EnergyPlus对被动太阳房热环境模拟准确性研究

李立山 毕海权 陈 霖 朱中杰



EnergyPlus对被动太阳房热环境模拟准确性研究

李立山 毕海权 陈 霖 朱中杰

（西南交通大学机械工程学院 成都 610036）

为研究能耗模拟软件EnergyPlus对被动太阳能建筑热环境模拟的准确性，根据国外学者的相关实验建立计算模型，并将模拟的结果与各实验数据进行对比，分析EnergyPlus软件模拟直接受热式被动太阳能建筑热环境的准确性和适用范围，模拟结果表明EnergyPlus可较为准确模拟直接受热式太阳能建筑的平均温度与南北平均温差，为太阳能建筑建设提供设计依据和热环境评估。

太阳能建筑；EnergyPlus；准确性；热环境

0 引言

太阳能是清洁、安全、数量巨大的能源，每年到达地球表面的太阳辐射能约为目前世界能耗总和的2-10倍，太阳能的开发利用，既可减少环境污染，也节省了大量不可再生资源，目前全球太阳能市场正以十倍于石油业的增长速度发展（自1990年以来，世界太阳能市场每年平均增长16%，而同期石油市场的年增长速度只有1.4%）。对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21世纪末，太阳能将取代核能占第一位[1]。

早期的太阳能建筑中，人们首先挖掘了在建筑外墙和屋顶利用太阳能来集热和蓄热的潜力，有意识的通过改善围护结构热工性能来加强建筑采暖效果。最早的太阳能采暖实验于1881年在美国马萨诸塞州完成。该实验房有表面涂黑且置于玻璃板下的瓦。玻璃则固定于房间向阳的一面，借助热空气上升的原理为实验房供暖。随后，在欧美等国流行起来的玻璃花房中，其显著的“温室效应”引起了建筑设计人员的注意，并将这种效应应用于建筑采暖中。人们还尝试将新材料和新工艺用于建筑外墙上，当双层玻璃的隔热保温性能得到验证后，它们便逐渐替代了原来的单层玻璃。1947年，美国建筑师亚瑟·布朗（Arthur Brown）发现涂成黑色的南向墙体甚至能在夜间持续供热，涂黑墙壁的方式能增强墙体的蓄热效果。这种方式后来广泛运用于被动式太阳房中。

20世纪50年代之前对于太阳能采暖的探索，虽有力的证明了墙体具有集热蓄热能力，却没有形成固定且被广泛采用的构造方式。1953年法国的特朗勃（Felix Trombe）和米歇尔（Jacques Michel）在比利牛斯山的奥戴罗（Odeillo）修建了第一座设有集热蓄热墙的太阳房，此后墙体作为集热蓄热构建的固定搭配方式被保留下来，并获得大规模的普及与推广，成为广为人知的特朗勃墙（Trombe Wall）。20世纪50年代后期，人将热工原理应用于对太阳能的采暖效果分析计算中。这一时期，美国罗洛斯·阿拉斯莫国家实验室（Los Alamos National Laboratory）系统归纳了太阳房的热工原理，并陆续整理出详细的热工设计计算方法，为日后被动式太阳房的设计与建造提供了科学的数据支撑[1]。

得益于计算机技术的发展，在建筑及环境控制领域，上世纪60年代中期就开始了对建筑环境及控制系统动态模拟的研究。初期的研究内容主要是传热的基础理论和负荷的计算方法，例如一些简化的动态传热算法，如度日法，bin法等等。在这一阶段，建筑模拟的主要目的是改进围护结构的传热特性。

在经历了上个世纪70年代的全球石油危机之后，建筑模拟受到了越来越多的重视，同时随着计算机技术的飞速发展和普及，大量复杂的计算变为可行。于是在上个世纪70年代中期，逐渐在美国形成了两个著名的建筑模拟程序：BLAST和DOE-2。欧洲也于上个世纪70年代初开始研究模拟分析的方法，产生的具有代表性的软件是ESP-r。在70年代末期，随着模块化集成思想的出现，空调和其他能量转换系统及其控制的模拟软件也逐渐出现，在美国，先后开发出TRNSYS和HVACSIM+。与此同时，亚洲国家也逐渐认识到建筑模拟技术的重要性，先后投入大量力量进行研究开发，主要有日本的HASP和中国清华大学的BTP[3]。

目前为止，国内外学者对太阳能的研究主要集中在太阳能建筑评价体系[4]、太阳能建筑热工参数[3]、太阳能采暖方式等方面，对被动式太阳能建筑内部热环境区域特征的研究很少，随着科学技术的日新月异，能源短缺已不容忽视，节约能源受到了世界性的普遍关注[5]，对可再生能源的研究成为当今的科研热点，因此，对太阳能建筑内部热环境的研究和预测具有非常重要的实际意义。目前在区域温度分布的研究中常采用三维数值模拟软件解决一些理论和工程问题，虽然对于三维数值模拟软件的使用已相当成熟，软件模拟的准确性也经过多次实验验证，但在处理工况较多和模拟时间较长的问题时，会带来巨大的工作量和计算时间，当今的计算水平还很难通过三维数值模拟解决上述问题。当研究同一空间不同区域的平均温度时，若将一维软件用于分区模拟，并能准确模拟出同一空间内不同区域的平均温度，可节省大量的建模与计算时间，缩短模拟计算周期，提高研究效率。本文通过对文献[6]中直接受热式太阳房的热环境进行模拟，并将模拟值与实验值进行对比，来验证EnergyPlus模拟太阳能建筑室内整体热环境和分区热环境的准确性。

1 参照实验

本文参照实验地点位于美国印第安纳州曼西市，印第安纳州美国是中北部偏东的一个州，全州平均海拔高度为200余米，整个地势大体上由东北向西南倾斜，州面积94,322平方公里，居美国50州第38位，属大陆性湿润气候，冬季寒冷多雪，夏季湿热。本实验记录了2002年12月至2003年5月（当地采暖期）直接受热式太阳房内不同区域的操作温度，实验的实验方法及实验结果如下。

1.1 实验模型

图1 实验太阳房

该太阳房长4.88m、宽2.44m、高2.56m，南北方向为长度方向，南侧整体墙面为透明玻璃，室内无热源，太阳房的搭建情况见图1，围护结构的热工参数见表1。

表1 围护结构的热工参数

1.2 测点布置

为测试太阳房相同时间不同位置的温差，将其由底面平均分为四个区域，并在每个区域中心点布置测点，其测点的布置方式如图2，测试该区域的操作温度，测试时间为2002年12月至2003年5月（当地采暖期）。

1.3 实验结果

该实验测试了2002年12月至2003年5月，该太阳房内各测点的操作温度，测得实验期间房间内日平均温差为7.8℃，最大日温差为10.27℃。

太阳房内月平均、最高及最低操作温度见图3。该实验同时对太阳房内不同区域的温度进行了测试和统计，实验太阳房南半区和北半区三月的月平均温度和月平均温差的统计数据见表2。

表2 分区温度统计

2 数值模拟

根据参照实验，利用DESIGNBUILDER软件建立数值模拟的计算模型。并利用EnergyPlus软件对模型进行数值模拟。

2.1 数值模型

利用DESIGNBUILDER软件，建立1:1数值计算模型，并将模型由底面平均分为4个区域，模型的建立方式见图4，然后利用该软件的“开孔”命令，将模型的四个区域连通，模型的区域划分方式见图5。模型各围护结构参数与实验围护结构完全相同。

2.2 气象参数

利用METEONORM软件，调用美国印第安纳州曼西市的气象数据，作为数值模型的气象参数。然后将数值模型与气象参数导入EnergyPlus，对该太阳房12月至次年5月的室内环境进行模拟。

3 数值模拟与实验对比

3.1 太阳房整体温度对比

软件模拟了12月至次年5月该太阳房内的室内月平均温度和每月的最低和最高温度，将模拟数据与实验数据进行对比，月平均操作温度的对比见图6，每月最高操作温度对比见图7，每月最低操作温度对比见图8，根据模拟值和实验值的对比可以看出，实验数据与模拟数据的月平均温度差异较小，始终在±1℃范围内波动，且变化规律相同。由最高和最低温度的对比结果可知：相比于平均温度，部分时间太阳房每月最低温度和最高温度的实验值与模拟值差异较大，最大时超过6℃，造成上述结果的原因为：

（1）模拟计算的气象数据来自于历史气象数据统计处理，不能保证气象数据与实际气象条件完全吻合；

（2）模拟计算不能模拟实际建筑所受室外微环境的影响；

（3）模拟计算气象数据的采集地点与实验地点不可能完全相同，不同的位置导致气象数据不能完全体现实验地点的气象条件。

但由于同一个地区在一定时期内的平均气象条件不会发生明显的变化，因此将实验数据的平均值与模拟计算结果的平均值做比较，可以有效验证模拟软件计算结果的准确性，由图9可知EenrgyPlus软件月平均温度的模拟偏差均在允许范围内，因此可得出EenrgyPlus可用于房间整体温度的模拟。

3.2 太阳房分区温度对比

文献[6]中对于模拟结果与实验结果的对比见图10，由图中的对比结果可知，南北区月平均温度的实验值与模拟值非常接近，可证明EnergyPlus软件可用于房间水平方向的分区模拟。

4 结论

本文对位于美国印第安纳州曼西市采暖期直接受热式太阳房热换环境进行模拟，并将模拟的结果与实验数据进行对比，通过对比结果，可得到如下结论：

（1）EnergyPlus软件可较为准确的模拟太阳能建筑的整体平均热环境，通过模拟软件的计算分析可为太阳能建筑提供设计依据和热环境预测。

（2）由于气象参数条件及软件模拟条件的限制，EnergyPlus在模拟太阳能建筑内的最高或最低温度时，可能会产生的偏差。

（3）EnergyPlus软件可用于连通区域分区热环境的模拟。

[1] 邹积庆,汪艳君.太阳能在采暖系统中的应用分析[J].中国科技信息,2005,(13):102.

[2] 徐伟.中国太阳能建筑应用发展研究报告[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[3] 王磊.西藏地区被动太阳能建筑采暖研究[D].成都:西南交通大学,2008.

[4] 张乐.被动式太阳能建筑评价标准探讨[D].济南:山东大学,2009.

[5] 李玉明,潘毅群,陈晨.上海地区既有办公建筑围护结构节能改造措施[J].制冷与空调,2008,22(6):60-76.

[6] Alfredo Fernández-González. Analysis of the thermal performance and comfort conditions produced by five different passive solar heating strategies in the United States Midwest[J]. Solar Energy, 2007,(81):581-593.

[7] 朱颖新.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[8] 戴锅生.传热学[M].北京:高等教育出版社,1991.

[9] 彦启森,赵庆珠.建筑热过程[M].北京:中国建筑工业出版社,1986.

The Accuracy of EnergyPlus Simulation of the Thermal Environment of Passive Solar House

Li Lishan Bi Haiquan Chen Lin Zhu Zhongjie

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In order to study the accuracy of the energy consumption simulation software EnergyPlus on the thermal environment simulation of passive solar building. Build a computing model according to the relevant experiments of foreign scholars.And the simulation results are compared with the experimental data. The accuracy and application range of the software to simulate the thermal environment of the direct heating passive solar building is analyzed. The simulation results show that EnergyPlus can simulate the average temperature and the average temperature difference between the north side and the south side accurately. Provide design basis and thermal environment evaluation for the construction of solar energy.

construction of solar energy; EnergyPlus; accuracy; thermal environment

1671-6612（2016）06-720-04

TK51

A

李立山（1990.1-），男，在读硕士研究生，E-mail：943292799@qq.com

毕海权（1974-），男，教授，E-mail：bhquan@163.com

2016-04-07