257公共建筑节能设计软件的开发

公共建筑节能设计软件的开发中国建筑科学研究院软件所邱相武赵志安摘要本文介绍了公共建筑节能设计软件开发的数学模型和软件的主要功能,详细论述了软件中三维建筑模型的建立方法和节能计算数据的获取和输入特点。关键词公共建筑节能设计软件开发0引言随着经济快速发展，能源消耗量与日剧增，全球能源短缺的状况日益突显，能源问题已经成为关乎国家发展战略的关键问题。与此同时，建筑耗能占总能耗的比例在不断增加，而公共建筑能耗在建筑能耗中又占有相当大的比例。因此，我国政府高度重视公共建筑节能工作，从制定标准入手，《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005于2005年7月1日正式实施，这标志着我国公共建筑节能将有法可依。随后北京又颁布了《公共建筑节能设计标准》DBJ01-621-2005,全国其他一些省市也陆续颁布了相应的实施细则。在标准中,根据建筑物形状和地点,对各部分围护结构的热工特性做了规定，因此在设计的各个阶段必须根据建筑物本身的特性，尽量使围护结构的热工特性满足标准规定的要求，如：体形系数、墙体平均传热系数、门窗传热系数、窗墙比等，当某些指标达不到标准要求时，要利用权衡判断法，对设计建筑和参照建筑进行能耗分析，判断是否满足节能要求。为此我们开发了公共建筑节能设计软件，根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005和各地实施细则的要求，按照建筑数据的不同来源，处理建筑图，自动检验建筑物的各项有关参数是否满足标准的规定值。1软件编制原理1.1体形系数的计算S=F0/V0(1)式中F0为建筑物与室外空气接触的的外表面积，不包括地面和不采暖楼梯间隔墙与户门的面积；V0为建筑物与室外空气接触的外表面积与底层地面围成的体积。1.2窗墙比的计算X=FC/FQ(2)式中FC为房间立面单元上窗户洞口的面积,m2；FQ为房间立面单元的面积,m2。1.3平均传热系数计算外墙受周边热桥影响，其平均传热系数按式(3)计算。321332211BBBpBBBBBBppmFFFFFKFKFKFKK(3)式中Km为外墙的平均传热系数，W/（m2·K）；Kp为外墙主体部位的传热系数，W/（m2·K）；KB1、KB2、KB3为外墙周边热桥部位的传热系数，W/（m2·K）；Fp为外墙主体部位的面积（m2）；FB1、FB2、FB3为外墙周边热桥部位的面积（m2）。软件根据三维建筑模型和各建筑构件的热物性参数自动计算各开间的平均传热系数。1.4热惰性指标的计算SRD(4)式中D为热惰性指标，R为热阻，（m2.K/W），S为蓄热系数，W/（m2.K）。1.5蓄热系数的计算TcS2(5)式中为材料密度，kg/m3；为材料导热系数，W/m.K；c为材料比热，J/kg.K；T为时间s.1.6内表面最高温度的计算)(maxitotiiisaAA(6)内表面平均温度按式(7)计算，ioisaiiRttt(7)式中：maxi为内表面最高温度，ºC；i为内表面平均温度，ºC；it为室内计算温度平均值，ºC，取it=et+1.5ºC；et为室外计算温度平均值（ºC），按《民用建筑热工设计规范》附录三附表3.2采用；tiA为室内设计温度波幅值（ºC），取tiA＝teA－1.5ºC,teA为室外计算温度的波幅值，按《民用建筑热工设计规范》附录三附表3.2采用；sat为室外综合温度平均值，ºC；tsaA为室外综合温度波幅值，ºC；o为围护结构衰减倍数；i为室内空气到内表面的衰减倍数；为相位差修正系数；1.7全年能耗计算1.7.1日射得热采用遮阳系数法计算,按照式（8）计算HGglass(tj)=SzhHGst(tj)（8）式中HGglass(tj)为tj时刻通过玻璃窗的日射得热量,W/m2；Szh为窗遮阳系数HGst(tj)-----tj时刻通过3mm标准单层玻璃窗的日射得热量,W/m21.7.2冷热负荷冷热负荷采用响应系数法（传递函数法）按照式(8)计算，CL(tj)=γ0HG(tj)+γ1HG(tj-1)+γ2HG(tj-2)-W1CL(tj-1)-W2CL(tj-2)(9)γ0、γ1、γ2、W1、W2为房间对于传热得热或日射得热的传递函数系数；CL(tj)、CL(tj-1)、CL(tj-2)分别为tj、tj-1、tj-2时刻某种热源形成的房间或区域冷负荷,W,负值表示热负荷；HG(tj)、HG(tj-1)、HG(tj-2)分别为tj、tj-1、tj-2时刻某种热源引起的房间或区域得热量,W,负值表示由房间或区域传出的热量。2软件功能与实现2.1软件功能1）充分利用已有的图纸资源，快速建立三维建筑模型。2）以三维建筑模型为基础，智能化提取建筑物理属性，图形化输入节能计算需要的热工数据。3）计算节能标准要求检查的规定性指标，检查建筑物规定性指标是否满足标准要求。4）动态计算设计建筑和参照建筑全年能耗量指标，判断全年能耗是否满足标准要求。2.2软件功能实现2.2.1三维建筑模型的建立建立整个工程的三维建筑模型是进行节能计算的基础，快速建立建筑模型数据库是节能计算软件遇到的首要问题，建立建筑模型的方法是该软件的核心技术之一。设计过程是一个分阶段的、有序的、也是并行（局部阶段）的、反复修改的过程；各专业设计是有主、有从的，数据的传递是有向的。据设计单位使用CAD软件的情况及资料传递方式，建筑节能计算需要的建筑图纸资料可能有以下几种来源：（1）使用专业建筑软件（如天正软件、PKPM建筑软件）进行建筑设计，并可提供建筑电子文档图形资料;（2）使用公用绘图工具软件如AutoCad软件绘制的建筑施工图电子文档;(3)无法得到建筑图电子文档或建筑电子文档无法使用。针对以上三种情况，本软件提供了以下三种建立三维建筑模型的方法。1）自动转换法：该法适用设计单位使用专业建筑软件（如天正软件，建筑科学研究院软件）作设计。在这种方式下，图纸上的构件都是有数据属性的，它的数据是全面的，只是其数据格式是多变的，但是具体某一软件的数据格式是固定的，只需要分别指定软件类别即可自动转换。2）交互智能转换法：该法具有普遍性，设计单位可以使用各种公用绘图工具软件（如AUTOCAD软件）设计。此种图上的构件是没有数据属性的。因此要利用计算机图形识别技术及交互技术分析设计图纸，获取数据，建立整个工程的数据库。图形识别主要是根据图形符号、图层、线型、线宽、线颜色、标注符号及各种约束条件进行分析判断，获取数据。这种方法有很多问题（如多义性问题、数据不全问题、重叠问题、重复问题等等）需要解决。其中多义性是指多项属性相同，如尺寸线、墙线、柱线和洞口线的图层、线型、线宽和线颜色均相同；数据不全问题是指不能自动获取充足的数据：如门、窗、墙体在平面图中只有平面位置、形状和大小，而很难得到高度数据。对于某些多义性问题和数据不全问题要通过人机交互手段解决。下面介绍交互智能转换的实现方法和步骤：（1）获取轴线信息：如果图纸上有轴线，则可以在图上拾取某个轴线，将与拾取轴线具有相同的图层、线型、线宽和颜色的直线或圆弧线全部看成轴线，并且两边延长到图纸边缘。如果图纸上没有轴线，用户无法指定轴线图层，可根据建筑施工图中轴线符号及图形范围自动生成各条轴线的两端点坐标。（2）交互定义各类构件：在图上拾取某类构件，如墙（门、窗、梁、柱、洞口及楼梯），将与拾取构件具有相同的图层、线型、线宽及颜色属性和相同实体类型（直线、圆弧线、多义线、矩形，多边形，块）的实体全部视为同类构件。（3）对图进行过滤，去掉未定义成构件和轴线的图素。（4）容错处理：对重叠、重复的墙（或门、窗、梁、柱、洞口等构件）线或块进行整理和归并，将首尾相接、重叠和重复的归并为一个。（5）拉通各类构件：将定义的各类构件（墙或门、窗、梁、柱、洞口等构件）的线、圆弧线拉通。（6）线配对。给墙线（门、窗、梁）配对。即将相邻且平行的两条直线配成一对。（7）生成辅助轴线：如果配对墙线、梁线、窗线附近没有轴线，则根据配对墙线、梁线、窗线生成辅助轴线。（8）由轴线、辅助轴线生成节点和网格。（9）根据配对墙线与轴线的相对位置关系生成墙体的厚度、偏心、两端点坐标。（10）根据配对窗线与轴线的相对位置关系生成窗体的宽度、偏心、两端点坐标；同时根据窗体与墙体的相对位置关系对墙体数据进行调整（如拉长或拉通）。（11）根据门的图层、线型、线宽及与轴线的相对位置关系生成单线门，再将门向与其相连接并且平行的墙体投影，生成门的宽度、偏心、两端点坐标；同时根据门与墙体的相对位置关系对墙体数据进行调整（如拉长或拉通）。（12）通过人机交互手段和提取门窗表补充门、窗、墙和洞口的高度和竖向设计数据。（13）对于一张建筑施工图中包含多个平面图的施工图进行分割处理。（14）进行竖向对齐操作，对各层数据进行调整。图1是AUTOCAD软件绘制的建筑图，图2是用交互智能转换法完成的三维建筑模型数据渲染图。图1AUTOCAD软件绘制的建筑图图2三维渲染图3）智能交互法该法适用于节能设计人员得不到建筑电子图档，只能自己三维建筑模型的情况。本软件提供了建模工具，提供了多种参数化绘图工具和各种绘图模板，使用户可以在没有建筑图档的情况下也可较快速的建立三维建筑模型。2.2.2节能计算建筑数据的获取和建筑构件物性参数的输入建筑节能计算需要的建筑物性参数众多，如需要外墙、分隔墙、楼板、屋顶、地面、外窗、玻璃幕墙、外门等的物理属性和热工参数，如何快速智能化地快速录入参数，是本软件需要解决的难题。2.2.2.1从建筑模型数据智能提取建筑几何数据1)采用数据挖掘技术，根据建筑模型的墙、门窗、玻璃幕墙的位置参数，采用数学分析的方法，自动生成基本计算单元，自动划分房间。2）采用图形学方法，根据形成建筑模型的墙、梁、柱等杆件的下接杆件的数量和位置，自动识别建筑物的外墙、外窗、内墙、内窗。3）自动识别屋顶和天窗信息通过建筑模型中屋面板和楼板开洞，自动识别屋顶和天窗信息。4)从建筑模型，自动提取墙、窗立面单元面积和房间面积。2.2.2.2建筑构件物性参数输入建筑构件物性参数输入采用数据库技术,将常用的墙体、屋顶、门窗物性参数和全国各个城市节能计算需要的气象数据全部录入到数据库中，用户可根据工程实际需要自行扩充数据库。为加快用户输入建筑构件物性参数的速度，本软件采用整体赋值和个别参数修改相结合的方法，用户首先可对全搂的同一类构件统一赋值，然后对某一物理楼层或某一标准层的个别参数不同的构件进行修改。这样既保证了构件物性参数赋值的速度，又保证了软件应有的构件参数修改的灵活性。以墙体参数修改为例：可以通过图3所示的界面为全楼或某一楼层的墙体物性参数统一赋值，图4为从数据库中选择墙体构造做法的界面。当需要对个别墙体的参数进行修改时，可通过下拉菜单选择需要修改的参数，再在图形中点取需要修改的构件即可。2.2.3计算节能规定性指标软件根据建筑三维模型，自动提取每一个墙体、柱、门窗、屋顶和楼板的几何尺寸，根据用户输入的指北针方向，根据式（1）～（2）计算建筑物的体形系数和窗墙比，根据用户输入的每一建筑构件的物性参数，根据式（3）～（6）计算墙体的平均传热系数、热惰性指标和墙体屋顶内表面最高温度。根据软件计算结果即可判断建筑是否满足节能标准规定性指标的要求。图3统一修改墙体参数界面图4从墙体库中选择墙体类型2.2.4全年能耗计算当设计建筑部分指标不能满足标准规定的规定性指标的要求是，对设计建筑和根据设计建筑按照标准规定虚拟的参照建筑进行全年能耗计算，如果设计建筑的全年能耗小于参照建筑的全年能耗则可判定建筑为满足节能标准要求。全年能耗计算方法原理如式（8）～（9）所示，能耗计算采用响应系数法计算建筑围护结构的传热量。根据围护结构的传热量和采暖空调设备的运行模式和调节方式计算全年采暖空调设备耗电量。2.3软件结果输出软件根据计算结果输出图文并茂的节能计算书，为更直观的显示中间结果和最终结果，软件还输出了每一种类型围护结构的面积和计算参数列表供用户查询，同时可在三维建筑图形上用不同颜色显示满足节能标准的构件和不满足