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浅谈建筑能耗模型校准

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在建筑设计、建造和运行阶段,建筑性能模拟都有着广泛的应用,涵盖通风和气流组织模拟、热舒适模拟、能耗模拟、自然采光和照明模拟、声环境模拟等多个方面。建筑模拟过程涉及复杂建筑物理关系和大量参数设定,对建模人员的专业知识和时间投入有很高要求。在进行建筑模拟时,模拟速度往往成为最大的应用瓶颈。因此,建筑能耗模拟软件往往基于简化模型进行模拟。例如在EnergyPlus中,墙体是一维传热而非三维传热;室内空气是均匀混合的,不考虑空气分层等。模型简化和参数不确定性导致模拟结果和实际建筑性能之间存在一定的偏差。以EnergyPlus为例,其计算过程基于半经验公式。建模过程中需要输入大量拟合公式的系数。理论上,公式正确并且系数无误,那么模拟出来的结果就应该接近建筑真实的情况。然而,针对具体某一栋建筑时,建模所需要的参数并不能逐一进行测量给出。现实中,这些参数往往难以获取。为了建模,通常需要对各种参数依据经验进行假定。这就会导致模拟结果与实际结果产生偏差。
建筑能耗模拟结果需要能够在合理的范围内反映建筑的真实运行情况。保证模拟结果准确性的方法大致分为两种:(1)从输入保证模型的正确;(2)从结果保证模型的正确。对于方法(1)而言,就是根据规范合理设定参数保证参数设定的合理性,然后再和规范中给出的建筑能耗值进行对比确定模拟结果的合理性。参数输入主要参考美国典型商业原型建筑中相应参数的设置,避免建模人员自行决定参数设定值。从输入保证模型设置的可靠性,避免参数设定出现严重错误或者误差。同时将模拟结果与规范中的能耗限定值进行对比,从而确认模拟结果的合理性。对方法(2)而言,就是基于实测结果数据反过来校准输入参数。为了校准模型,建模人员需要分析模型各参数对结果影响的敏感性,挑出影响比较大的参数。然后,基于实测建筑能耗数据对影响大的参数进行调整,一直到模拟结果与实测结果的误差落在合理范围。常用的调整方法有手动调整和贝叶斯校准。然而,这种方法有明显的局限性,其有效性高度依赖于实测数据。对于没有能耗监测平台的既有建筑或者设计阶段的建筑,其建筑实测数据很难获取。此外,该方法还需高超的模拟技巧去实现校准过程。
总而言之,在设计阶段从输入参数设定保证模型的正确性,基本可以满足模拟的需求。正如统计学家乔治·博克斯(George Box)所说“All models are wrong but some are useful”。模拟不是追求100%的复原,而是在合理的范围内反映现实。建筑能耗模拟结果和建筑实际运行肯定存在偏差,但只要在合理范围内,基于模拟分析建筑设计性能的好坏,提前给出相应的改进措施,就可以避免运行阶段发生严重错误。建筑建好后,可以先根据初步运行的结果运行。根据实际运行情况,在调试阶段再进一步调试。类似于显微镜的粗调和细调的关系。建筑能耗模拟有其存在的意义和价值。


IP属地:北京1楼2024-12-19 16:30回复