EnergyPlus能耗模拟的气象数据
（本文内容为正在编写的《建筑能耗模拟理论，EnergyPlus及应用》的摘抄，版权为田志超及其团队所有。如有意见建议请联系田志超QQ494771380，也可到新浪博客进行讨论：田志超AND，QQ群36339797）
气象文件提供了能耗模拟的边界条件参数。理想情况下气象文件应该和建筑所在气候相同，包含气象环境的所有信息，事实上这是难以达到的。最初记录气象数据并非用于能耗模拟，古时人们记录气象文件用于农业生产和其他生产生活；其次记录数据的频率也没有达到能耗模拟的需求，如早期气象站每三个小时记录一次数据，现在能耗模拟需要逐时气象数据；最后气象站的位置和数量不能满足模拟需求，气象站常设在郊区，其测量数据和城市内有一定差别，当建筑所在地无气象站时可以参考附近地区的气象文件。
既然记录的气象数据可能存在多种问题，那么如何选择气象数据用于不同的模拟过程？这首先应了解气象参数的特征和模拟的目的。
2.2.1气象参数的特性[4]
简单地分析温度、风速和太阳辐射在一天内的变化规律有助于我们去理解在不同气象文件的特点和应用范围。
温度。在一天内干球温度和湿球温度变化都比较缓慢。
风速。风速的大小和方向可能在几分钟内就会发生变化。
太阳辐射和地面照度。在多云天会快速地变化，用某时刻点太阳辐射量代表整个一小时的平均值会存在较大误差。如图2-1所示为香港2010年每分钟测量一次太阳直射辐射和散射辐射在一天的变化图，从图中可以看出太阳直射辐射的波动非常大，若用13时的太阳辐射量代表整个13时至14时的辐射量，误差明显会很大。天空亮度和地面照度与太阳辐射会发生剧烈变化的道理类似。
图片来自：田志超AND的百度相册图2-1 香港2010年5月20日5：00~20：00太阳辐射
图片来源：http://www.hko.gov.hk/education/edu06nature/ele_solarradiation_e.htm
2.2.2能耗模拟目地决定气象数据的需求
根据建筑实际物理模型的响应特性，能耗模拟不同模块对气象文件的数据频率要求是不同的，如模拟墙体传湿的过程可能只需每月一次的气象数据，模拟墙体传热只需每小时一次的气象数据，而模拟照明能耗需要分钟级的气象数据。所以根据能耗模拟的目的不同气象参数的要求也不同，可分为一下几种情况：
（1） 全年建筑能耗模拟
模拟全年建筑能耗是能耗模拟最常见应用。全年建筑能耗是评价建筑是否节能重要的标准之一，通常是和基准建筑能耗进行对比结果。由于模拟的是全年8760小时的能耗，气象参数达到1次/小时已经能耗满足需求，而少量错误的数据也不会对最终的结果产生明显的影响。通常模拟建筑全年能耗是在建筑投入使用前进行，为的是了解建筑的能耗水平，这就需要气象数据具有一般性，而不能是一些极端的气象数据。模拟全年建筑能耗常采用典型气象年数据，典型气象年数据在2.2.3中详细介绍。
（2） 采暖空调负荷计算
暖通空调系统要能够适应极端天气，供暖和空调负荷的计算采用的数据应为极端天气下的情况。我国供暖空调负荷计算采用的气象参数叫室外计算气象参数，有室外采暖计算参数和夏季空调室外计算参数等，将这种具体的参数假定为某一天的气象条件，称为设计日气象文件。故供暖空调负荷计算需要的是一天或短期的气象数据。
（3） 模型校准，控制策略优化和节能改造效果预测
对于既有建筑，一般已经知道其历史用能情况，模拟后要将模拟数据和历史数据进行对比，故模拟既有建筑的能耗需要的是真实的历史气象参数。例如已经知道某栋建筑在2014年的全年能耗，为了模拟这栋建筑在2014一整年的能耗就要采用2014年真实的气象参数，进而将模型校准使模拟数据和真实数据接近。经过校准的能耗模拟模型作为基准建筑模型，将优化方案或改造方案的能耗与之对比从而了解设计方案的能耗水平。
（4） 自然通风、自然采光、可再生能源系统
城市的气象参数是在郊区测的的，通常是在机场 ，由于城市建筑群和建筑周边建筑对风环境的影响，场地内的风环境参数和郊区测量时可能存在较大差别。所以在研究自然通风时应注意气象数据和场地实际的风环境是否相符。尽管逐时的天空模型参数对模拟室内照明能耗足够，由于多云天的存在，进行详细的采光分析需要更高频率的气象数据。模拟太阳能光伏发电对太阳辐射数据频率要求更高，对太阳辐射准确性要求也更高。风机发电的功率和风速的三次方成比例，气象站和风机所在地风速的不同会引起较大的差别。
（5） 气候变化带来的影响
为了研究气候变化带来的影响就需要未来的气象数据，如研究城市热岛效应对现在和未来的影响。
2.2.3 EnergyPlus气象数据
EPW是EnergyPlus采用的气象文件格式，该文件能够通过软件转化从而20多种其他能耗模拟软件使用，也可使用txt文本查看器查看其中的内容。适用于我国的EPW格式气象文件，可以在EnergyPlus官方网站（http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/weatherdata_about.cfm）上下载，其数据来源于CSWD、IWEC和SWERA，其中CSWD有270地区，IWEC有11地区和SWERA的45个地区。下载后的压缩包包含后缀为epw、ddy和stat三个文件，其中stat是其气象文件的基本情况概况，ddy包含的是ASHRAE设计日气象文件，用于计算暖通空调负荷。
（本文内容为正在编写的《建筑能耗模拟理论，EnergyPlus及应用》的摘抄，版权为田志超及其团队所有。如有意见建议请联系田志超QQ494771380，也可到新浪博客进行讨论：田志超AND，QQ群36339797）
气象文件提供了能耗模拟的边界条件参数。理想情况下气象文件应该和建筑所在气候相同，包含气象环境的所有信息，事实上这是难以达到的。最初记录气象数据并非用于能耗模拟，古时人们记录气象文件用于农业生产和其他生产生活；其次记录数据的频率也没有达到能耗模拟的需求，如早期气象站每三个小时记录一次数据，现在能耗模拟需要逐时气象数据；最后气象站的位置和数量不能满足模拟需求，气象站常设在郊区，其测量数据和城市内有一定差别，当建筑所在地无气象站时可以参考附近地区的气象文件。
既然记录的气象数据可能存在多种问题，那么如何选择气象数据用于不同的模拟过程？这首先应了解气象参数的特征和模拟的目的。
2.2.1气象参数的特性[4]
简单地分析温度、风速和太阳辐射在一天内的变化规律有助于我们去理解在不同气象文件的特点和应用范围。
温度。在一天内干球温度和湿球温度变化都比较缓慢。
风速。风速的大小和方向可能在几分钟内就会发生变化。
太阳辐射和地面照度。在多云天会快速地变化，用某时刻点太阳辐射量代表整个一小时的平均值会存在较大误差。如图2-1所示为香港2010年每分钟测量一次太阳直射辐射和散射辐射在一天的变化图，从图中可以看出太阳直射辐射的波动非常大，若用13时的太阳辐射量代表整个13时至14时的辐射量，误差明显会很大。天空亮度和地面照度与太阳辐射会发生剧烈变化的道理类似。
图片来自：田志超AND的百度相册图片来源：http://www.hko.gov.hk/education/edu06nature/ele_solarradiation_e.htm
2.2.2能耗模拟目地决定气象数据的需求
根据建筑实际物理模型的响应特性，能耗模拟不同模块对气象文件的数据频率要求是不同的，如模拟墙体传湿的过程可能只需每月一次的气象数据，模拟墙体传热只需每小时一次的气象数据，而模拟照明能耗需要分钟级的气象数据。所以根据能耗模拟的目的不同气象参数的要求也不同，可分为一下几种情况：
（1） 全年建筑能耗模拟
模拟全年建筑能耗是能耗模拟最常见应用。全年建筑能耗是评价建筑是否节能重要的标准之一，通常是和基准建筑能耗进行对比结果。由于模拟的是全年8760小时的能耗，气象参数达到1次/小时已经能耗满足需求，而少量错误的数据也不会对最终的结果产生明显的影响。通常模拟建筑全年能耗是在建筑投入使用前进行，为的是了解建筑的能耗水平，这就需要气象数据具有一般性，而不能是一些极端的气象数据。模拟全年建筑能耗常采用典型气象年数据，典型气象年数据在2.2.3中详细介绍。
（2） 采暖空调负荷计算
暖通空调系统要能够适应极端天气，供暖和空调负荷的计算采用的数据应为极端天气下的情况。我国供暖空调负荷计算采用的气象参数叫室外计算气象参数，有室外采暖计算参数和夏季空调室外计算参数等，将这种具体的参数假定为某一天的气象条件，称为设计日气象文件。故供暖空调负荷计算需要的是一天或短期的气象数据。
（3） 模型校准，控制策略优化和节能改造效果预测
对于既有建筑，一般已经知道其历史用能情况，模拟后要将模拟数据和历史数据进行对比，故模拟既有建筑的能耗需要的是真实的历史气象参数。例如已经知道某栋建筑在2014年的全年能耗，为了模拟这栋建筑在2014一整年的能耗就要采用2014年真实的气象参数，进而将模型校准使模拟数据和真实数据接近。经过校准的能耗模拟模型作为基准建筑模型，将优化方案或改造方案的能耗与之对比从而了解设计方案的能耗水平。
（4） 自然通风、自然采光、可再生能源系统
城市的气象参数是在郊区测的的，通常是在机场 ，由于城市建筑群和建筑周边建筑对风环境的影响，场地内的风环境参数和郊区测量时可能存在较大差别。所以在研究自然通风时应注意气象数据和场地实际的风环境是否相符。尽管逐时的天空模型参数对模拟室内照明能耗足够，由于多云天的存在，进行详细的采光分析需要更高频率的气象数据。模拟太阳能光伏发电对太阳辐射数据频率要求更高，对太阳辐射准确性要求也更高。风机发电的功率和风速的三次方成比例，气象站和风机所在地风速的不同会引起较大的差别。
（5） 气候变化带来的影响
为了研究气候变化带来的影响就需要未来的气象数据，如研究城市热岛效应对现在和未来的影响。
2.2.3 EnergyPlus气象数据
EPW是EnergyPlus采用的气象文件格式，该文件能够通过软件转化从而20多种其他能耗模拟软件使用，也可使用txt文本查看器查看其中的内容。适用于我国的EPW格式气象文件，可以在EnergyPlus官方网站（http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/weatherdata_about.cfm）上下载，其数据来源于CSWD、IWEC和SWERA，其中CSWD有270地区，IWEC有11地区和SWERA的45个地区。下载后的压缩包包含后缀为epw、ddy和stat三个文件，其中stat是其气象文件的基本情况概况，ddy包含的是ASHRAE设计日气象文件，用于计算暖通空调负荷。
