基于动态模拟的149栋公共建筑改造后能耗：实测与模拟对比

《ENERGY AND BUILDINGS》：Measured vs. simulated post-retrofit energy-use in 149 public buildings using dynamic simulation

　　

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  为149栋公共非住宅建筑开发了改造前后的EnergyPlus模型。
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  对比了改造前后的实测能耗与模拟能耗。
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  在建筑群层面和节能措施组合组层面分析了能耗变化。
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  在单体建筑层面，实测与模拟能耗仍存在显著偏差。
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  在建筑群层面，年能耗和月能耗节约量显示出良好的一致性。

引言

建筑能耗模拟（BES）被广泛认可为一种虚拟实验平台，用于分析难以在现实世界中测试的复杂建筑现象[6]，[17]，支撑建筑能耗领域的广泛决策目标[4]，[14]，包括改造规划[27]、政策制定[16]和建筑能耗预测[25]。在各种BES方法中，以EnergyPlus为代表的基于物理的动态模拟工具尤其有用，因为它们能够在各种情景下提供高保真度的解释，说明建筑热性能如何随时间变化影响能耗响应[49]，[58]。通过捕捉外部条件、建筑构件、暖通空调系统和其他运行因素之间随时间变化的交互作用，动态模拟以精细的时间分辨率表征热流和热储存效应，从而为决策背景下分析建筑热性能提供了依据[29]，[37]。

随着BES越来越多地用于支撑实践决策，许多先前的研究将实测能耗与模拟结果进行了对比，探讨了偏差产生的原因，并指出这些偏差反映了使用模拟模型解释实际建筑能耗性能的局限性。例如，Yan等人[64]将 occupant行为（人员行为）确定为导致实测与模拟能耗偏差的主要不确定因素之一。他们的研究强调，此类不确定性可能对实测能耗产生显著影响，表明仅靠建筑围护结构、系统和外部条件可能不足以解释实际建筑的能耗性能。Menezes等人[42]同样指出，模型开发过程中所做的假设可能导致此类偏差，从而增加了使用模拟模型解释实际建筑性能的复杂性。综合来看，这些研究表明模型中未纳入的不确定性已被广泛讨论为动态BES在实际中解释建筑能耗性能时的关键局限来源。

在此背景下，实证研究致力于表征和减少这些偏差，以解释实际建筑性能。一些研究考察了这些偏差在不同建筑之间的变化，并探究了其潜在来源，包括人员行为和建筑运行方式的变化[9]，[11]，[36]，[60]。为考虑这些因素并更贴近地反映建筑实际运行条件，其他研究使用详细的监测数据、实测运行时间表和观察到的人员行为来定义模型输入[3]，[50]。另一种方法是通过校准和针对具体案例的模型细化来减少实测与模拟之间的偏差，其中通过调整不确定的输入参数来提高与实测数据的一致性[15]。上述工作已被de Wilde[19]的一篇奠基性论文进行了很好的总结。

此类偏差可从建筑能耗模型的本质特征来理解[40]。建筑能耗模型本质上是对真实建筑的简化表征：它们基于假设、抽象和对建筑实际使用方式的不完整描述而开发[7]，[22]。然而，实测能耗是这些因素在实际建筑中共同作用的结果。因此，模拟结果不能完全对应实测能耗并不令人意外[20]。这与George Box的名言"所有模型都是错的，但有些是有用的"是一致的：模型并非现实的精确复制品，而是为特定目的提供有用信息的简化表征[12]。

从这一视角出发，与其仅将这些偏差视为解释实际建筑性能局限性的证据，同样重要的是理解动态BES如何能在充满不确定性且观测不完美的现实背景下提供有用信息[7]，[21]，[39]。在决策背景下，BES通常被用作探索"假设"情景的虚拟实验平台，在这些情景中测试不同的干预措施并比较其预期的能耗响应[5]，[48]。从这个意义上说，BES的价值可以被概念化为一种分析透镜，用于解读在充满不确定性的现实条件下，建筑热动力学变化如何反映在能耗响应中。

认识到这种视角的转变，提出了一个实证问题：基于BES的模拟"假设"结果对于理解实际建筑中实测能耗变化有多大用处？"假设"应用背后有一个长期存在的假设，即当绝对能耗预测不完美时，不同方案之间的模拟差异仍然可能具有参考价值[23]，[26]，[41]，[51]。然而，这一假设很少在实际建筑的改造前后实测变化中得到检验，尤其是在实测与模拟偏差仍然存在的情况下。如图1(a)所示，现有知识体系聚焦于通过监测、校准和针对具体案例的模型细化等方法来减少实测与模拟能耗之间的偏差。这留下了一个未解决的问题：当此类偏差仍然存在时，模拟变化是否仍能提供关于实测变化的有用信息？图1(b)将本研究定位在这一未解决领域内，通过比较实测和模拟的改造前后能耗变化（例如，ΔEUI）的相似性，尽管绝对能耗仍存在偏差。这种比较在改造评估和决策中尤为重要，因为目标往往是解读改造带来的性能改善是否反映在实测能耗变化中，而非复现每栋单体建筑的绝对能耗。（见表1。）

基于此，本研究考察了在实测与模拟偏差仍存在的现实条件下，基于动态BES的"假设"结果对于理解改造引起的能耗变化的解释力。为此，本研究使用了韩国149栋公共非住宅建筑（包括日托和医疗建筑）的改造前后数据，为每栋建筑开发了未经实测能耗校准的改造前后EnergyPlus模型。然后将模拟结果与相应实测数据在单体建筑、节能措施组合组和建筑群层面进行了能耗和能耗变化的对比。此外，本研究还讨论了嵌入在数据收集、数据解释和模型开发中的不确定性如何塑造现实改造评估中模拟结果与实测结果之间的关系。通过上述工作，本研究旨在说明动态BES如何作为一种解释性透镜，帮助理解建筑性能变化如何反映在实测能耗数据中，从而为实际建筑性能提供额外的洞察。

本文的其余部分组织如下。第2节介绍研究方法，包括目标建筑、模型开发的数据收集、使用EnergyPlus的BES建模流程以及用于实测与模拟比较的指标。第3节展示不同分析尺度下的比较结果，包括单体建筑、建筑群汇总、节能措施组合以及年和月能耗变化。第4节讨论这些比较中观察到的偏差及其在现实条件下解释动态模拟结果的含义。第5节通过总结主要发现和研究贡献对本文进行结论。

各节摘要

研究方法

本节描述本研究的整体方法，重点介绍建筑能耗模型的开发及其使用EnergyPlus——一种高保真动态建筑能耗模拟工具[18]，[38]——进行的模拟。图2展示了研究过程。首先，将目标建筑群（149栋日托和医疗建筑）定义为韩国接受政府支持的节能改造计划的公共非住宅建筑[13]，[30]。为开发改造前后的

单体建筑与建筑群平均总EUI比较

图7、图8分别展示了45栋日托建筑和104栋医疗建筑的实测与模拟总能耗强度（EUI）（kWh/m²?年）的对比。在两张图中，x轴和y轴分别代表模拟和实测的总EUI。每个灰色标记代表一栋单体建筑，其中图7中的三角标记表示日托建筑，图8中的圆形标记表示医疗建筑。在每张图中，虚线对角线表示

本研究中单体建筑偏差的来源

在本研究中，单体建筑层面的总EUI比较显示实测与模拟能耗存在显著偏差，尽管仍可观察到一定趋势。此类偏差在各种研究中均被一致报告，并经常在"能源性能差距"的概念下被讨论[8]，[19]，[65]。先前的研究将这些偏差不仅仅视为预测误差，而是需要被理解的结果

结论

本文在充满不确定性的现实条件下，考察了基于动态建筑能耗模拟（BES）的"假设"结果对于解读实际建筑实测能耗变化的实用性。为此，本研究以韩国149栋公共非住宅建筑的改造前后数据作为实证背景，用于比较模拟的改造响应与改造后实测能耗变化。改造前后的EnergyPlus模型

CRediT作者贡献声明

Seung-Ju Lee：撰写——初稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。Hyeong-Gon Jo：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、数据整理。Young-Seo Yoo：撰写——审阅与编辑。Cheol-Soo Park：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究由国土交通省（MOLIT）的"公共建筑绿色改造计划"支持，并由大韩民国经济财政部（MEF）的气候应对基金资助（编号：142-6132-300）。

Seung-Ju Lee | Hyeong-Gon Jo | Young-Seo Yoo | Cheol-Soo Park