論文計算機模擬技術在建筑節能方面的應用-文庫吧

【正文】 布了《關于 進一步推進公共建筑節能工作的通知》。 其他國家： In LEED reference guide , the score of energy performance has been reweighted from to 10 points to 19 points. In EA Prerequisite 2: Minimum Energy Performance, and EA Credit 1 Optimised Energy Performance, a detailed whole building simulation was required to demonstrate the percentage of the energy saving. [1] 經濟 因素 [2] 實施建筑節能具有正的外部性，即對建筑進行節能改造或投資時 ，建筑節能改造或投入的投資收益預期會小于節能所增加的投入，而節能增加的投入則必然小于社會獲得的綜合效益，從個人 角度來看或者從社會角度來看，建筑節能工作都會帶來巨大的經濟 效益，比如建筑能耗的節約、環境質量的改善，它還帶動與節能相關的產業發展，促進了經濟的發展。 人文背景 建筑是人大部分時間內所存在的空間， 然而 建筑對于人類的意義，早已不是一個簡單的庇護 場 所。建筑節能，不僅是一種科學技術的創新概念，它也為人居提供了一個嶄新的 理念和更為科學 、友好 的生活 方式 ，而且住宅生態化本身也是一種必然的發展趨勢 。 采取節 能型的設備為人體提供相似甚至更舒適的居住環境，是建筑節能 對 公眾的 主要 吸引力 。現今許多房地產商應用一些節能的新技術造的商品房，即使略高的價格仍受到廣泛好評也說明了建筑南京大學 人居環境與可持續發展 新生研討課論文 ~ 5 ~ 節能的群眾基礎。 計算機模擬是指建立研究對象的數學模型或描述模型并在計算機上加以體現和試驗 提出背景 當人們設計和構造復雜的系統時，或研究自然界、人類社會中漫長的演變過程和不易重復試驗的事物時，若對研究對象本身進行試驗，從時間、人力、物力等因素考慮要付出昂貴的代價，甚至不可能進行。因此，需要制造一個模 型來進行各種試驗。 模型探索 為了對系統模擬，首先要確定或表達所要研究的系統。用數學模型能較方便地確定一個系統，全面地反映對系統的已有認識或需要驗證的假設 ,但缺乏直觀性 ,也不便于進行試驗。在數學模型的基礎上，可進一步作出實物模型 ,它體現人們所要求的真實系統有關的性質 ,但在形式和規模上不必與真實系統完全一致。用實物模型試驗比較直觀、可信，但仍不夠經濟和方便。 可編程序的數字計算機出現以后，因它具有很強的數學運算和數據處理能力，可把數學模型編制成計算機程序，提供新的、通用的試驗方法 應用領域 計算機模擬通過反復試驗，幫助人們了解系統的性能 ,檢驗預想的假設 ,進行系統分析、設計、預測或評估，還可提供相當逼真的環境，借以培養和訓練人員。 當今社會， 計算機模擬已成為工程研制、自然學研究、經濟和社會問題研究、教學訓練活動、軍事研究、組織管理等許多領域中的一個有力的工具。 的應用背景 計算機能耗模擬技術是為建筑節能設計開發的。建筑師可以方便地在設計過程中的任何階段對設計進行節能評估。建筑師只要輸入方案模型，即可在軟件中完成對設計方案的熱工性能、天然光、人工照明、日照、和經濟分析以及了 解建筑對環境的影響。這些分析結果可以幫助建筑師在設計階段時比較不同方案的優劣，從而做出更加節能的選擇。 [3] 建筑能耗模擬可以應用于兩種類型的建筑：新建建筑和既有建筑。對于新建建筑，通過建筑能耗的模擬與分析對設計方案進行比較和優化，使其符合相關的標準和規范，進行經濟性分析等；對于既有建筑，需要進行建筑能耗的模擬和分析計算基準能耗和節能改造方案的能耗等。 [4] 計算機模擬 的 基本原理 ①形成問題，明確模擬的目的和要求。 南京大學 人居環境與可持續發展 新生研討課論文 ~ 6 ~ ②盡可能收集和處理系統有關的數據 。 ③形成數學 模型，找出組成系統的各個部件，并描述它們在各時刻的狀態的有關變量（一般包括輸入變量、狀態變量和輸出變量）或參數；確定各部件之間相互作用和影響的規則，即這些描述變量之間的函數關系。選擇參數和變量的時候，還須考慮它們能否辨識或求解，以及模型最后是否適于根據真實系統的數據進行檢驗。 ④根據收集的數據確定或估計模型中的參數，并選擇模型的初始狀態。 ⑤設計邏輯或信息的流程圖，直至編制出計算機程序。 ⑥程序驗證 ,檢驗程序與數學模型之間的一致性 ,以及輸入量的合理性。 ⑦進行模擬試驗，對給定的輸入在計算機上執 行程序。 ⑧結果數據分析，收集和整理試驗結果并作出解釋。必要時可改變輸入量或部分模型結構，重新進行試驗。 ⑨模型確認，檢驗由模型所得的結果與真實系統的性能數據的一致性程度。 建模 的基本原理 [5] 用來模擬建筑能耗的數學模型由三個部分組成： (1)輸入變量，包括可控制的變量和無法控制的變量 (如天氣參數 )(2)系統結構和特性，即對于建筑系統的物理描述 (如建筑圍護結構的傳熱特性、空調系統的特性等 )(3)輸出變量，系統對于輸入變量的反應，通常指能耗。在輸入變量和系統結構和特性這兩個部分確定之后，輸出變量 (能 耗 )就可以得以確定。 因應用的對象和研究目的的不同，建筑能耗模擬的建模方法可以分為兩大類：正向建模的方法 (forward modeling)和逆向建模 (inverse modeling)的方法 ?。前者用于新建建筑，后者用于既有建筑。 正向建模方法 (經典方法 )：在輸入變量和系統機構與特性確定后預測輸出變量 (能耗 )。這種建模方法從建筑系統和部件的物理描述開始，例如，建筑幾何尺寸、地理位置、圍護結構傳熱特性、設備類型和運行時間表、‘空調系統類型、建筑運行時間表、冷熱源設備等。建筑的峰值和平均能耗就可以用建立的模型 進行預測和模擬。 逆向建模方法 (數據驅動方法 )：在輸入變量和輸出變量已知或經過測量后已知時，估計建筑系統的各項參數，建立建筑系統的數學描述。與正向建模方法不同，這種方法用已有的建筑能耗數據來建立模型。建筑能耗數據可以分為兩種類型：設定型和非設定型。所謂設定型數據是指在預先設定或計劃好的實驗工況下的建筑能耗數據；而非設定型數據則是指在建筑系統正常運行狀況下獲得的建筑能耗數據。逆向建模方法所建立的模型往往比正向建模方法簡單，而且對于系統性能的未來預測更 為準確。 [6] 詳細的建筑能耗模擬軟件按 照系統模擬策略可分為兩類：順序模擬和同步模擬 在順序模擬方法中，首先計算建筑全年冷熱負荷，然后計算二次空調設備的負荷和能耗，接著計算一級空調設備的負荷和能耗，最后進行經濟性分析。在順序模擬方法中，每一步的輸出結果是下一步的輸入參數。 順序模擬方法節約計算機內存和計算時間，但是建筑負荷、空調系統和集中式空調機組三者之間缺乏聯系；如果空調設備滿足不了建筑冷熱負荷的要求，就會產生錯誤。在同步模擬方法中，考慮了建筑負荷、空調系統和集中式空調機組之間的相互聯系。同步模擬方法與順序模擬方法不同，在每一時間段同時對建筑冷 熱負荷、空調設備和機組進行模擬、計算。同步模擬法提高了模擬的準確性，但需要更多的計算機內存和計算時間。 南京大學 人居環境與可持續發展 新生研討課論文 ~ 7 ~ 具體 類型和應用 幾種常見軟件簡介 DOE2 ： 采用傳遞函數法模擬計算建筑圍護結構對室外天氣的時變響應和內部負荷，通過圍護機構的熱傳遞所形成的逐時冷、熱負荷采用反應系數(response． factor)法計算；建筑內部蓄熱材料對于瞬時負荷 (如太陽輻射得熱、內部負荷 )的響應采用權系數 (weighting factor)計算。 該軟件采用順序模擬法，由四個模塊 (Loads，Systems， Plant， Economics)組成，模塊之間沒有反饋。空氣溫度權系數被用來計算 因系統設置和運行而產生的室內逐時溫度 。 DOE2的最新版本為 DOE2． 3。 DOE2． 3增加了由壓縮機、冷凝器、蒸發器和其他部件組成的制冷環路 (refrigeration loops)，因此具備對制冷系統進行詳細模擬的能力。 BLAST BLAST 是“局部相似性基本查詢工具” (Basic Local Alignment Search Tool)的 縮寫 ,是由美國國立生物技術信息中心（ NCBI）開發的一 個基于序列相似性的數據庫搜索程序。 Blast 是一個序列相似性搜索的程序包，其中包含了很多個獨立的程序，這些程序是根據查詢的對象和數據庫的不同來定義的。比如說查詢的序列為核酸，查詢數據庫亦為核酸序列數據庫，那么就應該選擇 blast 程序。 Energy Plus： Energy Plus 是一個全新的軟件，它不僅吸收了DOEo2 和 BLAST 的優點，并且具備很多新的功能。Energy Plus 被認為是用來替代 DOE2的新一代的建筑能耗分析軟件。 Energy Plus于 2020年 4月正式發布 Energy Plus 是一個建筑能耗逐時模擬引擎，采用集成同步的負荷／系統／設備的模擬方法。在計算負南京大學 人居環境與可持續發展 新生研討課論文 ~ 8 ~ 荷時，時間步長可由用戶選擇，一般為 10 到 15 分鐘。在系統的模擬中，軟件會自動設定更短的步長 (小至數秒，大至 1 小時 )以便于更快地收斂。 Energy Plus 采用 CTF (Conduction Transfer Function)來計算墻體傳熱，采用熱平衡法計算負荷。CTF實質上還是一種反應系數，但它的計算更為精確，因為它是基于墻體的內表面溫度，而不同于一般的基于室內空氣溫度的反應系數。在每個時間步長，程序從建筑 內表面開始計算對流、輻射和傳濕。由于程序計算墻體內表面的溫度，可以模擬輻射式供熱與供冷系統，并對熱舒適進行評估。區域之間的氣流交換可以通過定義流量和時間表來進行簡單的模擬，也可以通過程序鏈接的 COMS 模塊對自然通風、機械通風及煙囪效應等引起的區域間的氣流和污染物的交換進行詳細的模擬。窗戶的傳熱和多層玻璃的太陽輻射得熱可以用 WINDOW5 計算。遮陽裝置可以由用戶設定，根據室外溫度或太陽入射角進行控制。人工照明可以根據日光照明進行調節。在 Energy Plus中采用各向異性的天空模型對 DOE2的日光照明模型進 行了改進，以更為精確地模擬傾斜表面上的天空散射強度。 ESPr: ESPr 是由位于格拉斯哥的斯特拉思克萊德大學能源系統研究中心（ Energy System Research Unit）開發的一款綜合建筑模擬分析軟件， ESPr 具有悠久的歷史和豐富的工程實踐經驗， Joe Clarke 教授及其同事早在 20 世紀 70 年代就著手于相關的研究和開發，現在 ESPr 在科研和工程領域應用非常廣泛并得到了用戶的一致好評。其基本的分析方法為計算流體力學（ Computing Fluid Dynamic ，簡稱 CFD ）中的有限容積法（ Finite Volume Method ），可以對建筑內外空間的溫度場、空氣流場以及水蒸汽的分布進行模擬，因此它不僅可以對建筑能耗進行模擬，還可以對建筑的舒適度，采暖、通風、制冷設備的容量及效率，氣流狀態等參量 做 出綜合的評估。除此之外，該軟件還集成了對新的可再生能源技術 ( 如光伏系統、風力系統等 ) 的分析手段。 功能： ESPr 是在歐洲應用非常廣泛的建筑能耗模擬分析軟件。 Espr 采用了計算流體動力學中常用的有限體積法，不需要對基本傳熱方程進行線性化處理，相對于反 應系數法來說，其具有較高的靈活性和更寬廣的適用范圍，但同時對硬件要求也有一定程度的提高。 Espr 是一個集成化的模擬分析工具，除了可以模擬建筑中的聲、光、熱以及流體流動等現象外，還可以對建筑能耗以及溫室氣體排放 做 出評估，其可模南京大學 人居環境與可持續發展 新生研討課論文 ~ 9 ~ 擬的領域幾乎涵蓋了建筑物理及環境控制的各個方面。 Ecotect ECOTECT 是當今市場上最全面最具創新的建筑分析軟件。它提供了友好的三維建模設計界面，并提供了用途廣泛的性能分析和仿真功能。 ECOTECT 與眾不同之處在于它完全可視化的物理計算過程回饋。使用 ECOTECT 作前期 的方案設計感覺就像最終確定方案一樣的精確。 ECOTECT 讓設計者在建筑形式確認前就可以了解建筑的相關特性。您可以通過一份詳細的氣候分析資料計算出多種被動設計方案的潛在使用效率，并優化太陽能系統，照明系統和通風系統。在逐步