基于無塵塵間蒸發冷卻空調系統的能耗分析軟件選擇分析

建筑行業能耗占社會能源總消費量中的30%左右，而空調能耗占建筑物總能耗的50%~60%。隨著空調技術的發展，其任務已不僅限于保證室內的溫濕度要求，而應向更高層面即創造良好的舒適環境、提高室內空氣品質和節約能源的方向發展。蒸發冷卻空調是一種綠色空調，與機械制冷相比，不需要消耗壓縮功，COP值比機械制冷大，以水作為制冷劑，能減少溫室氣體和CFCs 的排放量，具有節能、經濟、環保等優點，發展前景極為廣闊。蒸發冷卻空調技術在我國的推廣采用源于 20 世紀 80年代后期，發展到現在已有單級的直接蒸發冷卻、間接加直接的兩級蒸發冷卻、兩級間接加直接的三級蒸發冷卻、三級蒸發冷卻加機械制冷的復合空調等形式，廣泛應用于舒適性空調和工藝性空調。

為了達到準確定量地對蒸發冷卻空調系統的能耗進行計算和分析、全面地衡量和評價蒸發冷卻空調系統的節能性，同時為蒸發冷卻空調系統的優化設計提供參考依據的目的，就必須借助能耗分析軟件來實現。目前空調系統全年能耗的計算方法分為穩態計算和動態計算兩種。穩態計算方法適合進行手算分析，計算速度快，但計算分析的結果比較粗略，其精度無法滿足研究分析的需要；動態計算方法采用建筑能耗分析軟件，可以得到空調系統全年逐時能耗變化，計算結果比穩態計算方法精確。

因此，選擇合適的建筑能耗分析軟件，準確快捷地對蒸發冷卻空調系統的能耗計算及分析、經濟性評價和系統優化等問題進行研究具有重要的意義。

1 國內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的實際運行狀況，從而分析設計方案、優化系統，預測運行能耗和費用的軟件。隨著計算機技術的進步與建筑能耗仿真研究的發展，各種各樣的建筑能耗分析軟件不斷地涌現出來。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，以及國內的 DeST。上述這些能耗分析軟件都可以進行空調系統的動態能耗模擬，但是，由于各自的軟件開發目的有所不同，因此它們各有各自的特點。下面對國內外主要常用的能耗分析軟件及其應用特點進行簡單的介紹。

DOE-2 由美國能源部（Department of Energy）開發，它的出現在建筑能耗模擬軟件發展的歷史上具有重大意義，其曾經是公認的最權威、最經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 通過輸入當地的逐時氣象參數及對建筑和HVAC系統及設備的描述等就可以預測建筑的逐時能耗和費用。

BLAST（Building Loads Analysis and SystemThermodynamics）是由美國國防部（Departmentof Defense)資助和建筑工程實驗室（The Construc-tion Engineering Research Laboratory）開發的建筑能耗模擬軟件。BLAST可以用來預測建筑的供暖空調能耗及分析其能源消耗費用，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·伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）等科研機構共同開發，整合了DOE-2 和 BLAST的優點，并加入了很多新的功能。EnergyPlus 被認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，輸入建筑及相關基礎系統等的相關參數之后，即可模擬計算維持設定室內空氣的溫度所需的冷熱量，用戶側HVAC系統和盤管的工況，設備裝置的能耗等。

T R N S Y S 軟件由美國威斯康星大學（Wisconsin-Madison University）與太陽能利用研究室（Solar Energy Laboratory）的研究人員開發，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，即瞬時系統模擬程序。TRNSYS 采用了和EnergyPlus以及DOE-2 等軟件完全不同的設計思路，即 TRNSYS 立足于暖通空調系統而不是建筑。該軟件的最大的特色在于其模塊化的分析方式，即認為所有熱傳輸系統均由若干個細小的系統（即模塊）組成，一個模塊實現一種特定的功能，如太陽能集熱器模塊、水泵模塊、制冷機組模塊、風機模塊等。因此，在進行試驗研究時只需要調用實現這些特定功能的模塊，根據模塊之間的關系建立連接，并設定所建立的系統的輸入參數，這些模塊程序就可以對某種特定熱傳輸現象進行模擬，最后匯總就可對整個系統進行瞬時模擬分析。

DeST 為一款國內研究開發的能耗分析軟件，該軟件是由清華大學的建筑環境與設備工程研究所研發的建筑物能耗分析及設計的軟件包。該軟件的模擬計算過程借助AutoCAD 軟件，并研發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行描述。該軟件可以對水力計算、系統的方案、建筑物以及空調系統進行仿真模擬。

2 能耗分析軟件在暖通空調系統中應用分析

（1）DOE-2

DOE-2建筑能耗分析軟件暖通空調系統的處理能力有限，只能處理少數的幾種暖通空調系統，DOE-2 的計算過程為傳統的 LSPE 的模擬結構（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的聯系，從而形成了一個建筑物及空調系統的模型。在實際的空調系統中，建筑室內熱環境、空調系統、主機以及末端設備的運行情況，它們之間是相互耦合、相互關聯的，順序的計算方式不能夠準確的表達它們之間的反饋與關聯，因此DOE-2建筑能耗分析軟件計算出的結果精確度較低。

（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：空間負荷模擬程序，它是基于用戶輸入的相關參數來模擬計算建筑或區域的逐時負荷；空氣輸配系統模擬程序，它是基于計算的空間負荷和用戶對建筑空氣處理系統的描述來模擬計算熱水或蒸汽、冷凍水和電能的需求量；中央空調設備模擬程序，它能模擬鍋爐、冷水機組、現場發電設備和太陽能利用系統等設備的運行特性，同時計算燃料與電的月耗量、年耗量和整個生命周期內設備的運行費用。通過 BLAST 模擬，機械工程師、能量工程師和建筑工程師能對建筑的能量需求做出準確的預算。

（3）EnergyPlus

EnergyPlus 能耗分析軟件吸收了 DOE-2 的LSPE 結構，并做出了改進，它采用如圖2所示的集成同步的負荷、系統和設備的結構在上層管理模塊的監督下，模塊之間彼此有反饋，而不是單純的順序結構，計算結果更為精確。EnergyPlus 在 DOE-2 的基礎上有很大的改進，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、光、雨、雪等；其次力圖完成對所有暖通空調系統的模擬，加入更多常用的暖通空調系統，如熱泵和輻射供熱供冷等系統。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系統的能力偏弱，它對暖通空調系統控制方式的模擬能力較弱；其次它通常假定設備的調節為理想化的連續調節這對于設備部分負荷運行時的模擬是不太準確的；另外EnergyPlus不穩定不太容易收斂并且經濟性分析較為簡單。

（4）TRNSYS

TRNSYS 軟件立足于暖通空調系統而不是建筑，因此它在建筑負荷以及建筑熱性能的模擬上偏弱，很難完成復雜建筑的描述。TRNSYS軟件將氣象參數、設備、建筑和控制器都進行了模塊化。TRNSYS 軟件對于空調系統控制的設計非常側重，實際空調系統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?？刂频?，在進行系統模擬時，可以得到相應的精確的系統運行參數。因此 TRNSYS 軟件在模擬系統、設備和控制方式的最優化問題以及系統中參數監測等問題時相對于EnergyPlus和DOE-2 這些立足于建筑的軟件是有優勢的。

TRNSYS 為模塊開放式機構，用戶可以根據自己的實際情況在它提供的平臺下編寫并改進組件嵌入到 TRNSYS 中完成模擬，而且它與很多專業軟件，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果。這些特點使得TRNSYS成為一個分享計算機能耗模擬成果的很好平臺。

（5）D e S T

DeST 軟件以空調的設計過程作為基礎，采取分段設計和分段模擬的方法，一步一步地把問題解決，并且逐步把未知量轉化為已知量。該軟件在研究開發的進程中，將設計具有分段性的特點融入其中，并將模擬的過程分成5個階段，即建筑物熱特性的分析、系統方案的分析、空氣處理單元的分析模擬、風網的模擬、冷熱源的模擬。因此，可以實現暖通空調系統控制與建筑熱環境的分段進行模擬。

DeST 軟件為漢化版的軟件，因此國內的設計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據參數，暖通空調系統設備的部件類型較少，不能夠滿足用戶的多種需要，空調系統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區域負荷的仿真模型，例如DOE-2、BLAST 、EnergyPlus、DeST 等，其功能和特點比較如表 1 和表 2；第二類的能耗分析軟件立足于暖通空調系統，即能夠較好的模擬出暖通空調循環和控制系統的仿真模型，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及功能進行比較之后發現，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、負荷計算能力和設備計算兼容性等方面都具有顯著的優異性。但第二類中的 TRNSYS 能耗分析軟件在建筑負荷以及建筑熱性能的模擬上偏弱的同時，卻在模擬暖通空調系統、設備和控制方式的最優化問題以及系統中參數監測等方面相對于 EnergyPlus 占優勢。

3 結論及建議

EnergyPlus 和 TRNSYS 兩種能耗分析軟件都是開放式結構，即可以和其他的軟件鏈接聯合計算，其中這兩種軟件就可以進行數據鏈接。EnergyPlus和 TRNSYS 輸入界面都不夠友好，操作起來比較復雜。針對兩種軟件不同的優勢所在，筆者建議對于建筑模型較簡單、空調系統規模較大、控制系統較復雜的蒸發冷卻空調系統而言，選擇TRNSYS能耗分析軟件對系統進行能耗計算與分析；對于建筑模型較復雜、空調系統規模較小、控制系統較簡單的蒸發冷卻空調系統而言，選擇EnergyPlus能耗分析軟件對系統進行能耗計算與分析；對于規模較大系統運行較復雜、控制系統較復雜的蒸發冷卻空調系統，同時選擇EnergyPlus與TRNSYS兩種軟件進行數據鏈接，即TRNSYS使用EnergyPlus的氣象文件、建筑模型和建筑負荷等處理結果，從而全面精確地進行能耗的計算及分析。