微氣候及建筑能耗模擬軟件

1、,城市微氣候與建筑能耗模擬秦文翠2013.09.28-29,研究意義 研究現(xiàn)狀及研究工作 結(jié)論 展望,研究意義,優(yōu)化城市規(guī)劃和景觀綠化設(shè)計(jì)方案調(diào)節(jié)和優(yōu)化室外熱環(huán)境質(zhì)量減少建筑單體對(duì)采暖空調(diào)設(shè)備的依賴改善城市非均一復(fù)雜下墊面上的氣象模擬效果,研究現(xiàn)狀及研究工作,微氣候?qū)嶒?yàn)研究：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析以及實(shí)驗(yàn)研究室外熱完全及熱舒適度評(píng)價(jià)研究室外熱環(huán)境計(jì)算機(jī)模擬模型研究室外熱環(huán)境計(jì)算機(jī)模擬軟件及其應(yīng)用微氣候或綠化體對(duì)

2、建筑物能耗的影響（雙向性）,室外熱環(huán)境模擬研究的主要方向：,1) 城市氣候中的紊流分析(Turbulence in the urban atmosphere)；2) 城市能量平衡體系中人為熱的產(chǎn)生、流動(dòng)及儲(chǔ)存(Storage and anthropogenic heat fluxes in the urban energy balance)；3) 城市氣候中的輻射平衡(Urban radiation balance)；4) 城市下

3、墊面之間的能量平衡(Urban facet energy balance)；5) 城市及周邊地區(qū)的水平衡(Urban neighborhood water balance),氣候系統(tǒng)分類（classification of climate system）,城市微氣候模擬軟件和建筑能耗模擬軟件的主要特點(diǎn)：,微尺度氣候軟件,FLUENTENVI-metAUSSSM FluentSUNtoolWindPerfectStar-CD

4、PHOENICS等等,1.FLUENT軟件,FLUENT軟件設(shè)計(jì)基于CFD軟件群的概念，針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值解法，以期在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到優(yōu)化組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算模擬。為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能，要求這些不同軟件都可以模擬流場(chǎng)飛傳熱和化學(xué)反應(yīng)等物理信息，在各種軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換，并且采用統(tǒng)一的前、后場(chǎng)處理工具 。FLUENT采用精合隱式算法，可以高精度、

5、高效率地計(jì)算帶有激波的復(fù)雜流場(chǎng)、激波與激波干擾、激波與剪切層干擾和激波與旋渦之間的干擾等問題；并且包含了定常和非定常流動(dòng)、層流(包括各種非牛頓流模型)、紊流（包括各種最先進(jìn)的紊流模型）、不可壓縮和可壓縮流動(dòng)、傳熱（熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射）和傳質(zhì)、多孔解質(zhì)（各向同性及各項(xiàng)異性）、化學(xué)反應(yīng)(燃燒、氧化物的排放、表面化學(xué)沉積)、粒子運(yùn)動(dòng)軌跡和多相流、自由表面流、相變流等各種流動(dòng)物理模型功能。表現(xiàn)出強(qiáng)大的計(jì)算模擬功能，得到了廣泛應(yīng)用并都取得了成功。

6、近年來采用CFD技術(shù)及FLUENT軟件已經(jīng)成為對(duì)建筑熱環(huán)境如空氣溫度、濕度、空氣速度、污染物濃度等進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)的重要工具。,2.ENVI-met,德國波鴻大學(xué)地理研究所的 Michael Bruse 等通過研究建筑外表面、植被和空氣之間的熱應(yīng)力關(guān)系，開發(fā)了用于微環(huán)境模擬的軟件 ENVI-met。它采用三維流體力學(xué)模型，專門模擬城市環(huán)境中構(gòu)筑物表面-植被-空氣的相互關(guān)系。包括了大氣、輻射、土壤、植物、建筑五個(gè)模塊。可以用來模擬住

7、區(qū)室外風(fēng)環(huán)境、城市熱島效應(yīng)、室內(nèi)自然通風(fēng)等。 水平解析為 0.5 到 10 米，時(shí)間步長最大為 10 秒，時(shí)間量級(jí)介于 24 到 48 小時(shí)之間，所以特別適合用于模擬中小尺度的微環(huán)境。 ENVI-met 主要應(yīng)用于模擬綠化屋頂和墻體、道路材料等不同類型的城市下墊面對(duì)微環(huán)境的影響，以及評(píng)估景觀設(shè)計(jì)方案。,3. AUSSSM：建筑-城市-土壤同步模擬軟件(Architecture-Urban-Soil Simultaneous Simu

8、lation Model),AUSSSM 是由日本九州大學(xué)城市與建筑環(huán)境實(shí)驗(yàn)室開發(fā)并經(jīng)過多次校核與修改的城市熱島模擬軟件。它包含有以下幾個(gè)互相影響的子模型：1.城市冠層子模型，用于計(jì)算大氣層中一維的動(dòng)量及熱質(zhì)傳遞；2.建筑子模型，用于計(jì)算采暖空調(diào)負(fù)荷；3.土壤子模型，用于計(jì)算地表蒸發(fā)強(qiáng)度；4.植物子模型，用于計(jì)算草地等地表植被與大氣間的傳熱情況。 優(yōu)劣勢(shì)：所有這些子模型都將復(fù)雜的三維傳熱傳質(zhì)過程簡化為一維，且具有相近的準(zhǔn)確率。缺少針

9、對(duì)大樹及其陰影的子模型，AUSSSM 現(xiàn)在還不能模擬除了草地以外的其它綠化形式及其對(duì)熱環(huán)境的影響 AUSSSM 主要用于評(píng)價(jià)構(gòu)筑物、人為熱與室外熱環(huán)境質(zhì)量的相互作用，以及由于熱島強(qiáng)度的變化引起城市尺度內(nèi)建筑能耗的變化。,4. SUNtool:可持續(xù)城市住宅區(qū)模擬程序(Sustainable Urban Neighborhood Modelingtool),根據(jù)歐盟第五個(gè)合作框架協(xié)議“能源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展”，英國、捷克、瑞士、法國、

10、芬蘭和希臘等六個(gè)國家參與開發(fā)的可持續(xù)城市住宅區(qū)模擬程序。于 2006 年完成，是新一代的建筑設(shè)計(jì)與環(huán)境綜合模擬軟件。它通過模擬城區(qū)微氣候以及能量、水和廢棄物的流動(dòng)情況，協(xié)助用戶優(yōu)化總規(guī)劃方案的可持續(xù)性。共包含有微氣候、自然采光、植被與設(shè)備、隨機(jī)使用率以及可再生能源等 5 個(gè)子模型。 主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋好枋鲇绊懩茉?、水和廢棄物動(dòng)態(tài)需求與供應(yīng)的因素，并通過模擬城市微氣候、居民行為、資源與建筑之間的相互作用來反映這些物質(zhì)的流動(dòng)情況。,建筑能

11、耗軟件,ECOTECTDeSTTRNSYS EQUESTEnergyPlusEnerCADDOE-2Climate Surface 等等,1.DeST：住宅建筑熱環(huán)境模擬工具包,住宅建筑熱環(huán)境模擬工具包為國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“住區(qū)微氣候工程熱物理問題研究”的子課題 ，是在清華大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備研究所十余年的科研成果的基礎(chǔ)上，由清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系研制開發(fā)的面向住宅類建筑的設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)及評(píng)估并集成于AutoCAD上

12、的建筑熱特性模擬計(jì)算軟件。主要包括四個(gè)基本模塊：建筑熱物理性能求解模塊、房間溫度計(jì)算模塊、房間負(fù)荷計(jì)算模塊和住宅常見空調(diào)（供暖）方式的能耗計(jì)算模塊。應(yīng)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(biāo)的計(jì)算、住宅建筑的全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算、住宅室溫計(jì)算、末端設(shè)備系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析等領(lǐng)域,2.Ecotect：生態(tài)建筑大師,Ecotect是由英國Square One公司開發(fā)的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)軟件，它主要應(yīng)用于方案設(shè)計(jì)階段，具有速度快，直觀，技術(shù)性

13、強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，而且可以和一系列精確分析軟件相結(jié)合作進(jìn)一步的分析。用戶只需根據(jù)建筑的特定情況，輸入經(jīng)緯度、海拔高度，選擇時(shí)區(qū)，確定建筑材料的技術(shù)參數(shù)，即可在該軟件中完成對(duì)模型的太陽輻射、熱、光學(xué)、聲學(xué)、建筑投資等綜合的技術(shù)分析。分析范圍：從太陽輻射、日射、遮陰、采光、照明到熱工、室內(nèi)聲場(chǎng)、室內(nèi)外風(fēng)場(chǎng)都可以進(jìn)行模擬，涵蓋了熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、日照、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境影響與可視度等建筑物理環(huán)境的7個(gè)方面。,3. TRNSYS 瞬時(shí)系統(tǒng)模

14、擬程序 （Transient System Simulation Program）,該系統(tǒng)的最大的特色在于其模塊化的分析方式。一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一種特定的功能，如熱水器模塊，單溫度場(chǎng)分析模塊、太陽輻射分析模塊、輸出模塊等。因此，只要調(diào)用實(shí)現(xiàn)這些特定功能的模塊，給定輸入條件，這些模塊程序就可以對(duì)某種特定熱傳輸現(xiàn)象進(jìn)行模擬，最后匯總就可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行瞬時(shí)模擬分析。 主要功能模塊：建筑的能耗模擬；地源（水源、空氣源）熱泵系統(tǒng)；優(yōu)化暖通系統(tǒng)；冷輻

15、射吊頂系統(tǒng)，地板采暖系統(tǒng)模擬；太陽能系統(tǒng)（熱水，熱發(fā)電，光伏發(fā)電，采暖，制冷）；蓄熱，冰蓄冷系統(tǒng)；氫氣系統(tǒng)；燃料電池；時(shí)間為函數(shù)的系統(tǒng)（用戶自己編部件）,4.Climate Surface,由蘇黎世瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院建筑物理研究所研制開發(fā)。它是以建筑能耗分析為唯一目的的軟件，適合于建筑設(shè)計(jì)初期階段對(duì)建筑的能耗進(jìn)行評(píng)估分析。該軟件分析模型的核心是自由溫度概念，即在無任何采暖、制冷設(shè)備的條件下，室內(nèi)空氣的溫度。建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的任務(wù)就是如何讓室

16、內(nèi)的自由溫度更加接近舒適溫度區(qū)。計(jì)算分析模型基于能量平衡方程，經(jīng)過一系列的簡化后，將影響建筑室內(nèi)空氣自由溫度的因素歸結(jié)為時(shí)間常數(shù)т和窗戶的得失熱比γ兩個(gè)量，并由自由溫度求出房間溫度全年保持20-26℃時(shí)所需的能耗。該軟件可以非常直觀迅速地看到圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的調(diào)整所產(chǎn)生的建筑能耗的變化，是一個(gè)非常適合于建筑設(shè)計(jì)人員使用的簡單的建筑能耗分析軟件。,其他相關(guān)模擬軟件,1.氣象氣候生成軟件METEONORM是一款為模擬評(píng)價(jià)不同地區(qū)典型及極端空氣

17、溫濕度、太陽輻射及風(fēng)速等氣候狀況而開發(fā)的氣象學(xué)綜合軟件，它自帶有全球超過 1000 個(gè)地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)庫，并能夠用插值的方法，根據(jù)氣象參數(shù)月平均或逐時(shí)值計(jì)算生成不同格式的典型氣象年。 METEONORM 被廣泛應(yīng)用于建筑采暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、太陽能等可再生能源系統(tǒng)評(píng)估等領(lǐng)域，并作為長期氣象觀測(cè)值處理軟件，生成供能耗模擬用的典型氣象年數(shù)據(jù)、太陽輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)等。經(jīng)過與不同計(jì)算模型的對(duì)比，采用相同的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，METEONORM 所

18、生成的典型氣象年數(shù)據(jù)在大部分月份都具有較小的標(biāo)準(zhǔn)差。,,2.能量與環(huán)境預(yù)測(cè)軟件(Energy and Environment Predict，EEP)它主要用于定量模擬中等尺度城區(qū)環(huán)境下，建筑用能、交通污染物擴(kuò)散以及健康條件等，并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的方法預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)能耗及二氧化碳排放的趨勢(shì)，從而協(xié)助規(guī)劃師選用合理的方案，有效地控制生態(tài)足跡。它通過與GIS數(shù)據(jù)庫的連接，獲取描述城市中建筑及道路的相關(guān)信息，并由內(nèi)部“高速通道”在各個(gè)子模型之間實(shí)

19、現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，,,3. 人體熱輻射評(píng)估軟件(Radiation on the human body, RayMan)4.城市熱島風(fēng)險(xiǎn)及影響評(píng)估軟件(Mitigation Impact Screening Tool, MIST)5.室外人體熱舒適專業(yè)系統(tǒng)(Outdoor Human Comfort Expert System, OUTCOMES) 6. 微環(huán)境熱力學(xué)評(píng)價(jià)通用軟件ThermoAnalytic,舉例：城市微氣候?qū)ㄖ芎挠?/p>

20、響的方案,微氣候數(shù)據(jù),ENVI-met模擬,ECOTECT模擬,,氣候數(shù)據(jù),,,小區(qū)規(guī)劃方案,,建筑設(shè)計(jì)方案,,建筑能耗,,已有的文獻(xiàn)中軟件間的耦合,,舉例：城市微氣候?qū)ㄖ芎挠绊懙姆桨浮獌?yōu)化,結(jié) 論,借鑒微氣候和建筑物綜合性能模擬的方法，將其耦合成需要的模擬體系，并將其推廣到一定的研究區(qū)域。耦合模擬體系需要整合不同功能的數(shù)值分析軟件以實(shí)現(xiàn)不同的模擬目的，其中最為重要的是耦合這些軟件的輸入輸出量，使得一種軟件的輸出結(jié)果為另一種軟件所用