的結(jié)構(gòu)在上層管理模塊的監(jiān)督下，模塊之間彼此有反饋，而不是單純的順序結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果更為精確。EnergyPlus 在 DOE-2 的基礎(chǔ)上有很大的改進(jìn)，首先在處理建筑熱過程的時候，考慮到了更多的因素，包括建筑的遮擋、綠化、風(fēng)、光、雨、雪等；其次力圖完成對所有暖通空調(diào)系統(tǒng)的模擬，加入更多常用的暖通空調(diào)系統(tǒng)，如熱泵和輻射供熱供冷等系統(tǒng)。就此方面而言，可以說是同類軟件中最為全面的。但是，EnergyPlus 本身是立足于建筑模擬，首先其處理暖通空調(diào)系統(tǒng)的能力偏弱，它對暖通空調(diào)系統(tǒng)控制方式的模擬能力較弱；其次它通常假定設(shè)備的調(diào)節(jié)為理想化的連續(xù)調(diào)節(jié)這對于設(shè)備部分負(fù)荷運(yùn)行時的模擬是不太準(zhǔn)確的；另外EnergyPlus不穩(wěn)定不太容易收斂并且經(jīng)濟(jì)性分析較為簡單。

（4）TRNSYS

TRNSYS 軟件立足于暖通空調(diào)系統(tǒng)而不是建筑，因此它在建筑負(fù)荷以及建筑熱性能的模擬上偏弱，很難完成復(fù)雜建筑的描述。TRNSYS軟件將氣象參數(shù)、設(shè)備、建筑和控制器都進(jìn)行了模塊化。TRNSYS 軟件對于空調(diào)系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)非常側(cè)重，實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)中的各種控制方式都可以被它模擬出來，其中包括順序控制、智能控制、PID 控制和啟停控制等，在進(jìn)行系統(tǒng)模擬時，可以得到相應(yīng)的精確的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。因此 TRNSYS 軟件在模擬系統(tǒng)、設(shè)備和控制方式的最優(yōu)化問題以及系統(tǒng)中參數(shù)監(jiān)測等問題時相對于EnergyPlus和DOE-2 這些立足于建筑的軟件是有優(yōu)勢的。

TRNSYS 為模塊開放式機(jī)構(gòu)，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況在它提供的平臺下編寫并改進(jìn)組件嵌入到 TRNSYS 中完成模擬，而且它與很多專業(yè)軟件，如 EES、GenOpt、RansFlow、COMIS 和CONTAM 等都可以完成鏈接，同時也可以很方便地使用 EnergyPlus 等軟件的氣象文件和處理結(jié)果。這些特點(diǎn)使得TRNSYS成為一個分享計(jì)算機(jī)能耗模擬成果的很好平臺。

（5）D e S T

DeST 軟件以空調(diào)的設(shè)計(jì)過程作為基礎(chǔ)，采取分段設(shè)計(jì)和分段模擬的方法，一步一步地把問題解決，并且逐步把未知量轉(zhuǎn)化為已知量。該軟件在研究開發(fā)的進(jìn)程中，將設(shè)計(jì)具有分段性的特點(diǎn)融入其中，并將模擬的過程分成5個階段，即建筑物熱特性的分析、系統(tǒng)方案的分析、空氣處理單元的分析模擬、風(fēng)網(wǎng)的模擬、冷熱源的模擬。因此，可以實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)控制與建筑熱環(huán)境的分段進(jìn)行模擬。

DeST 軟件為漢化版的軟件，因此國內(nèi)的設(shè)計(jì)研究人員使用起來較為方便，且該軟件的版本比較多，其用戶界面為圖形化，界面較為友好。但是該軟件缺乏完整的氣象數(shù)據(jù)參數(shù)，暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的部件類型較少，不能夠滿足用戶的多種需要，空調(diào)系統(tǒng)的控制方式不夠靈活。

上述能耗分析軟件大體可以被分為兩大類：第一類的能耗分析軟件立足于建筑，即能夠較好的模擬出建筑物和空調(diào)區(qū)域負(fù)荷的仿真模型，例如DOE-2、BLAST 、EnergyPlus、DeST 等，其功能和特點(diǎn)比較如表 1 和表 2；第二類的能耗分析軟件立足于暖通空調(diào)系統(tǒng)，即能夠較好的模擬出暖通空調(diào)循環(huán)和控制系統(tǒng)的仿真模型，例如TRNSY等。

由表1和表2可以看出，把第一類能耗模擬軟件的特點(diǎn)及功能進(jìn)行比較之后發(fā)現(xiàn)，EnergyPlus 是其中較為突出的能耗分析模擬軟件。同其他第一類的建筑能耗分析軟件相比，EnergyPlus 軟件的基本使用特性、負(fù)荷計(jì)算能力和設(shè)備計(jì)算兼容性等方面都具有顯著的優(yōu)異性。但第二類中的 TRNSYS 能耗分析軟件在建筑負(fù)荷以及建筑熱性能的模擬上偏弱的同時，卻在模擬暖通空調(diào)系統(tǒng)、設(shè)備和控制方式的最優(yōu)化問題以及系統(tǒng)中參數(shù)監(jiān)測等方面相對于 EnergyPlus 占優(yōu)勢。

3 結(jié)論及建議

EnergyPlus 和 TRNSYS 兩種能耗分析軟件都是開放式結(jié)構(gòu)，即可以和其他的軟件鏈接聯(lián)合計(jì)算，其中這兩種軟件就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接。EnergyPlus和 TRNSYS 輸入界面都不夠友好，操作起來比較復(fù)雜。針對兩種軟件不同的優(yōu)勢所在，筆者建議對于建筑模型較簡單、空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模較大、控制系統(tǒng)較復(fù)雜的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)而言，選擇TRNSYS能耗分析軟件對系統(tǒng)進(jìn)行能耗計(jì)算與分析；對于建筑模型較復(fù)雜、空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模較小、控制系統(tǒng)較簡單的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)而言，選擇EnergyPlus能耗分析軟件對系統(tǒng)進(jìn)行能耗計(jì)算與分析；對于規(guī)模較大系統(tǒng)運(yùn)行較復(fù)雜、控制系統(tǒng)較復(fù)雜的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，同時選擇EnergyPlus與TRNSYS兩種軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接，即TRNSYS使用EnergyPlus的氣象文件、建筑模型和建筑負(fù)荷等處理結(jié)果，從而全面精確地進(jìn)行能耗的計(jì)算及分析。