引言

目前，建筑能耗模擬軟件在建筑節(jié)能領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于建筑的物理特性復(fù)雜，熱濕過程的計算量巨大，只能采用計算機在短時間內(nèi)完成復(fù)雜的運算。因此，在進行建筑能耗分析計算時，能耗模擬軟件發(fā)揮著巨大作用。建筑能耗模擬主要包括建筑負荷和能耗的模擬，為后續(xù)的節(jié)能設(shè)計、節(jié)能評估、節(jié)能審計以及節(jié)能措施的制定提供參考; 通過不同工況的模擬，進行圍護結(jié)構(gòu)、設(shè)備、暖通空調(diào)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和控制策略等的優(yōu)化，通過經(jīng)濟性分析得出最佳方案; 設(shè)備與系統(tǒng)各種運行狀況的預(yù)測，在內(nèi)外擾動等復(fù)雜因素的作用下，系統(tǒng)中參數(shù)的變化很復(fù)雜。通過建筑能耗模擬軟件，能比較方便地預(yù)測各種工況下的系統(tǒng)參數(shù)，為節(jié)能標準和規(guī)范的制定、實施提供輔助作用。

目前，建筑能耗模擬軟件主要有DOE-2、EnergyPlus、Trnsys、PKPM-CHEC 和DeST 等。DOE-2 建筑能耗模擬軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，包括Load 模塊、Economic 模塊、Plant 模塊和System 模塊。在實際的過程中，建筑室內(nèi)熱環(huán)境、主機以及空調(diào)系統(tǒng)的運行情況是相關(guān)的，但DOE-2 方式彼此沒有反饋，導(dǎo)致計算結(jié)果失真。EnergyPlus 整合了DOE-2 和其他類型模擬軟件的優(yōu)點，采用集成同步的負荷、系統(tǒng)和設(shè)備的結(jié)構(gòu)，在管理模塊的監(jiān)督下，彼此之間有反饋，計算結(jié)果準確。EnergyPlus作為建筑能耗模擬引擎，能夠精確地處理較復(fù)雜的各類建筑。在處理建筑熱過程時考慮了多方面的因素。

因此，基于云計算的建筑能耗模擬與優(yōu)化平臺采用EnergyPlus 為能耗模擬引擎，通過軟件即服務(wù)( SAAS) 的方式，構(gòu)建其輸入文件( IDF 或IMF 文件) ，對其標準輸出進行文檔化、圖形化等處理，向用戶提供建筑能耗模擬和優(yōu)化服務(wù)。

1 平臺架構(gòu)

建筑能耗模擬與優(yōu)化軟件平臺能夠向用戶提供專業(yè)級建筑能耗模擬分析和優(yōu)化服務(wù)，對用戶的專業(yè)性要求低，操作簡單，支持不同類型的能耗模擬輸入文件，包括IDF 文件、IMF 文件、GBXML 文件和自定義的建筑相關(guān)參數(shù)。該平臺提供了國內(nèi)常見建筑形式的熱工參數(shù)模板，可以通過簡單圖形化的修改，完成建筑能耗模擬相關(guān)參數(shù)的輸入，形成標準的IDF 文件。同時，該平臺支持智能的任務(wù)管理，能夠同時針對多個用戶的多個模擬任務(wù)進行模擬計算、優(yōu)化和分析，并以數(shù)據(jù)和圖表的形式呈現(xiàn)專業(yè)建筑能耗模擬分析報告。針對用戶提交的建筑方案，模擬分析系統(tǒng)對新建建筑和已有建筑給出采用不同建筑參數(shù)的對比分析報告。

1. 1 平臺體系架構(gòu)

平臺體系架構(gòu)如圖1 所示。通過IaaS 的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)為EnergyPlus 模擬計算引擎、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、Web 服務(wù)，提供包括計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源等基礎(chǔ)設(shè)施保障。通過PaaS 平臺即服務(wù)提供模擬、優(yōu)化應(yīng)用服務(wù)、EnergyPlus 計算服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、Web 應(yīng)用服務(wù)，對前端客戶需要的功能進行支撐。通過SaaS 軟件即服務(wù)的方式，以Web、APP 等形式向用戶提供建筑能耗的模擬服務(wù)，用戶可通過Web、APP 生成模擬和優(yōu)化任務(wù)，查看模擬和優(yōu)化結(jié)果。

2 平臺邏輯架構(gòu)

平臺邏輯架構(gòu)如圖2 所示，主要包括輸入文件處理、核心系統(tǒng)和輸出文件處理。

輸入文件處理主要針對不同形式的數(shù)據(jù)輸入，包括EnergyPlus 標準的IDF/IMF 文件、Revit 導(dǎo)出的綠建文件GBXML、用戶自定義的參數(shù)文件及相關(guān)的CAD 文件。IDF/IMF 作為EnergyPlus 標準輸入文件，通過驗證后可以直接作為平臺的輸入文件; GBXML 文件作為Revit 導(dǎo)出文件，需要后端的輸入文件處理并進行轉(zhuǎn)換，用戶可對其參數(shù)進行調(diào)整，生成IDF 文件作為輸入文件; 用戶自定義文件根據(jù)不同的輸入文件模板，通過平臺軟件進行建筑及其相關(guān)參數(shù)的自定義，最終生成IDF文件。

平臺核心部分包括Web 服務(wù)，EnergyPlus、Trnsys 計算引擎、數(shù)據(jù)庫服務(wù)。Web 服務(wù)對用戶的Web 應(yīng)用軟件、APP 軟件提供服務(wù)，實現(xiàn)包括模擬任務(wù)、用戶管理、優(yōu)化管理、系統(tǒng)管理等業(yè)務(wù)邏輯; EnergyPlus、Trnsys 計算引擎完成能耗的模擬計算，并輸出相關(guān)的模擬計算結(jié)果; 數(shù)據(jù)庫服務(wù)存儲與平臺相關(guān)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，包括模擬任務(wù)數(shù)據(jù)、模擬產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)、文檔結(jié)果信息、輸入文件信息等。輸出文件處理模塊針對EnergyPlus、Trnsys 計算引擎輸出的標準結(jié)果文件，按照用戶的需要，輸出不同格式、不同形式的能耗模擬分析報告。

2 平臺功能

用戶端的系統(tǒng)功能包括模擬任務(wù)管理、建筑模板、氣候參數(shù)、優(yōu)化設(shè)定和系統(tǒng)管理，平臺端功能包括任務(wù)執(zhí)行管理、結(jié)果分析管理、建筑模板管理、計算引擎管理、氣候文件管理、優(yōu)化設(shè)定和系統(tǒng)管理。

任務(wù)管理以IDF /IMF、GBXML 文件為輸入文件，結(jié)合平臺提供的建筑模板，實現(xiàn)模擬分析任務(wù)的創(chuàng)建。任務(wù)的輸入文件可以采用IDF、IMF、GBXML 等文件，也可以采用建筑模板進行簡單的修改。模擬分析結(jié)果報告以任務(wù)為單位進行管理。新建任務(wù)中，可以關(guān)聯(lián)所處的地理位置和相關(guān)氣候參數(shù)。

建筑模板主要根據(jù)典型的建筑設(shè)計和實施方案給出，包括用來進行模擬的主要參數(shù)，如建筑的建筑、結(jié)構(gòu)、水電暖等基本信息，以及建筑構(gòu)件、材料的數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)實際建筑情況選擇參數(shù)，快速構(gòu)建用來模擬的IDF /IMF 文件。

氣候參數(shù)給出平臺所支撐的氣候數(shù)據(jù)，可根據(jù)所處的地理位置選擇，用戶也可以加入自定義的氣候參數(shù)，在建立新任務(wù)時通過地理位置自動獲取氣候參數(shù)文件。在模擬中可以對建筑方案進行優(yōu)化對比，通過調(diào)整建筑的朝向、窗墻比、相關(guān)材料、空調(diào)系統(tǒng)，給出建筑優(yōu)化的設(shè)計方案或節(jié)能改造方案。

3 平臺應(yīng)用分析

建筑能耗模擬與優(yōu)化軟件平臺主要應(yīng)用于新建建筑設(shè)計、現(xiàn)有建筑節(jié)能改造項目支撐、國家建筑節(jié)能、綠建標準實施的支撐等方面。

( 1) 新建建筑通過平臺能夠給出不同方案的能耗情況，可以給出更加細致、精確的能耗分析報告。針對同種建筑設(shè)計方案，可以通過調(diào)整窗墻比、玻璃所用材料、外圍護等優(yōu)化設(shè)計。

( 2) 節(jié)能改造項目通過平臺模擬輸出的精確能耗分析，可以精準地了解節(jié)能改造建筑的潛力，支撐節(jié)能項目改造決策。該平臺能夠提供直觀、科學(xué)、合理的節(jié)能潛力分析報告，增強節(jié)能改造項目的必要性和可行性。

( 3) 針對綠建標準的實施，可通過平臺對綠建標準中要求的項目進行模擬分析，支撐綠建標準的實施。同時該平臺提供當前不同類型建筑的能耗模擬分析結(jié)果，為管理提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語

介紹了建筑能耗模擬與優(yōu)化軟件平臺設(shè)計，并在軟件平臺功能的基礎(chǔ)上，闡述了該軟件平臺主要應(yīng)用于新建建筑設(shè)計、現(xiàn)有建筑節(jié)能改造項目支撐、國家建筑節(jié)能、綠建標準實施的支撐等方面。