水暖分析软件.docx
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水暖分析软件
广义建筑能耗&狭义建筑能耗
广义的建筑能耗是指建筑物从开始建设到运营所消耗的能耗总和；
狭义的建筑能耗是指建筑使用能耗，主要包括采暖、空调、电器、照明、热水供应、餐饮等方面的消耗，而占比例最大的就是采暖和空调的能耗。
建筑能耗模拟就是利用计算机建模和能耗模拟技术，对建筑物的物理性能及能量特征进行分析在新建建筑和既有建筑中都可以应用。
在新建建筑中应用建筑能耗模拟的主要目的是对建筑设计方案进行采暖空调负荷分析计算和优化，建造符合节能设计标准的节能建筑，也可以通过建筑能耗模拟对建筑物的经济性进行分析，如分析建筑物设备全年运行费用。
在既有建筑中应用建筑能耗模拟分析的主要目的是对既有建筑进行能耗模拟后，分析计算其能耗，对不符合
民用建筑节能强制性标准的建筑实行节能改造。
建筑能耗模拟分为两类：
面向建筑设计的计算机模拟和面向建筑设备的计算模拟。
传统能耗分析&BIM能耗分析
借助BIM技术，借助物理环境分析软件，我们可以进行更全面的性能分析，包括建筑单体的日照分析和采光模拟，自然通风分析，反射板和遮阳板的设计，可视度分析、声环境分析、逐时得热/失热、空调负荷、逐时温度等。
传统能耗分析软件包括：
目前国内外能耗分析软件包括，DOE-2、eQUEST、EnergyPlus，HY-EP、或CFD软件（Airpak、Ecotect、MicroFlo），下面根据应用实例，分别介绍CFD（计算流体力学）软件中的Airpak、Ecotect、MicroFlo和国内鸿业科技的HY-EP软件。
1）Fluentairpak风环境分析
Fluentairpak作为建筑领域人工环境系统分析软件，特别是HVAC（供暖通风和空气调节）领域。
它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，它可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ISO7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内空气质量（IAQ）的技术指标。
从而减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。
Airpak同时还提供了与CAD软件的接口，可以通过IGES和DXF格式导入CAD软件的几何信息。
Fluentairpak3.0是目前国际上比较流行的商用CFD软件。
目前网上有卖Fluentairpak3.0英文版的安装包，支持支持Win7系统64位，价格不一。
也有免费英文版学习视频。
以下图片是利用Fluentairpak3.0模拟某建筑小区风环境的分析。
Ecotect（生态建筑大师）
其最初由英国公司设计，该软件在2008年由美国软件公司Autodesk收购，改名叫AutodeskEcotectAnalysis。
是一款功能全面，适合于从概念设计到详细设计环节的可持续设计及分析工具。
到目前为止市面上已经推出了3.0、4.0、5.0、5.2等多个版本，软件界面操作简单，便于分析。
建立的模型，完全是建筑物在设计过程中虚拟建筑的3D信息模型，包含了建筑物所有的信息数据。
而且后期设计的不断深入，模型也会越来越精细。
将Revit模型导入到EcotectAnalysis
建筑能耗分析结果导出
IESVE是由英国IES公司所开发的一款非常成功的集成化模拟分析软件，我认为其成功的关键因素不在于其所提供的各种功能，而在于软件的思想，集成化的思想。
正是有了这种思想，在做建筑性能模拟分析时就体现出其巨大的优越性和灵活性，尤其在和一些绿色建筑标准体系，如LEED、BREAAM相结合时，就能够提供更多的评价内容。
当然，IESVE还是提供了很多独创性的分析内容，如人员疏散模拟分析、投资运行费用分析、优化比选分析等，这些模块虽然在实际使用中应用较少（国内的情况），但还是丰富了IESVE的软件架构，为未来进一步发展奠定了基础。
再就是IESVE在选择自己的核心算法时具有比较好的前瞻性，其核心模块——热模块和照明模块——的计算引擎都保证了足够的先进性，如热模块中空调系统模拟分析、自然通风模拟分析是很多软件所不具备的内容；再比如照明模块以Radiance为内核，确保了计算的权威性。
当然，IESVE也有很多不足之处，比如软件的建模能力还不是很强，与REVIT等三维建模工具的模型转换还不是很顺畅；空调系统模拟中一些特殊系统，如冰蓄冷、地源热泵等还不能很好模拟（只能近似模拟）；空调系统的设置还比较繁琐（如果使用ApacheHVAC来模拟详细系统的时候）；人员疏散还是二维的；电梯的设置还比较简单；CFD模块的功能不够强，所支持的模型较少，网格比较简单等。
对于一个软件而言，这些都是发展过程中所必然出现的问题，只要有不断的用户反馈，有不断的改进，软件的功能就能够不断提高和完善。
IESVE未来将朝着几个方向发展：
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1）和LEED认证等体系的完美结合，目前IESVE可以评价LEED体系中大约10多分的内容，未来有望发展成为一个LEED认证的平台，通过这个平台，可以对很多内容打分，并自动形成LEED评价报告；
2）本地化，VE将在不远的将来针对中国市场推出一些本地化的内容，如中文帮助文件、中文版本、和本地的建筑标准相结合等，这些需要随着中国市场的发展逐步完善；
3）更强大的功能：
不断优化软件的各个模块，如更强大的空调系统模拟分析能力；更强大的建模能力；三维人员疏散分析能力；强大的CFD模块等；这个也是需要逐步完善的过程；
4）更漂亮的界面，这个不用详细介绍，每一个新版本的界面都有很大的进步，负荷人机交流的要求。
国外软件：
IES是总部设在英国的IntergratedEnvironmentalSolution公司的编写，IES是旗下建筑性能模拟分析软件。
它整合了一系列模块化的组件用以进行计算分析，对于水暖专业来说，包括：
风环境分析模块：
MicroFlo：
MicroFlo是虚拟环境（VirtualEnvironment）里对室内外的风环境进行分析的CFD（ComputationalFluidDynamics），即计算流体动力学工具，利用这个软件，可以对建筑群、单体建筑以及建筑内部的通风状况进行分析，对室内的气流组织进行模拟，并可以计算各种舒适性指标，以进一步提高建筑室内外的舒适度。
已经成功使用到某地铁车站的建筑建模，建筑室内风环境分析，舒适度分析。
鸿业全年负荷计算及能耗分析软件（HY-EP），以EnergyPlus为模拟引擎，提供建筑全年动态负荷计算及能耗模拟分析，用于优化设计方案，打造绿色节能建筑。
软件主要功能有：
建筑建模、气象参数设定、计划表设定、空调系统建模、模拟计算、气象参数图表输出、全年动态负荷报表输出、能耗分析报表输出、方案优化对比报表输出等。
2013年HY-EP软件发布后，深受国内设计人员的欢迎，本文通过HY-EP在华森公司实际BIM项目的应用，介绍HY-EP计算BIM模型的效果，以及在实际应用中的一些经验和建议。
1 项目概况
中新知识城业务用房项目位于广东广州萝岗区知识城南，占地面积为66669平方米，总建筑面积为130000平方米，包括：
审查业务区，会议中心区，体育活动区，食堂区，地下停车场。
项目采用:
混凝土结构。
业主方为国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，设计方为华森建筑工程设计有限公司-广州分公司（中港合资）。
图1 知识城用房项目效果图
该项目使用Revit及鸿业BIM软件进行建模设计，使用鸿业全年负荷计算及能耗分析软件HY-EP进行能耗分析计算。
2 合作公司介绍
鸿业科技成立于1992年，是国内专业的CAD工程设计软件开发公司，也是国内首家推出BIM设计软件解决方案的公司，与华森设计院有着良好的合作关系，鸿业的暖通空调设计软件、负荷计算软件、城市规划设计软件、BIM系列软件、能耗分析软件等均在华森的实际项目设计中得到了很好的应用，其软件的专业性、高效性，以及鸿业技术工程师在项目配合方面认真负责的态度，得到了华森设计工程师和领导的认可与好评。
华森建筑与工程设计顾问有限公司总部在深圳，是一家技术实力雄厚、专业配套齐全、拥有现代化设计和管理手段的甲级（综合）设计公司。
华森的领导对新技术的研究和应用非常重视。
在BIM设计、节能计算模拟等方面开展业务较早，中新知识城业务用房项目是BIM设计和节能计算软件应用的一个典型的案例。
3 HY-EP在项目中的应用
HY-EP以EnergyPlus为核心，可以对建筑物进行全年负荷及空调系统模拟计算，同时输出计算报表文件。
HY-EP可以在CAD中建模，也可以导入BIM模型分析软件（Revit空间GBXML文件）进行模拟计算。
根据HY-EP的计算流程和要求，该项目的Revit的建筑模型建立完成后，首先进行模型的检查，重点检查以下几方面：
（1） 保证房间的封闭性（为了计算结果的准确，垂直方向上也要保持封闭，注意天花板、楼板、屋面与墙的连接），房间中顶部不封闭的空间会被默认为“气隙”，造成计算结果不准确；
（2） 注意内外墙设置的正确性，可以使用用鸿业乐建BIM设计软件中的内外墙工具对模型进行检查和处理；另外单个墙体、楼板、屋面、天花板围护结构表面不能超过120个顶点。
（3） 单个门、窗、天窗的围护结构表面最多只能有4个顶点构成，必须为规则矩形或三角形。
以上检查项在HY-EP进行模型导入时会自动检查提示，鸿业后续也会在BIM设计软件中提供自动检查工具。
图2 3号楼Revit模型
模型检查完成后，使用HYMEP布置空间工具快速批量布置空间和设置空间类型。
也可使用Revit自身的布置空间功能，但使用上会比较繁琐，需要设置空间的上限、高度偏移，并根据房间名称设置好空间的名称。
然后定义空间的构造使其符合实际。
在修改定义空间类型的时候，如果单个去修改是非常繁琐的，可以通过空间明细表的过滤、排序功能先找到所有类型相同的空间，然后使用Revit自带的图元功能，可以方便的在所有视图中选中指定的空间，通过修改空间属性中的空间类型，批量进行类型设置，也可以使用同样的方法设置构造类型。
图3批量空间类型设置
接下来是创建HVAC分区，房间的制冷、制热设计条件及新风量设置，需要通过空间所处的分区来定义。
有多少种设计条件，就需要创建多少个分区，同时将对应的空间添加到分区内。
图4分区条件设置
上述准备工作完成后，后面的工作就简单了，使用Revit的导出GBXML功能，导出所有的空间模型到GBXML文件中，在导出界面时可以检查模型信息是否完整、正确，如果出现黄色惊叹号提示，可以根据提示信息进行模型数据修改后再导出。
然后在HY-EP中导入GBXML文件的空间模型信息。
在导入过程中，软件会自动进行数据完整性检查，如果有数据缺失，软件会给出相应的提示。
导入完成后，直接利用HY-EP进行分析即可。
分析结果可以输出多种报表，包括：
系统负荷总表、系统负荷月表、系统逐时负荷、分区逐时冷负荷、分区逐时热负荷、分区逐时湿负荷、分区逐时新风冷负荷、分区逐时新风热负荷、耗电耗煤耗气等相关经济指标报表等。
下面是负荷月表、风机盘管加新风系统首次计算结果的截图。
图5负荷月表（Excel格式）
图6风机盘管加新风系统电能耗月表（Excel格式）
4 应用建议
通过对计算结果的分析，对模型进行了检查和调整，最终达到了设计预期目的。
经过这个项目的应用，我们对HY-EP的使用给出以下建议：
（1）要想使计算结果准确，就必须保证Revit中空间模型的准确，所有涉及到的参数（如门、内墙、内窗、楼板、墙体围护结构、以及人员、照明、设备、新风等），要按照项目实际情况进行建模和设置；
（2）HY-EP计算核心是采用热平衡法计算负荷的，采用集成同步的负荷／系统／设备的模拟方法进行分析，在系统的模拟中，软件会自动设定更短的步长（小至数秒，大至1小时），以便更快地收敛，如果模型中存在大量的空间、围护结构表面，模拟耗时会比较长。
本项目中3号楼240个空间，计算全年负荷计算耗时3个多小时，空调系统模拟耗时10个多小时（在内存为8G的笔记本上计算，如果用配置高的服务器进行计算，时间应该会大幅缩短）。
如果不需要对各个房间全年逐时负荷计算，可以将相同设计参数（温、湿度）的房间划分为一个空间；如果只需要建筑物整体的负荷情况，可以将每一层划分为一个空间，或者整个建筑物构造成一个空间进行粗略计算。
5 结语
经过实际项目的验证，HE-EP以美国能源部与劳伦斯-伯克力国家实验室联合开发且经过国际权威认证的EnergyPlus为计算核心，保证了计算结果的准确性，同时能够有效的支持BIM建筑模型；相比国外软件，提升了软件的易用性，在计算结果的输出上，可以生成直观易读的计算报表，更加符合国内设计人员的习惯。
热分析模块
ApacheCalc：
ApacheCalc根据CIBSE（英国皇家注册设备工程师协会）的规定进行冷热负荷的计算。
ApacheLoad：
ApacheLoad根据ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程协会）标准进行冷热负荷的计算。
ApacheSim：
ApacheSim是先进的动态负荷模拟软件，可以对全年任意时间段内的动态负荷进行计算。
Energy-10
适用范围：
方案设计阶段建筑能耗评价，逐时空调能耗分析和照明计算。
住宅建筑和小型商业建筑。
12种HVAC系统选一。
基于当前方案与标准方案（当前共有12种能量效率策略）之间比较的汇总图表（27种图形表达方式），也可生成详细的报表。
易于操作，快速，准确。
傻瓜化的操作（自动生成参考方案和最低能耗方案，自动调节HVAC系统，使其满足设计日负荷的需求，提供参考方案，方案的优劣排名）。
建筑描述过于简单，只能用于小型建筑（建筑面积小于10，000ft2）和小型HVAC系统。
DOE-2
适用范围：
逐时能耗分析，HVAC系统运行的寿命周期成本（LCC）。
适用各类住宅建筑和商业建筑。
有20种输入校核报告，50种月度或年度综合报告，700种建筑能耗逐时分析参数，用户可根据具体需要选择输出其中一部分。
当前最强大的模拟软件，其BDL内核为类似多种软件使用。
有非常详细的建筑能耗逐时分析报告，可处理结构和功能较为复杂的建筑。
DOS下操作界面，输入较为麻烦，须经过专门的培训；对专业知识要求较高。
BLAST
适用范围：
工业供冷，供热负荷计算，建筑空气处理系统以及电力设备逐时能耗模拟。
输入文件可由专门的模块HBLC在Windows操作环境下输入，也可在记事本中直接编辑。
基于Windows的友好的操作界面，结构化的输入文件，可分析热舒适度，高强度或低强度的辐射换热，变传热系数下能耗分析。
对专业知识和工程实际有较深刻的理解才能设计出符合要求的模型。
HOT2XP
适用范围：
能耗模拟，负荷计算，住宅建筑。
输入包括：
建筑特性描述，HVAV系统的详细说明，所消耗的燃料类型。
图形和文本两种格式的输出文件，可供电子数据表作进一步处理。
图形界面。
考虑到了热桥的作用，非常详细的空气渗透模型和热损失模型，提供广泛的HVAC系统型式，提供多种燃料类型。
无法进行多区域HVAC系统的模拟。
-E
SPARK
适用范围：
能耗模拟，复杂布局的住宅建筑和商业建筑。
用符号表示的计算模型（可自定义或者从列表中选取），系统运行参数。
图形输出分析后的结果。
复杂的建筑围护结构建模，复杂HVAC系统建模，多样的时间间隔可供选择，图形编辑器简化了对建筑物的描述，预置多种HVAC系统。
需较高的电脑操作技巧，熟悉HVAC系统运行原理。
.@+
ESP-r
适用范围：
可对影响建筑能源特性和环境特性的因素做深入的评估。
内置CAD绘图插件，或者直接导入CAD文件，HVAC系统的详细描述。
比较接近实际，整体性的评价。
可模拟和分析当前比较前沿或创新技术。
较强的专业知识，须对专业知识有较深入的理解。
DEST
住宅建筑热环境模拟工具包（简称“DeST-h”）为国家自然科学基金重点项目“住区微气候工程热物理问题研究”编号59836250的子课题，是在清华大学建筑环境与设备研究所十余年的科研成果的基础上，由清华大学建筑技术科学系研制开发的面向住宅类建筑的设计、性能预测及评估并集成于AutoCAD上的建筑热特性模拟计算软件。
DeST-h的基础算法是基于清华大学江亿院士在80年代初提出的用于分析建筑热状况的状态空间法，该算法是对建筑各个热工部件建立热平衡方程的基础上，在空间上将其离散，时间上保持连续的一种求解方法。
通过该算法，可以对建筑的热状况进行动态的模拟，反映出建筑热状况随着时间的变化过程
TRNSYS
适用范围：
HVAC系统和控制分析，多区域气流分析，太阳能利用方案设计以及建筑热性能研究。
基本输出格式为ASCII，包括生命周期成本，月度，年度能耗报告。
频率曲线，绘出预期参数曲线。
当前最灵活的模拟软件。
用户可自定义标准库中没有的组件，强大的帮助系统，可分时段模拟，可直接导入SimCAD生成的建筑布局作为热工模型的基础。
没有为建筑和HVAC系统设定合理的缺省值，用户必须逐项输入两者较为详细的信息。
TRNSYS最大的特点是采用了模块化的思想。
每个模块代表一个小的系统、设备或者一个热湿处理过程。
它采用“黑盒子”技术封装了计算方法，使得用户把主要精力放在模块的输入和输出上，而不是组件的内部。
这些模块可以很方便地搭建组成各种复杂系统。
所以TRNSYS被认为是建筑环境模拟软件中模拟系统最灵活的软件之一。
TRNSYS具有十分强大的模拟控制器的功能，可以十分精确地模拟各种控制方式，在部分负荷的模拟中相对EnergyPlus等软件有一定的优势。
由于TRNSYS立足于系统而不是建筑，它在模拟系统、设备和控制方式的最优化问题以及系统中参数监测等问题时相对于EnergyPlus和DOE一2这些立足于建筑环境模拟的软件是有优势的，但正因如此，它在建筑负荷以及建筑热性能的模拟上偏弱。
它所设定的建筑模型比较简单，很难完成复杂建筑的描述，如不能按照建筑实际外形建立模型、没有建筑阴影的计算、处理自然通风和渗透通风等问题时需要借助其它软件。
TRNSYS采用开放式的结构，用户可以根据自己的实际情况在它提供的平台下编写并改进组件嵌入到TRNSYS中完成模拟，而且它与很多专业软件，如EES、GenOpt、RansFlow、COMIS和CONTAM等都可以完成链接，同时也可以很方便地使用EnergyPlus等软件的气象文件和处理结果。
这些特点使得TRNSYS成为了一个分享计算机建筑环境模拟成果的很好平台。
TRNSYS的另外一个重要优势是，由于软件开发者本身在太阳能领域具有优势，它在新能源系统尤其是太阳能系统的模拟上具有其它软件无法比拟的优势，而且TRNSYS中的地耦合模型经过一些权威机构鉴定，被认为是较为准确合理的，可以很好地应用于地源热泵的设计和研究中。
ENERGYPLUS
模拟建筑及空调系统全年逐时的负荷及能耗，有助于建筑师和工程师从整个建筑设计过程来考虑如何节能。
大多数的建筑全能耗分析软件由四个主要模块构成：
负荷模块（Loads）、系统模块（Systems）、设备模块（Plants）和经济模块（Economics）——LSPE。
这四个模块相互联系形成一个建筑系统模型。
其中负荷模块是模拟建筑外围护结构及其与室外环境和室内负荷之间的相互影响的。
在负荷模块中有多种计算墙体传热和负荷的方法，如反应系数法（responsefactor）和热传导传递函数法（conductiontransferfunctions,CTF）用来计算墙体传热；传递函数法（transferfunctionmethod,TFM）、热平衡法（heatbalancemethod）和热网络法（thermalnetworkmethod）用来将窗、墙得热及内部负荷转变为冷、热负荷。
模拟空调系统的空气输送设备、风机、盘管以及相关的控制装置的。
设备模块是模拟制冷机、锅炉、冷却塔、能源储存设备、发电设备、泵等将冷热源设备的。
经济模块是计算为满足建筑负荷所需要的能源费用的。
有些软件没有经济模块，有些软件把系统模块和设备模块合并为一个模块。
该软件主要特点有：
1、采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法；
2、在计算负荷时，用户可以定义小于1h的时间步长，在系统模拟中，时间步长自动调整；
3、采用热平衡法模拟负荷；
4、采用CTF模拟墙体、屋顶、地板等的瞬态传热；
5、采用三维有限差分土壤模型和简化的解析方法对土壤传热进行模拟；
6、采用联立的传热和传质模型对墙体的传热和传湿进行模拟；
7、采用基于人体活动量、室内温湿度等参数的热舒适模型模拟热舒适度；
8、采用各向异性的天空模型以改进倾斜表面的天空散射强度；
9、先进的窗户传热的计算,可以模拟包括可控的遮阳装置、可调光的电铬玻璃等；
10、日光照明的模拟,包括室内照度的计算、眩光的模拟和控制、人工照明的减少对负荷的影响等；
11、基于环路的可调整结构的空调系统模拟,用户可以模拟典型的系统,而无需修改源程序；
12、与一些常用的模拟软件链接,如WINDOW5，COMIS，TRNSYS，SPARK等，以便用户对建筑系统作更详细的模拟；
13、源代码开放,用户可以根据自己的需要加入新的模块或功能。
ENER-WIN9702
适用范围：
瞬时热流计算，能耗分析，寿命周期成本分析，非空调区的浮动温度，大型商业建筑。
提供一个简单的画板输入建筑的基本布局，建筑围护结构的热工性能，室内逐时温度设定。
表格和图像形式的月度，年度能耗报告。
图形操作界面，可用紧凑模式的气候资料做替代设计方案的快速测试，有较为合理的缺省值。
建筑可超过98个分区，提供20多种墙窗类型。
算法较为简单，只有9种HVAC系统可供选择。
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