目前，我国建筑领域年碳排放占总碳排放比例超过40%，推动建筑绿色转型，对实现“碳达峰、碳中和”目标意义重大[1]。建筑能耗是指建筑使用过程中的能耗，包括采暖、空调、照明、热水、家电和其他动力能耗[2]。建筑能耗模拟可为建筑的节能设计、节能评估以及节能措施的制定提供参考，解决建筑性能分析的关键基础问题，优化建筑建造、运行和维护等各环节的理念和方法。建筑的热湿过程复杂，机电设备与系统在内外扰动等因素的作用下，系统运行参数动态多变。长期以来，建筑能耗模拟主要以白箱模型为主，普遍基于建筑的热物理过程仿真进行。
1 白箱模型简介
“控制论之父”Norbert Wiener在《控制论》中指出，所谓白箱方法，即当我们通过诸如黑箱方法、灰箱方法等认识了系统的内部结构时，就可以把这种结构关系按一定的关系式表达出来，并进一步通过这种表达式对系统进行再认识，或利用这些表达式去控制系统以后的过程或预测系统的行为。可以看到，白箱模型反映了比黑箱模型、灰箱模型更高的认知水平。一般来说，完全的黑箱不具有任何预测性，但到了灰箱，预测性随之增加，而在白箱模型中，预测性相对达到了最高程度[3]。
通常采用机理建模的方式建立白箱模型，这是因为白箱模型完全来自于系统的内部机理，利用已有的结构、原理和公式及定律，如质量平衡方程、能量平衡方程、相平衡方程、化学反应定律和电路基本定律等，推导出系统的数学模型，而不依赖任何测量数据。所以白箱模型也称为机理模型，系统信息充分且内部特征完全已知。白箱模型的一个显著特征是各参数均具有非常明确的物理意义。
假设一个系统的行为取决于它的输入参数x1,x2,...,xn和输出参数y1,y2,...,yn，依据现有知识，在充分了解系统内部变化规律的情况下，运用数学公式WM(n,x)建立能够明确反映输入信息和输出信息间的内在联系，输入和输出间的映射关系确定，如图所示1。不仅如此，还能基于新的输入信息给出预测信息，同时获取输入信息与输出信息间的关联依存关系。白箱模型的作用机制解析具有较高的透明度，物理直观性很好。
图1 白箱模型示意
白箱模型的输入参数易于调整，模型具有很强的适应性。但有时候针对某些对象，很难准确给出系统的内部结构和内在规律的变化逻辑，而且系统的输入参数并不都能准确获取。白箱模型的精度取决于模型输入参数和模型内部机理的数学表达。
2 白箱模型的应用
建筑能耗模拟对我国绿色建筑的可持续长远发展和节能减排目标的实现有重要的推动作用[4]。白箱模型是一种正向建模方法，原理是以非稳态传热分析为基础，考虑建筑围护结构和建筑内各机电设备及系统运行过程的热湿过程，综合计算建筑的冷/热负荷，再根据设备能源转化效率或性能曲线的回归公式，计算负荷对应的能耗。建筑能耗模拟软件有很多，国外较常用的建筑能耗模拟软件有DOE-2、ESP-r、COMBINE、TRNSYS、EnergyPlus等，国内较有影响的建筑能耗模拟软件为清华大学开发的DeST。不同建筑能耗模拟软件的侧重点不同，对同一栋建筑的仿真结果往往有较大的差异，其根本原因在于白箱模型的关系表达式不同。例如能耗模拟模型中的设备模型大部分为前置模型，设备模型耦合类稳态曲线，而不同软件间设备的性能曲线存在偏差。
基于白箱模型的建筑能耗模拟通常由四个主要模块组成：负荷模块、系统模块、设备模块及经济模块。负荷模块体现建筑系统的物理描述，如建筑维护结构的热工特性和结构功能分区等；系统模块主要指空调系统的输送管路及相关控制策略；设备模块包含冷热源及发电设备等；经济模块计算为满足建筑负荷所需的能源费用。建筑能耗模拟的典型白箱流程如图2所示。
图2 基于白箱模型的建筑能耗模拟流程示意
负荷模块中，计算显热负荷的方法通常有热平衡法、加权系数法和热网络法，热平衡法和加权系数法都是采用传递函数的方法。热平衡法根据热力学第一定律建立建筑外表面、建筑本体、建筑内表面和室内空气的热平衡方程，通过联立方程求解计算室内的瞬时负荷。加权系数法假定模拟的传热过程为线性，得热权系数和空气温度权系数为定值。热网络法将建筑系统分解为一个有很多节点构成的网络，节点之间的连接代表能量的交换。
3 白箱模型的局限性
白箱模型需要多个输入参数进行模拟，而影响建筑冷热负荷的因素包括室外气象参数和围护结构的热工性能。室外气象参数多采用基于历史数据统计处理的标准气象数据，对于预测短期的建筑能耗并不适用，另外，建筑内的设备和系统运行模式随机多变，很容易与模型的预设参数产生偏离。因此，基于白箱模型的能耗模拟在实际工程中难以应用，大多数能耗模拟软件仅在设计阶段对能耗规律提供了定性的分析工具[5]。
白箱模型的预设参数直接影响建筑能耗模型的准确度，但建筑的运行条件在设计阶段很难具体确定，参考相关设计规范预设参数而得到的模拟结果，往往与实际存在一定偏差。另外，如果建筑内部系统的物理原型不明确，即便知道影响系统的某些因素，但很难明确全部因素，更不能通过准确的数学表达式构建因素间的映射关系。
4 总结
随着社会经济的快速发展，建筑耗能已与工业耗能和交通耗能成为我国能源消费的三大主要来源。建筑能耗模拟是建筑行业低碳绿色发展研究中必不可少的手段。通过建筑能耗模拟，可优化建筑能耗的管理与控制模式，挖掘建筑的节能潜力。虽然基于白箱模型的建筑能耗模拟预测性高且物理意义明确，但也面临建筑结构多样化、人行为复杂化、机电设备智能化等新的挑战。在新形势下，白箱模型需要定量描述人行为和能源系统间的关联关系，耦合不同功能模块的热物理过程，同时，还需开发通用接口以实现多平台联合仿真，满足不同用户和不同场景下的模拟需求。
参考文献
[1] 李张怡, 刘金硕. 双碳目标下绿色建筑发展和对策研究[J]. 政策研究, 2021, (10) : 55-66
[2] 广东省建设厅科教处调研组. 广东省建筑能耗现状[J]. 建筑监督检测与造价, 2008, 1(5) : 61-63
[3] 赵子都. 黑箱、灰箱和白箱方法—系统辨识的理论基础[J]. 知识工程, 1992, (2) : 7-10
[4] 燕达, 陈友明, 潘毅群. 我国建筑能耗模拟的研究现状与发展[J]. 建筑科学, 2018, 34(10) : 130-138
[5] 谭洪卫. 图说公共建筑能耗的数据挖掘与模型方法[M]. 上海: 同济大学出版社, 2021
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