建築能耗模擬101

看過不少「建築能耗模擬」(Building Energy Modeling, 簡稱BEM)入門文,不過個人覺得美國能源部這個介紹最嚴謹、完整,部分內容摘譯如下。

建築能耗模擬的定義:

建築能耗模擬(BEM)是用物理為基礎的軟體演算程式來模擬分析建築物的能耗。 BEM可輸入建築物的描述,包括: 幾何外型,結構材料,照明,空調,冷凍,熱水,以及再生能源系統的組合與方位,各次系統的能效與控制策略。BEM也可輸入建築物的使用行為,包括: 建物內人員密度與時間的變化,燈光/電器設備的排程與空調的溫度設定等。BEM軟體演算程式運用上述輸入參數,結合在地氣候資訊,以及物理公式來計算建築物的熱負荷,系統的反應,與所產生的能耗,以及一些相關指標,像舒適度和能耗費用。建築能耗模擬是以每小時一步(或更短步長)做一整年的計算,而且也考慮到系統與系統間,例如照明與空調,交互作用所產生的綜效。

建築能耗模擬應用是利用其計算能力來解決其他方法無法解決的問題。目前主要應用包括

建築設計: 建築師用能耗模擬分析來設計高能效建築,特別是提供量化數據可方便比較不同設計對短期建造費用與長期營運成本之影響。在很多實例中建築能耗模擬可以降低電費並且降低建造成本。

空調設計: 商業用空調系統可能大而複雜。建築能耗模擬幫助技師設計匹配熱負荷的高能效空調系統。建築能耗模擬也能幫忙設計與測試空調系統的排程與控制策略。

建築能效評比: 在建築物使用類別的控管中,建築能耗模擬可用來評比建築物的固有能效。建築物固有能效評比是現代建築節能法規,綠建築標章申請,建築節能獎勵輔助流程中的重要依據。

建築群組分析: 建立不同建築類別的樣版模型做能耗模擬分析可協助建築節能法規的制定,並幫助電力公司和地方政府規劃大型的建築節能政策。

隨著建築能耗模擬分析的功能越來越強,也越來越容易使用,創新應用實例也越來越多。

從上面的定義可知建築能耗模擬與國內目前常用的外殼節能設計指標ENVLOAD有三個基本差異:

  1. 理論基礎: 建築能耗模擬是以物理公式為基礎,ENVLOAD計算是以統計學上之數據回歸分析法為基礎;
  2. 時間變數: 建築能耗模擬是全年逐時分析,ENVLOAD是全年一次性綜合計算;
  3. 計算結果: 建築能耗模擬產出多樣量化數據,ENVLOAD產出單一指標。

ENVLOAD是單一指標,很方便應用在建築節能法規或綠建築標章做基本的能效評比。但因為它簡單也就難面面俱到。譬如說鋼筋混凝土建築與輕量的帷幕建築有一個重要差異: 前者有蓄熱性會延遲熱進入建築物的時間,並且在外面溫度將低時把續的熱放出來,因此在相當程度會影響空調用電。但像這樣熱負荷隨時間變化及與用電行為的關連性並不容易轉化成簡單、可手算的公式。而且全球建築朝高能效,甚至近零耗能方向發展。建築節能設計越趨多元化,很難再依賴簡單手算公式與單一指標來評比建築能效。因此國際間越來越多國家的建築節能法規與綠建築標章加入電腦能耗模擬選項。

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