7建筑能耗分析用逐时气象模型.pptx
建筑物能源消耗的时空分布特征研究
建筑物能源消耗的时空分布特征研究1. 我们日常生活中所接触到的建筑物，不仅是人类活动的场所，同时也是能源消耗的主要对象。
2. 建筑物能源消耗的时空分布特征研究，是一个涉及建筑工程、能源管理、环境保护等多个领域的复杂课题。
3. 从宏观层面来看，建筑物能源消耗的时空分布特征研究，可以帮助我们更好地了解不同地区、不同类型建筑在不同时间段内的能源消耗情况。
4. 在城市化进程不断加速的今天，建筑物能源消耗已成为影响城市可持续发展的重要因素之一。
5. 第一，建筑物能源消耗的时空分布特征研究可以为相关相关部门部门和企业提供科学依据，制定合理的能源管理和措施。
6. 第二，建筑物能源消耗的时空分布特征研究有助于促进建筑行业技术创新和能源节约减排技术的推广应用。
7. 第三，建筑物能源消耗的时空分布特征研究还可以引导人们提高节能意识，倡导低碳生活方式，从而共同为地球环境保护贡献力量。
8. 不同类型建筑物在不同地区、不同季节的能源消耗情况存在显著差异，这主要受到建筑物自身特性、功能用途、气候条件等因素的影响。
9. 建筑物的结构、材料、设备，都会直接影响其能源消耗量的大小，因此建筑物能源消耗的时空分布特征研究需要综合考虑多个方面因素。
10. 气候条件也是影响建筑物能源消耗的重要因素之一，不同气候区域的建筑物在供暖、制冷等方面的能源消耗存在明显区别。
11. 建筑物的使用方式和人员密度也会对能源消耗产生重要影响，例如商业建筑、写字楼等人员密集型场所的能源消耗往往高于住宅建筑。
12. 随着信息技术的不断发展，建筑物能源消耗的时空分布特征研究也在不断完善，智能化建筑管理系统和监测设备的应用将为能源管理提供更多有效手段。
13. 建筑物能源消耗的时空分布特征研究的深入开展，对于实现建筑节能减排、提高建筑能效、促进可持续发展具有重要意义。
14. 总的来说，建筑物能源消耗的时空分布特征研究不仅需要科学理论支撑，更需要实践经验积累，只有理论和实践相结合，才能更好地推动建筑物能源消耗的管理与优化。
建筑能耗分析用逐时气象模型
国内外气象模型的研究情况研究目的和主要内容 气象模型建立的总体思路逐时模拟数据与实测数据的比较逐时气象模型的建立问题的提出内容提要选择典型气象年结论z\气象模型的实际应用问题的提出•外界气象条件的变化情况与建筑物的动态热特性是研究空调系统动态过程的基础。
•只有基于一整套切实反映气象环境的数据才能真正对建筑物的冷热能耗有更加准确的计算分析,对整个空调系统的动态过程有更全面的了解。
国内外气象模型的研究情况y /♦统计法♦陵机教模拟法♦陵机过程模拟法综合考虑以上三种建立气象模型的方法,我们可以看到:♦统迤利用长期的逐时数据构成典型年（或参考年）O 然而我国的逐时气象观测数据却很不完整,目前只有少数城市有近几年的逐时气象数据,而且这些数据由于某些原因还未公开。
♦除统计法外,气象模型由分两步进行:首先,用随机方法模拟逐日气象参数;然后,再用模拟出的逐日气象参数配出或随机模拟出最终要求的逐时参数。
♦随机数情况下产生的,主要应用于逐日数据的模拟。
然而,这模拟这和随机过程模拟法是在逐日数据的缺乏•随着我国逐日气象资料的公开,我们已获得遍布全国的194个气象站台的近5 0年的逐日气象数据。
•在逐日数据充足的有利条件下,就无需再用复杂繁琐的方法模拟逐日参数,也就是说,可以越过气象模型建立的第一步,直接连行鉛二步------------ 覆拟逐时参薮。
研究目f ——在逐日实测数据的基础上,建立一套完备可靠的气象模型,获得满足一定统计要求的全年逐时气象数据，为空调系统动态过程的硏究建立坚实的基础。
主要内家-在历年气象数据中挑出具有气候代表性的典型气象年;•找出空气干球温度、绝对湿度、太阳辐射、风速风向以及天空有效温度等气象参数的一天内的变化规律,建立各气象参数的逐时模型;-验证逐时气象模型;-应用模型于空调系统的动态负荷模拟中；-模拟全国194个站点的典型年逐时气象数据o气象模型建立的总体思路原始逐日气象数据典型气象年的选择干球温度＜=□/ 模拟逐时气象数据绝对湿度＜=□太阳辐射天空有效温度风速风向原始逐日气象数据构成温度r日最高日平均风速日平均大气压日最低温度始逐日最大I速风E来自中国气象中心•由于气象参数的随机性，根据各年的实测气象参数来计算建筑负荷,其结果常有较大舍别;•这就有必要选取一个〃包型年〃，它由〃平均月〃构成,按每一〃平均月〃的气象参数算得的负荷应与该月的、按历年实际气象参数算得的负荷的平均值吻合；•典型年反映了气象环境的平均状况。
建筑能耗模拟分析.pptx
书山有路
目前有许多可用于全年建筑冷热负荷计算的计算机建筑能耗模 拟软件。如 DeST、PKPM、EnergyPlus、DOE-2、ESP-r 等。 1DOE2 DOE-2 是现今世界上最为流行的建筑能耗分析和建筑能耗 模 拟软件。冷热负荷的能耗模拟模拟采用的反应系数法，假定室内温 度恒定，不考虑不同房间之间的相互影响。
书山有 路
建筑能耗模拟析
建筑能耗包括室内能耗、新风能耗、附加能耗。室内能耗包括围 护结构能耗、空气渗透能耗、室内热源散热形成的能耗。具体的计算 可参照《实用供热空调设计手册》进行计算。 空调区的建筑能耗， 应根据所服务空调区的同时使用情况、空调系统的类型及调节方式， 按各空调区逐时能耗的综合最大值或各空调区能耗的累计值确定，并 应计入各项有关的附加能耗。 各空调区逐时能耗模拟的综合最大值， 是从同时使用的各空调区逐时能耗相加之后得到的数列中找出最大 值；各空调区能耗的累计值，即找出各空调区逐时能耗的最大值并将 它们相加在一起，而不考虑它们是否同时发生。
2 EnergyPlus 是在 BLAST 和 DOE-2 的基础上开发的，兼具两者的 优点以及一些新的特点。EnergyPlus 是一个建筑能耗逐时模拟引擎， 采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法。EnergyPlus 采用CTF 来计算墙体、屋顶、地板等的瞬态传热，采用热平衡法计算负荷。 3ESP-r 是在欧洲应用非常广泛的建筑能耗模拟分析软件。 ESP-r采 用半隐式差分格式求解导热方程。可以计算房间各个内、外 表面的 太阳辐射得热；模拟整个建筑各个房间之间的空气流动；基于 人体 活
例如：当采用变风量集中式空调系统时，由于系统本身具有自适 应各空调区建筑能耗变化的调节能力，此时即应采用各空调区逐时建 筑能耗的综合最大值；当采用定风量集中式空调系统或末端设备没有 室温控制装置的风机盘管系统时，由于系统本身不能适应各空调区建 筑能耗的变化，为了保证最不利情况下达到空调区的温湿度要求，即 应采用各空调区建筑能耗的累计值。 设计负荷是按照标准规定的室 内外计算参数进行的负荷计算的结果，它是全年负荷中的最大冷（热 ） 负荷，是选择设备最大容量的依据，并不代表实际运行负荷。实 际上 全年室外气象参数在逐时变化，而室内的热湿环境参数也是在逐 时变 化，因此，采用动态能耗模拟计算进行建筑全年能耗分析的变 化，为 空调系统提供真实的能耗分析设计依据。
微气候及建筑能耗模拟软件课件
举例：城市微气候对建筑能耗影响的 方案
气候数据
ENVI-met模拟
微气候数据 ECOTECT模拟
建筑能耗
小区规划方案
建筑设计方案
已有的文献中软件间的耦合
举例：城市微气候对建筑能耗影响的 方案—优化
气候数据
确定代表气象日
ENVI-met模拟
• 分析范围：从太阳辐射、日射、遮阴、采光、照明到 热工、室内声场、室内外风场都可以进行模拟，涵盖 了热环境、风环境、光环境、声环境、日照、经济性
及环境影响与可视度等建筑物理环境的7个方面。
3. TRNSYS 瞬时系统模拟程序
（Transient System Simulation Program）
• FLUENT • ENVI-met • AUSSSM • Fluent • SUNtool • WindPerfect • Star-CD • PHOENICS等等
1.FLUENT软件
• FLUENT软件设计基于CFD软件群的概念，针对各种复杂流动的物理现象， FLUENT软件采用适当的数值解法，以期在计算速度、稳定性和精度等方 面达到优化组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算模拟。为 了实现这样的功能，要求这些不同软件都可以模拟流场飞传热和化学反 应等物理信息，在各种软件之间可以方便地进行数值交换，并且采用统 一的前、后场处理工具 。
• 它包含有以下几个互相影响的子模型：1.城市冠层子 模型，用于计算大气层中一维的动量及热质传递；2. 建筑子模型，用于计算采暖空调负荷；3.土壤子模型 ，用于计算地表蒸发强度；4.植物子模型，用于计算 草地等地表植被与大气间的传热情况。
• 优劣势：所有这些子模型都将复杂的三维传热传质过 程简化为一维，且具有相近的准确率。缺少针对大树 及其阴影的子模型，AUSSSM 现在还不能模拟除了草地 以外的其它绿化形式及其对热环境的影响
能耗分析方法PPT课件
下的加热量和冷却量. 季节冷负荷或热负荷的计算公式如下:
Q = ∑ [K ( tWX - tN ) fX ]
式中Q — 建筑物季节冷负荷或热负荷(K J) ;
K — 建筑物综合传热系数(KJ/h ℃ ) ;
tWX — 某一时刻室外空气的干球温度(℃ ) ;
下的能耗: C L (T i )×t i第19页/共27页
(W·h/m2空调面积) 。
逐时日射负荷因数
Cf的确定
• 玻璃窗逐时日射负荷因数 C f
表示意义是单位玻璃窗净面
积 , 标准玻璃情况下的日射
负荷。
• 对某一朝向 , 用最大日射得热
因数 D J m a x 乘以该朝向逐时冷
负荷系数得透过玻璃窗逐时
冬季总热量为ΣQs。
CD — 修正系数, 考虑间歇采暖对连续采暖的修正, 可按表2取;
tN -W — 室内外设计温差, (℃ ) .
表2 修正系数
第2页/共27页
• 同样还有空调度日数，指在供冷期内，室外逐日平均温
度高于室内温度基数的度数之和，即:
n
CDD Ti TB
i
• 我国一般取TB=26℃。TB 取值是一件比较复杂的事情,因为
• 散热，W。
4 新风负荷
• 新风负荷包括显热负荷和潜热负荷，分别根据下式进行计
算：
CLVS (HLVS ) 0.34 V (T T ) / A
i
f
CLVL 0.83V (d di ) / Af
•
式中：V－新风量，m3/h；d－室外空气含湿量，g/kg；di－室内设计要求的
约。导致实际制冷空调能耗大于按度日数计算的空调能耗。
建筑能耗分析
（VAV），空调水系统采用同程式两管制水系统。 能耗分析与节能研究的主要目的是使该建筑消耗
最低的能源达到舒适、健康的最优室内环境，并使其具 有可持续设计的鲜明特征；将其建成生态化、智能化、 地标性的高档办公建筑，并成为该区绿色和环保的标 志性建筑。
1 研究目标
建筑能耗由各耗能系统的能耗组成，包括照明、空 调、采暖和设备能耗等。对建筑能耗的分析包括建筑能 耗性能指标的分析和能耗组成的分析，通过设计能耗 性能指标与能耗性能基准（本文以《公共建筑节能设计 标准（GB 50189- 2005）》为基准，以下简称《节能标准》） 比较，从而了解整个建筑的能耗性能水平；另一方面， 通过能耗组成的分析，可以为节能优化提供指导和决 策支持。
22
确定，见表 7。
13：00 80
80
50
开开开
24
22
14：00 95
95
95
开开开
24
22
4 设计模型 能 15：00 95
95
95
开开开
24
22
16：00 95
95
95
开开开
24
22
耗分析
17：00 95
95
95
开开开
24
22
4.1 设计模型能耗组成
18：00 30
30
30
开开开
24
22
19：00 30
通过照明模拟软件调整布灯间距，使 照明功率密度（LPD）降到最低。高大空间采用高效金 属卤化物灯，并结合直接照明方式，将照明配电降到最 低。优化后的照明功率密度详见表 4。
30
30
开开开
24
22
经过模拟可以得出以下结果：年总耗电量为 20：00 0
建筑能耗的模拟分析
3
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第二节 建筑能耗模拟基本原理
❖一、概述
❖ 用来描述建筑系统的数学模型由三个部分组成： ①输入变量，包括可控制的变量和无法控制的变 量（如天气参数）；
❖ ②系统结构和特性，即对于建筑系统的物理描述 （如建筑围护结构的传热特性、空调系统的特性 等）；
❖ ③输出变量，系统对于输入变量的反应，通常指 能耗。在输入变量和系统结构和特性这两个部分 确定之后，输出变量（能耗）就可以得以确定。
▪ 2．校验模拟法 ：先在现有软件中建立模型，在调整和 校验模型输入参数，使实际建筑能耗与模拟结果吻合 。过于依赖分析人员。应用改造项目单个措施节能效 果
▪ 3．灰箱法：先建立一个表达建筑和空调系统的模型，
然后用统计分析方法确定各项物理参数。应用在故障
检测与诊断和在线控制 14
Company name
4
Company name
第二节 建筑能耗模拟基本原理
❖一、概述
❖ 因应用的对象和研究目的的不同，建筑能耗模拟 的建模方法可以分为两大类。
❖ （1）正向建模方法（经典方法） ▪ 在输入变量和系统机构与特性确定后预测输出 变量（能耗）
❖ （2）逆向建模方法（数据驱动方法） ▪ 在输入变量和输出变量已知或经过测量后已知 时，估计建筑系统的各项参数，建立建筑系统 的数学描述
第十五章 建筑能 耗的模拟分析
LOGO
第一节 概述
❖ 建筑能耗模拟是建筑模拟的一个方面。 ❖建筑模拟（Building Simulation）是指对建筑
环境与系统的整体性能进行模拟分析的方法，因 此也可称为建筑性能模拟（Building Performance Simulation）。
❖ 建筑性能模拟主要包括建筑能耗模拟、建筑环境 模拟（气流模拟、光照模拟、污染物模拟）和建 筑系统仿真。其中建筑能耗模拟是对建筑环境、 系统和设备进行计算机建模，并计算出逐时建筑 能耗的技术。
上海地区建筑能耗计算用典型年气象数据的研究
★ Tongji University , Shanghai , China
①
0 引言 随着 EnergyPlus , Equest , DeS T , DO E2 等建
筑能耗模拟软件的开发 ,反映全年逐时建筑能耗的 动态模拟技术已得到普遍应用 。我国目前用于建 筑能耗模拟的典型年气象参数共 5 套 ,然而由于过 去气象观测值的不完善 ,对缺损的观测值需要通过 插值 、拟合 、推定等数理统计处理 ,基础数据来源及 推定模型的不同导致即使是对同一地区 ,各套典型 年气象数据也不尽相同 ,甚至一些重要的基础参 数 ,如太阳辐射等数据存在较大差异 ,并与实际气 象参数存在偏离 ,将有可能影响建筑能耗模拟的可 靠性和精度 。本文探讨了 5 套典型年气象数据的 适用性及其统计特性 。 1 我国常用的建筑全年能耗模拟典型年气象数据
照明强度
11 W/ m2 (办公室 ,教室) ; 5 W/ m2 (走廊 ,节
能灯具)
办公设备负荷密度 20 W/ m2 (办公室) ;5 W/ m2 (教室)
设计室内空气温度 夏季空调 26 ℃;冬季供暖 20 ℃
冷热源
变频多联机 VRV (部分办公室) ;地埋管地源
热泵系统 (教室)
空调末端
变频多联机 VRV 末端 (部分办公室) ;吊顶辐
项进行模拟计算最接近 2008 年实际能耗 。从表 4 IW EC 的全年模拟结果偏大 。
可知 ,C T YW 中各气象要素的年平均值都比其他 3 典型气象年中的主要气象要素分析
表 4 上海地区各气象参数空调供冷期的平均值及与实际值的偏差
CSWD
DeS T
CT YW
IW EC
SWERA
2008 年
CTYW Chinese Typical
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日最低温度
用一种简易方法模拟逐时温度
tw, tw,m 0.489tw cos(15 225.8) 0.062tw cos(30 35.2)
日最高温度
没有考虑各天之间的影响， 各天之间的温度都是孤立的
各天温度之间都是连续的
逐时模拟温度的日均值与实测值 的误差较小
逐时模拟温度的日均值与实测值 的误差较大
水平面日辐射总量
y(t) Qrt (a b cost )
rt
I0 (t) Q0
大气层外水平面逐时辐射量 大气层外水平面日辐射总量
小时中点的时角
t
（t-12）
12
直射和散射的分离
可计算
已知
得到
根据水平面接受到的太阳日总辐射与大气层外
太阳日总辐射之比Kt的范围，可分为如下四种情况：
Kt<=0.28
0.28<Kt<0.5
0.5<Kt<0.74
Kt>=0.74
采用MARKOV链来 采用MARKOV链来 决定某一瞬间的状态 决定某一瞬间的状态
日最高相对湿度＝ 2×日平均相对湿度－日最低相对湿度
RH 0.55 RH SIMPLE, 0.45 RH F , 各天衔接处平滑处理
太阳辐射模型的建立
太阳辐射量的逐时模拟主要包括两方面： 总辐射的逐时模拟 直射和散射的分离
总辐射的逐时模拟
太阳总辐射的逐时模拟采用ColloresPerein和Rabl模型（简称C.P.R模型）：
气象模型建立的总体思路
原始逐日气象数据
典型气象年的选择
干球温度 绝对湿度
模拟逐时气象数据
太阳辐射 （直射和散射）
天空有效温度
风速 风向
原始逐日气象数据构成
日最高 温度
日平均 温度
日最低 温度
来自 中国气象中心
日照 小时数
日总辐射
原始逐日 气象数据
日平均 相对湿度
日最低 相对湿度
日平均
日平均
风速 日最大 大气压
研究目的和主要内容
研究目的——在逐日实测数据的基础上，建立一套完备
可靠的气象模型,获得满足一定统计要求的全年逐时气象数 据,为空调系统动态过程的研究建立坚实的基础。
主要内容
——在历年气象数据中挑出具有气候代表性的典型气象年； ——找出空气干球温度、绝对湿度、太阳辐射、风速风向以及
天空有效温度等气象参数的一天内的变化规律，建立各气 象参数的逐时模型； ——验证逐时气象模型； ——应用模型于空调系统的动态负荷模拟中； ——模拟全国194个站点的典型年逐时气象数据。
初选平均月
如有若干个年份的m月都能满足“初选平均月的条件”，
计算Dm值，选择Dm最小的月份作为第m月的“平均
月”：Dm
Ki X i,m,y X i,m
i
Ki—各气象 参数的权重
选择典型气象年的气象参数及其权重
气象参数 日平均温度 日最低温度 日平均相对湿度 日最低相对湿度 日平均风速 日最大风速 日最大风速时刻的风向 日日照时数 日总辐射量 日最高温度
设有N年的 逐日数据
统计出每年每月的各气象参数的平均值 X i,m, y
计算每月各气象参数的 N年平均值Xi,m 及方差 i,m
i—参数序号 m—月份序号 Y—年份序号
对于月份m，如果第y年的实际气象参数能 同时满足以下条件者，可认为该年该月有条
件成为“平均月”X：i,m, y X i,m i,m
T 0.55TSIMPLE, 0.45TF ,
各天衔接处平滑处理
绝对湿度模型的建立
绝对湿度的模拟是通过间接的方法得到：
利用已模拟出的逐时温度计算逐时饱和水蒸气压力；
模拟出逐时相对湿度；
逐时水蒸汽分压力（绝对湿度）＝逐时相对湿度×逐时饱 和水蒸气压力；
水蒸气分
压力
相对湿度
Pq 100%
权重 2/24 1/24 2/24 1/24 2/24 1/24 1/24 1/24 12/24 1/24
干球温度模型的建立
资料表明，一天内最高温度一般出现在午 后三时，而最低温度出现在日出前一小时 左右。温度在一天内的变化规律可以近似 用余弦函数来表示。
干球温度模型的建立
日平均温度
用傅立叶级数模拟逐时温度
国内外气象模型的研究情况
统计法 随机数模拟法 随机过程模拟法
综合考虑以上三种建立气象模型的方法，我们可以看到：
统计法利用长期的逐时数据构成典型年（或参考年）。
然而我国的逐时气象观测数据却很不完整，目前只有少数 城市有近几年的逐时气象数据，而且这些数据由于某些原 因还未公开。
除统计法外，气象模型由分两步进行：首先，用随机方法 模拟逐日气象参数；然后，再用模拟出的逐日气象参数配 出或随机模拟出最终要求的逐时参数。
风速风向
典型气象年的选择
由于气象参数的随机性，根据各年的实测 气象参数来计算建筑负荷，其结果常有较 大差别；
这就有必要选取一个“典型年”, 它由“平 均月”构成，按每一“平均月”的气象参 数算得的负荷应与该月的、按历年实际气 象参数算得的负荷的平均值吻合；
典型年反映了气象环境的平均状况。
பைடு நூலகம்
典型气象年的选择方法
Pb,q
饱和水蒸
Pb,q f (T )
气分压力
相对湿度的逐时模拟
资料表明，相对湿度日变化主要决定于气温日变化，但位 相相反，即最低相对湿度出现在午后最高温度时段，而相 对湿度最高值出现在清晨温度最低时刻。
因此可用模拟温度的方法来模拟相对湿度，只要变化方向 相反即可。
日最低相对湿度 日平均相对湿度
建筑能耗分析用逐时气象模型
问题的提出 国内外气象模型的研究情况
内容提要
研究目的和主要内容
结论
气象模型建立的总体思路 选择典型气象年
气象模型的实际应用 逐时模拟数据与实测数据的比较
逐时气象模型的建立
问题的提出
外界气象条件的变化情况与建筑物的动态 热特性是研究空调系统动态过程的基础。
只有基于一整套切实反映气象环境的数据 才能真正对建筑物的冷热能耗有更加准确 的计算分析，对整个空调系统的动态过程 有更全面的了解。
随机数模拟法和随机过程模拟法是在逐日数据的缺乏
的情况下产生的，主要应用于逐日数据的模拟。然而，这 两种方法所模拟出来的气象数据仍不能完全反映实际的逐 日气象变化规律。
随着我国逐日气象资料的公开，我们已获 得遍布全国的194个气象站台的近50年的逐 日气象数据。
在逐日数据充足的有利条件下，就无需再 用复杂繁琐的方法模拟逐日参数，也就是 说，可以越过气象模型建立的第一步，直 接进行第二步——模拟逐时参数。