住宅建筑環(huán)境模擬管理論文

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1、 住宅建筑環(huán)境模擬管理論文 摘要：本文簡要介紹了由清華大學開發(fā)的住宅建筑熱環(huán)境模擬軟件DeST-h，包括該軟件的用途、基本算法等，并與國外的類似軟件DOE-2在算法上進行了較為詳細的比較，闡述了DeST-h在住宅建筑模擬方面的優(yōu)勢。 關鍵詞：住宅建筑DeST模擬狀態(tài)空間法 1前言 模擬分析方法自從應用于建筑技術的研究領域，已經(jīng)表現(xiàn)出極大的應用價值，建筑能耗的模擬分析就是這種應用的典型代表。建筑能耗的模擬分析使人們在對建筑物進行研究分析的時候獲得了一個非常有力的輔助工具，這一工具使得反復的實驗、多角度的分析成為相當容易實現(xiàn)的過程，豐富的數(shù)據(jù)結果為人們的分析工作提

2、供有力的支持，人們只需設計模擬分析的模式和實例，借助模擬分析軟件的幫助，就能獲得極具價值的研究材料，這無疑大大縮短了研究成果的產(chǎn)生周期，也解除了實驗對于科學研究的諸多限制。 在住宅建筑的研究領域，由于住宅建筑本身的特點，建筑本體熱特性的研究始終是非常重要的內(nèi)容，然而由于建筑的復雜性，建筑熱特性的實驗研究和實測研究都是異常困難的，人們很難期望通過實測和實驗獲得十分準確并有普遍意義的結果。 模擬分析方法在住宅建筑研究領域的應用給人們帶來了新的希望，借助這一工具，人們能夠從本質(zhì)上把握建筑本體的熱特性，能夠從多角度研究影響建筑熱狀況的各種因素，也能夠在計算機上實驗建筑物對于各種外界

3、因素的響應特性，從而拓寬住宅建筑的研究視野并推動住宅建筑的研究向縱深發(fā)展。 住宅建筑熱環(huán)境模擬工具包（簡稱“DeST-h”）為國家自然科學基金重點項目“住區(qū)微氣候工程熱物理問題研究”編號59836250的子課題，是在清華大學建筑環(huán)境與設備研究所十余年的科研成果的基礎上，由清華大學建筑技術科學系研制開發(fā)的面向住宅類建筑的設計、性能預測及評估并集成于AutoCAD上的建筑熱特性模擬計算軟件。 DeST-h主要用于住宅建筑熱特性的影響因素分析、住宅建筑熱特性指標的計算、住宅建筑的全年動態(tài)負荷計算、住宅室溫計算、末端設備系統(tǒng)經(jīng)濟性分析等領域。 2基本算法 DeS

4、T-h的基礎算法是基于清華大學江億院士在80年代初提出的用于分析建筑熱狀況的狀態(tài)空間法[1]，該算法是對建筑各個熱工部件建立熱平衡方程的基礎上，在空間上將其離散，時間上保持連續(xù)的一種求解方法。通過該算法，可以對建筑的熱狀況進行動態(tài)的模擬，反映出建筑熱狀況隨著時間的變化過程。 影響建筑物內(nèi)熱狀況的因素有室外氣象條件、室內(nèi)發(fā)熱以及采暖和空調(diào)系統(tǒng)的運行方式。除去運行方式外，DeST-h將房間熱力系統(tǒng)的擾量可歸納為外擾和內(nèi)擾兩大類。各影響因素如圖1所示。 外擾系指室外空氣的溫度，太陽輻射強度，風速和風向，以及鄰室的空氣溫度。它們可以通過兩種形式影響房間的熱狀況：熱交換和空氣交換。

5、 熱交換是指周圍空氣以及太陽輻射，通過不透明的板壁和半透明的門和窗玻璃等，與房間進行傳熱量交換，太陽輻射透過半透明玻璃向房間射入的輻射熱等即屬此種熱交換。 圖1DeST-h熱模型示意圖 空氣交換是指通過門窗縫隙，室內(nèi)、外空氣進行一定數(shù)量的交換，即所謂空氣滲透，以及通過空調(diào)通風系統(tǒng)人為地向房間送入或從房間排出一定數(shù)量的空氣。伴隨室內(nèi)外的空氣交換，外界的熱量將直接影響房間空氣的熱狀況。內(nèi)擾系指照明裝置、設備和人體的散熱。它們都將以對流和輻射兩種形式向房間進行熱濕交換。 DeST-h將建筑的各個構件，如墻體、窗、門等，分為許多小份，每個小份用一個節(jié)點代替，房間空

6、氣溫度也作為一個節(jié)點。針對這些節(jié)點分別建立熱平衡方程，通過數(shù)學處理[2]，可以得到如下的方程： 方程中，反映各個節(jié)點所代表的建筑構件的物理特性，為各個熱擾的擾量大小，包括外溫、太陽輻射、人員、燈光、設備發(fā)熱等等，則為各個熱擾對每個節(jié)點的影響系數(shù)。 通過該方程，可以嚴格求解建筑的室溫以及在控制溫度（范圍）下需要投入的冷（熱）量。具體的內(nèi)容可參見DeST-h相關文獻。 3基本模塊 DeST-h主要包括四個基本模塊：建筑熱物理性能求解模塊、房間溫度計算模塊、房間負荷計算模塊和住宅常見空調(diào)（供暖）方式的能耗計算模塊。 3.1建筑熱物理性能求解模塊

7、 該模塊的核心是建筑物分析和模擬程序BAS，它的任務是對建筑物熱物性進行詳細的逐時模擬，負責計算逐時的房間基礎室溫。逐時的基礎室溫反映了房間在被動熱擾影響下的熱特性，在初步設計階段，建筑師可以通過基礎室溫來比較各種因素的影響，如圍護結構的材料、朝向、建筑物的形狀等等。同時，基礎室溫也是房間溫度計算模塊的基礎數(shù)據(jù)； 3.2房間溫度計算模塊 房間的溫度等于其各種熱擾（包括非空調(diào)熱擾和空調(diào)熱擾）對其歷史上的作用、本時刻投入該房間空調(diào)擾量的作用以及相鄰房間通過導熱和串風的作用的累加。該模塊的任務即計算出房間在定義好的建筑物及其環(huán)控系統(tǒng)下的溫度，這一溫度體現(xiàn)的是房間的即時熱狀況；

8、 3.3房間負荷計算模塊 房間負荷指該房間在某一時刻達到要求的溫度狀態(tài)所需投入的冷熱量，該模塊的任務即計算出房間在定義好對房間溫度的控制要求時的逐時負荷，這一負荷體現(xiàn)的是要達到一定的房間溫度控制要求所需要投入的冷量或熱量； 3.4住宅常見空調(diào)（供暖）方式的能耗計算模塊 該模塊用于計算住宅常見的幾種空調(diào)（供暖）方式的能耗，這一模塊是對房間負荷估算模塊的深化，負荷是形成能耗的基本因素，但能耗的大小還受系統(tǒng)形式的影響，該模塊所計算的能耗即是考慮了幾種住宅類建筑常見的空調(diào)（供暖）方式所得到的。 4技術特色 在國內(nèi)，目前還沒有與DeST-h相類

9、似的軟件，國外的一些模擬軟件，如DOE-2、BLAST、EnergyPlus，日本的HASP，英國的ESP-r等，在功能上和DeST-h有許多相似之處，下面以DOE-2為例說明DeST-h在技術上的一些特點。 在計算原理上DeST-h是將各種擾量的影響處理為對房間溫度的影響，而DOE-2是處理為在一定溫度下對房間負荷的影響。 DOE-2采用的是運用反應系數(shù)法預算各種圍護結構的反應系數(shù)（ResponseFactor），即預先計算出對于特定圍護結構，在某一確定溫度狀況下，各種擾量（例如外溫、太陽輻射、室內(nèi)熱擾、空調(diào)送風等）對房間負荷的影響，然后根據(jù)疊加原理（線性化假設）疊加成房

10、間空調(diào)供暖的負荷，類似我們現(xiàn)在常用的冷負荷系數(shù)法。 DeST-h采用的是狀態(tài)空間法對建筑整體直接求解，列出建筑各個構件（墻、樓板、窗、室內(nèi)空氣等）的熱平衡方程，然后通過嚴密的數(shù)學推導，求解出各個房間中各種擾量（例如外溫、太陽輻射、室內(nèi)熱擾、空調(diào)送風等）對于房間室溫的影響系數(shù)。然后根據(jù)疊加原理（線性化假設）把各個擾量計算疊加成房間沒有空調(diào)供暖時的溫度以及需要的空調(diào)供暖負荷。 因為有以上不同，因此DeST-h具有以下技術特色： 4.1精確模擬建筑中各房間的室溫狀況 DeST-h是通過將各個擾量疊加得到房間溫度的，除去空調(diào)熱擾外所有擾量的疊加就是房間的自然室溫

11、（無空調(diào)采暖下的房間溫度），在此基礎上根據(jù)用戶設定的房間溫度計算出房間的負荷；而DOE-2在計算過程中是固定房間的溫度，把各種擾量的影響通過反應系數(shù)疊加起來得到房間的負荷，計算的前提是由用戶給定房間的溫度，因此DOE-2無法給出在無空調(diào)采暖情況下的房間溫度情況，對于房間溫度事先無法確定的情況也難以處理。DOE-2通過不斷的試算、迭代，也可以找到滿足各種擾量下的房間溫度，但計算的時間是無法接受的。 4.2精確模擬夜間通風對室內(nèi)熱環(huán)境的影響 在冬季或是夏季的白天，通風會給房間溫度帶來不利的影響，因此人們一般不會主動地進行通風，此時DeST-h和DOE-2計算通風帶來的負荷結果是

12、相同的。但是，在夏季夜間，通風對建筑的熱狀況會有很大的改善。實際情況下，特別是在住宅建筑中夏季夜間主動通風十分普遍和重要，而此時空調(diào)一般是不開啟的，也就是說無法事先確定房間的溫度，對于DOE-2來說，這種情況就非常難于處理，如前面所述，它只能固定房間的溫度進行計算，因此它無法對夜間通風對建筑熱狀況的影響作出很好的模擬；而DeST-h是通過各種擾量（包括通風）疊加得到房間溫度的，因此可以很方便地得到房間在各種通風情況下的溫度，體現(xiàn)出夜間通風對白天房間溫度的影響，因此它對夜間通風可以做精確的模擬。 4.3精確模擬鄰室傳熱對各房間熱環(huán)境的影響 目前我國正在進行供暖改革，由原來的按

13、面積收費改為分戶調(diào)節(jié)計量收費，鄰室傳熱問題成為大家關注的焦點之一。DOE-2在處理這個問題時，只能計算出相鄰兩個房間的室溫固定時的傳熱情況，而實際上引起鄰室傳熱問題的原因是某房間供暖而另一房間不供暖，此時不供暖房間的溫度無法確定，因此DOE-2事實上難以計算。由于DeST-h在計算中是列出了整個建筑的熱平衡方程，因此對由鄰室傳熱帶來的各房間負荷、溫度影響都可以進行精確的模擬。 4.4精確模擬間歇空調(diào)啟停對于裝機容量和運行能耗的影響 對于間歇空調(diào)，在空調(diào)關閉期間，房間的溫度是不固定的，如前所述，DOE-2難以處理，無法得到在這種情況下的房間溫度以及由于間歇運行帶來的裝機容量和

14、運行能耗的變化。DeST-h則可以由用戶隨意設定空調(diào)的開停時間，當空調(diào)關閉時，在計算中就去掉空調(diào)擾量的影響，只考慮其它擾量和歷史因素的影響，可以得到房間實際的溫度，等空調(diào)開啟時，間歇空調(diào)對房間負荷的影響也可以通過歷史房間溫度的變化體現(xiàn)出來，從而可以得到準確的空調(diào)裝機容量和運行能耗。 4.5精確模擬內(nèi)外保溫對于空調(diào)供暖負荷的影響 內(nèi)外保溫對于間歇空調(diào)而言影響是非常大的，內(nèi)保溫與外保溫相比，在空調(diào)間歇運行時，房間溫度的變化比較快，更能滿足人的舒適性要求，能耗上也有一定的差別?；谏厦嫠龅睦碛桑珼eST-h在模擬分析這種情況下的建筑時，也具有很大的優(yōu)勢。 在住宅類建筑

15、中，夜間通風、鄰室傳熱、間歇空調(diào)以及內(nèi)外保溫等情況都是普遍存在而且對建筑熱狀況有較大影響的，同時對于一些不空調(diào)采暖的地區(qū)或建筑而言，房間的自然室溫數(shù)據(jù)有著很重要的意義，通過上面的介紹可以看出，DeST-h在上述這些方面，都擁有DOE-2難以比擬的優(yōu)勢。 DeST-h是專門針對住宅類建筑設計開發(fā)的，考慮了我國大多數(shù)地區(qū)住宅建筑的特點，并作了大量的案例分析和理論驗證，在用戶輸入、結果輸出方面都針對住宅建筑做了很多的優(yōu)化，因此非常適合于住宅類建筑的熱狀況模擬。 5應用前景 由于DeST-h是全工況模擬分析的工具，運用DeST-h輔助設計可以對設計的質(zhì)量有全年總體的量化的

16、把握，可以分析小區(qū)布局、建筑幾何結構、構件材料等因素對建筑能耗的影響，從而在整體上優(yōu)化設計，節(jié)約初投資及運行費用。另外，DeST-h可以根據(jù)建筑情況模擬計算得到建筑的能耗，因此還可以作為建筑能耗的評估工具。目前，采用DeST-h模擬計算過的建筑已超過100萬平米。 DeST-h集成了暖通空調(diào)行業(yè)的諸多先進科研成果，運用科學的模擬思想和方法，開創(chuàng)了該行業(yè)模擬技術應用的嶄新局面，最終將會推動行業(yè)健康發(fā)展，改革我國暖通空調(diào)行業(yè)的設計思想和設計方法，為行業(yè)現(xiàn)代化做出貢獻。 【參考文獻】 [1]JiangYi,Statespacemethodforanalysisofthethermalbehaviorofroomsandcalculationofairconditioningload,ASHRAEtransactions,1981,Vol.88,p122~132； [2]吳琪，慕春棣．自動控制原理(上)．清華大學出版社； 6