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基于无尘尘间蒸发冷却空调系统的能耗分析软件选择分析

文章来源:http://www.iwuchen.com/  2018年04月07日  点击数:2371

建筑行业能耗占社会能源总消费量中的30%左右,而空调能耗占建筑物总能耗的50%~60%。随着空调技术的发展,其任务已不仅限于保证室内的温湿度要求,而应向更高层面即创造良好的舒适环境、提高室内空气品质和节约能源的方向发展。蒸发冷却空调是一种绿色空调,与机械制冷相比,不需要消耗压缩功,COP值比机械制冷大,以水作为制冷剂,能减少温室气体和CFCs 的排放量,具有节能、经济、环保等优点,发展前景极为广阔。蒸发冷却空调技术在我国的推广采用源于 20 世纪 80年代后期,发展到现在已有单级的直接蒸发冷却、间接加直接的两级蒸发冷却、两级间接加直接的三级蒸发冷却、三级蒸发冷却加机械制冷的复合空调等形式,广泛应用于舒适性空调和工艺性空调。

为了达到准确定量地对蒸发冷却空调系统的能耗进行计算和分析、全面地衡量和评价蒸发冷却空调系统的节能性,同时为蒸发冷却空调系统的优化设计提供参考依据的目的,就必须借助能耗分析软件来实现。目前空调系统全年能耗的计算方法分为稳态计算和动态计算两种。稳态计算方法适合进行手算分析,计算速度快,但计算分析的结果比较粗略,其精度无法满足研究分析的需要;动态计算方法采用建筑能耗分析软件,可以得到空调系统全年逐时能耗变化,计算结果比稳态计算方法精确。

因此,选择合适的建筑能耗分析软件,准确快捷地对蒸发冷却空调系统的能耗计算及分析、经济性评价和系统优化等问题进行研究具有重要的意义。

1 国内外主要建筑能耗分析软件简介

建筑能耗分析软件是用来模拟建筑及系统的实际运行状况,从而分析设计方案、优化系统,预测运行能耗和费用的软件。随着计算机技术的进步与建筑能耗仿真研究的发展,各种各样的建筑能耗分析软件不断地涌现出来。目前比较流行的建筑能耗分析软件主要有国外的 DOE-2、EnergyPlus、TRNSYS 等,以及国内的 DeST。上述这些能耗分析软件都可以进行空调系统的动态能耗模拟,但是,由于各自的软件开发目的有所不同,因此它们各有各自的特点。下面对国内外主要常用的能耗分析软件及其应用特点进行简单的介绍。

DOE-2 由美国能源部(Department of Energy)开发,它的出现在建筑能耗模拟软件发展的历史上具有重大意义,其曾经是公认的最权威、最经典的建筑能耗模拟软件之一,被很多能耗模拟软件,如eQUEST、EnergyPlus 等借鉴和引用。DOE-2 通过输入当地的逐时气象参数及对建筑和HVAC系统及设备的描述等就可以预测建筑的逐时能耗和费用。

BLAST(Building Loads Analysis and SystemThermodynamics)是由美国国防部(Departmentof Defense)资助和建筑工程实验室(The Construc-tion Engineering Research Laboratory)开发的建筑能耗模拟软件。BLAST可以用来预测建筑的供暖空调能耗及分析其能源消耗费用,它可用于审查新建建筑或改造建筑的能耗性能。

EnergyPlus 由美国能源部(Department ofE n e r g y )和美国劳伦斯?伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)等科研机构共同开发,整合了DOE-2 和 BLAST的优点,并加入了很多新的功能。EnergyPlus 被认为是一个全新的用来替代 DOE-2 的建筑能耗分析软件。对于EnergyPlus 软件来说,输入建筑及相关基础系统等的相关参数之后,即可模拟计算维持设定室内空气的温度所需的冷热量,用户侧HVAC系统和盘管的工况,设备装置的能耗等。

T R N S Y S 软件由美国威斯康星大学(Wisconsin-Madison University)与太阳能利用研究室(Solar Energy Laboratory)的研究人员开发,并在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善。TRNSYS 的全称为 Transient System SimulationProgram,即瞬时系统模拟程序。TRNSYS 采用了和EnergyPlus以及DOE-2 等软件完全不同的设计思路,即 TRNSYS 立足于暖通空调系统而不是建筑。该软件的最大的特色在于其模块化的分析方式,即认为所有热传输系统均由若干个细小的系统(即模块)组成,一个模块实现一种特定的功能,如太阳能集热器模块、水泵模块、制冷机组模块、风机模块等。因此,在进行试验研究时只需要调用实现这些特定功能的模块,根据模块之间的关系建立连接,并设定所建立的系统的输入参数,这些模块程序就可以对某种特定热传输现象进行模拟,最后汇总就可对整个系统进行瞬时模拟分析。

DeST 为一款国内研究开发的能耗分析软件,该软件是由清华大学的建筑环境与设备工程研究所研发的建筑物能耗分析及设计的软件包。该软件的模拟计算过程借助AutoCAD 软件,并研发了图形化的用户界面,则用户可以通过该界面对建筑物的外观进行描述。该软件可以对水力计算、系统的方案、建筑物以及空调系统进行仿真模拟。

2 能耗分析软件在暖通空调系统中应用分析

(1)DOE-2

DOE-2建筑能耗分析软件暖通空调系统的处理能力有限,只能处理少数的几种暖通空调系统,DOE-2 的计算过程为传统的 LSPE 的模拟结构(如图1),即 Load 模块、System 模块、Plant 模块、Economic 模块,这 4 个模块之间相互有机的联系,从而形成了一个建筑物及空调系统的模型。在实际的空调系统中,建筑室内热环境、空调系统、主机以及末端设备的运行情况,它们之间是相互耦合、相互关联的,顺序的计算方式不能够准确的表达它们之间的反馈与关联,因此DOE-2建筑能耗分析软件计算出的结果精确度较低。

(2)BLAST

BLAST软件是一个包含三个主要子程序的模拟建筑能耗的综合程序,它们分别是:空间负荷模拟程序,它是基于用户输入的相关参数来模拟计算建筑或区域的逐时负荷;空气输配系统模拟程序,它是基于计算的空间负荷和用户对建筑空气处理系统的描述来模拟计算热水或蒸汽、冷冻水和电能的需求量;中央空调设备模拟程序,它能模拟锅炉、冷水机组、现场发电设备和太阳能利用系统等设备的运行特性,同时计算燃料与电的月耗量、年耗量和整个生命周期内设备的运行费用。通过 BLAST 模拟,机械工程师、能量工程师和建筑工程师能对建筑的能量需求做出准确的预算。

(3)EnergyPlus

EnergyPlus 能耗分析软件吸收了 DOE-2 的LSPE 结构,并做出了改进,它采用如图2所示的集成同步的负荷、系统和设备的结构在上层管理模块的监督下,模块之间彼此有反馈,而不是单纯的顺序结构,计算结果更为精确。EnergyPlus 在 DOE-2 的基础上有很大的改进,首先在处理建筑热过程的时候,考虑到了更多的因素,包括建筑的遮挡、绿化、风、光、雨、雪等;其次力图完成对所有暖通空调系统的模拟,加入更多常用的暖通空调系统,如热泵和辐射供热供冷等系统。就此方面而言,可以说是同类软件中最为全面的。但是,EnergyPlus 本身是立足于建筑模拟,首先其处理暖通空调系统的能力偏弱,它对暖通空调系统控制方式的模拟能力较弱;其次它通常假定设备的调节为理想化的连续调节这对于设备部分负荷运行时的模拟是不太准确的;另外EnergyPlus不稳定不太容易收敛并且经济性分析较为简单。

(4)TRNSYS

TRNSYS 软件立足于暖通空调系统而不是建筑,因此它在建筑负荷以及建筑热性能的模拟上偏弱,很难完成复杂建筑的描述。TRNSYS软件将气象参数、设备、建筑和控制器都进行了模块化。TRNSYS 软件对于空调系统控制的设计非常侧重,实际空调系统中的各种控制方式都可以被它模拟出来,其中包括顺序控制、智能控制、PID 控制和启停控制等,在进行系统模拟时,可以得到相应的精确的系统运行参数。因此 TRNSYS 软件在模拟系统、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-2 这些立足于建筑的软件是有优势的。

TRNSYS 为模块开放式机构,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成为一个分享计算机能耗模拟成果的很好平台。(www.iwuchen.com)

(5)D e S T

DeST 软件以空调的设计过程作为基础,采取分段设计和分段模拟的方法,一步一步地把问题解决,并且逐步把未知量转化为已知量。该软件在研究开发的进程中,将设计具有分段性的特点融入其中,并将模拟的过程分成5个阶段,即建筑物热特性的分析、系统方案的分析、空气处理单元的分析模拟、风网的模拟、冷热源的模拟。因此,可以实现暖通空调系统控制与建筑热环境的分段进行模拟。

DeST 软件为汉化版的软件,因此国内的设计研究人员使用起来较为方便,且该软件的版本比较多,其用户界面为图形化,界面较为友好。但是该软件缺乏完整的气象数据参数,暖通空调系统设备的部件类型较少,不能够满足用户的多种需要,空调系统的控制方式不够灵活。

上述能耗分析软件大体可以被分为两大类:第一类的能耗分析软件立足于建筑,即能够较好的模拟出建筑物和空调区域负荷的仿真模型,例如DOE-2、BLAST 、EnergyPlus、DeST 等,其功能和特点比较如表 1 和表 2;第二类的能耗分析软件立足于暖通空调系统,即能够较好的模拟出暖通空调循环和控制系统的仿真模型,例如TRNSY等。

由表1和表2可以看出,把第一类能耗模拟软件的特点及功能进行比较之后发现,EnergyPlus 是其中较为突出的能耗分析模拟软件。同其他第一类的建筑能耗分析软件相比,EnergyPlus 软件的基本使用特性、负荷计算能力和设备计算兼容性等方面都具有显著的优异性。但第二类中的 TRNSYS 能耗分析软件在建筑负荷以及建筑热性能的模拟上偏弱的同时,却在模拟暖通空调系统、设备和控制方式的最优化问题以及系统中参数监测等方面相对于 EnergyPlus 占优势。

3 结论及建议

EnergyPlus 和 TRNSYS 两种能耗分析软件都是开放式结构,即可以和其他的软件链接联合计算,其中这两种软件就可以进行数据链接。EnergyPlus和 TRNSYS 输入界面都不够友好,操作起来比较复杂。针对两种软件不同的优势所在,笔者建议对于建筑模型较简单、空调系统规模较大、控制系统较复杂的蒸发冷却空调系统而言,选择TRNSYS能耗分析软件对系统进行能耗计算与分析;对于建筑模型较复杂、空调系统规模较小、控制系统较简单的蒸发冷却空调系统而言,选择EnergyPlus能耗分析软件对系统进行能耗计算与分析;对于规模较大系统运行较复杂、控制系统较复杂的蒸发冷却空调系统,同时选择EnergyPlus与TRNSYS两种软件进行数据链接,即TRNSYS使用EnergyPlus的气象文件、建筑模型和建筑负荷等处理结果,从而全面精确地进行能耗的计算及分析。

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