微气候及建筑能耗模拟软件

城市微气候与建筑能耗模拟秦文翠2013.09.28-29研究意义研究现状及研究工作结论展望研究意义优化城市规划和景观绿化设计方案调节和优化室外热环境质量减少建筑单体对采暖空调设备的依赖改善城市非均一复杂下垫面上的气象模拟效果研究现状及研究工作微气候实验研究：现场实测、理论分析以及实验研究室外热完全及热舒适度评价研究室外热环境计算机模拟模型研究室外热环境计算机模拟软件及其应用微气候或绿化体对建筑物能耗的影响（双向性）室外热环境模拟研究的主要方向：•1)城市气候中的紊流分析(Turbulenceintheurbanatmosphere)；•2)城市能量平衡体系中人为热的产生、流动及储存(Storageandanthropogenicheatfluxesintheurbanenergybalance)；•3)城市气候中的辐射平衡(Urbanradiationbalance)；•4)城市下垫面之间的能量平衡(Urbanfacetenergybalance)；•5)城市及周边地区的水平衡(Urbanneighborhoodwaterbalance)气候系统分类（classificationofclimatesystem）气候系统气候特性的大致尺度时间范围水平范围竖向范围全球性风带气候20003-101-6个月地区性大气候500-10001-101-6个月局地气候1-100.01-11-24个月微气候0.1-10.124小时城市微气候模拟软件和建筑能耗模拟软件的主要特点：城市微气候模拟软件建筑能耗模拟软件学科范畴城市气象学建筑热工学空间范围城市冠层以下室外空间建筑表皮以内时间范围数小时或几天全年范围内任意时间长度主要物理过程地面、建筑、植被、大气之间的能量物质交换建筑动态过程重点描述下垫面的空间形态和热物理性质建筑物、建筑系统、室内热环境简化或忽略建筑物、建筑系统、室内热环境建筑所在地周围环境的影响微尺度气候软件•FLUENT•ENVI-met•AUSSSM•Fluent•SUNtool•WindPerfect•Star-CD•PHOENICS等等1.FLUENT软件•FLUENT软件设计基于CFD软件群的概念，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用适当的数值解法，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到优化组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算模拟。为了实现这样的功能，要求这些不同软件都可以模拟流场飞传热和化学反应等物理信息，在各种软件之间可以方便地进行数值交换，并且采用统一的前、后场处理工具。•FLUENT采用精合隐式算法，可以高精度、高效率地计算带有激波的复杂流场、激波与激波干扰、激波与剪切层干扰和激波与旋涡之间的干扰等问题；并且包含了定常和非定常流动、层流(包括各种非牛顿流模型)、紊流（包括各种最先进的紊流模型）、不可压缩和可压缩流动、传热（热传导、对流和辐射）和传质、多孔解质（各向同性及各项异性）、化学反应(燃烧、氧化物的排放、表面化学沉积)、粒子运动轨迹和多相流、自由表面流、相变流等各种流动物理模型功能。表现出强大的计算模拟功能，得到了广泛应用并都取得了成功。•近年来采用CFD技术及FLUENT软件已经成为对建筑热环境如空气温度、湿度、空气速度、污染物浓度等进行数值模拟和预测的重要工具。2.ENVI-met•德国波鸿大学地理研究所的MichaelBruse等通过研究建筑外表面、植被和空气之间的热应力关系，开发了用于微环境模拟的软件ENVI-met。•它采用三维流体力学模型，专门模拟城市环境中构筑物表面-植被-空气的相互关系。包括了大气、辐射、土壤、植物、建筑五个模块。可以用来模拟住区室外风环境、城市热岛效应、室内自然通风等。•水平解析为0.5到10米，时间步长最大为10秒，时间量级介于24到48小时之间，所以特别适合用于模拟中小尺度的微环境。•ENVI-met主要应用于模拟绿化屋顶和墙体、道路材料等不同类型的城市下垫面对微环境的影响，以及评估景观设计方案。3.AUSSSM：建筑-城市-土壤同步模拟软件(Architecture-Urban-SoilSimultaneousSimulationModel)•AUSSSM是由日本九州大学城市与建筑环境实验室开发并经过多次校核与修改的城市热岛模拟软件。•它包含有以下几个互相影响的子模型：1.城市冠层子模型，用于计算大气层中一维的动量及热质传递；2.建筑子模型，用于计算采暖空调负荷；3.土壤子模型，用于计算地表蒸发强度；4.植物子模型，用于计算草地等地表植被与大气间的传热情况。•优劣势：所有这些子模型都将复杂的三维传热传质过程简化为一维，且具有相近的准确率。缺少针对大树及其阴影的子模型，AUSSSM现在还不能模拟除了草地以外的其它绿化形式及其对热环境的影响•AUSSSM主要用于评价构筑物、人为热与室外热环境质量的相互作用，以及由于热岛强度的变化引起城市尺度内建筑能耗的变化。4.SUNtool:可持续城市住宅区模拟程序(SustainableUrbanNeighborhoodModelingtool)•根据欧盟第五个合作框架协议“能源、环境与可持续发展”，英国、捷克、瑞士、法国、芬兰和希腊等六个国家参与开发的可持续城市住宅区模拟程序。于2006年完成，是新一代的建筑设计与环境综合模拟软件。•它通过模拟城区微气候以及能量、水和废弃物的流动情况，协助用户优化总规划方案的可持续性。共包含有微气候、自然采光、植被与设备、随机使用率以及可再生能源等5个子模型。•主要应用领域为：描述影响能源、水和废弃物动态需求与供应的因素，并通过模拟城市微气候、居民行为、资源与建筑之间的相互作用来反映这些物质的流动情况。建筑能耗软件•ECOTECT•DeST•TRNSYS•EQUEST•EnergyPlus•EnerCAD•DOE-2•ClimateSurface等等1.DeST：住宅建筑热环境模拟工具包•住宅建筑热环境模拟工具包为国家自然科学基金重点项目“住区微气候工程热物理问题研究”的子课题，是在清华大学建筑环境与设备研究所十余年的科研成果的基础上，由清华大学建筑技术科学系研制开发的面向住宅类建筑的设计、性能预测及评估并集成于AutoCAD上的建筑热特性模拟计算软件。•主要包括四个基本模块：建筑热物理性能求解模块、房间温度计算模块、房间负荷计算模块和住宅常见空调（供暖）方式的能耗计算模块。•应用于住宅建筑热特性的影响因素分析、住宅建筑热特性指标的计算、住宅建筑的全年动态负荷计算、住宅室温计算、末端设备系统经济性分析等领域2.Ecotect：生态建筑大师•Ecotect是由英国SquareOne公司开发的生态建筑设计软件，它主要应用于方案设计阶段，具有速度快，直观，技术性强等优势，而且可以和一系列精确分析软件相结合作进一步的分析。•用户只需根据建筑的特定情况，输入经纬度、海拔高度，选择时区，确定建筑材料的技术参数，即可在该软件中完成对模型的太阳辐射、热、光学、声学、建筑投资等综合的技术分析。•分析范围：从太阳辐射、日射、遮阴、采光、照明到热工、室内声场、室内外风场都可以进行模拟，涵盖了热环境、风环境、光环境、声环境、日照、经济性及环境影响与可视度等建筑物理环境的7个方面。3.TRNSYS瞬时系统模拟程序（TransientSystemSimulationProgram）•该系统的最大的特色在于其模块化的分析方式。一个模块实现一种特定的功能，如热水器模块，单温度场分析模块、太阳辐射分析模块、输出模块等。因此，只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件，这些模块程序就可以对某种特定热传输现象进行模拟，最后汇总就可对整个系统进行瞬时模拟分析。•主要功能模块：建筑的能耗模拟；地源（水源、空气源）热泵系统；优化暖通系统；冷辐射吊顶系统，地板采暖系统模拟；太阳能系统（热水，热发电，光伏发电，采暖，制冷）；蓄热，冰蓄冷系统；氢气系统；燃料电池；时间为函数的系统（用户自己编部件）4.ClimateSurface•由苏黎世瑞士联邦技术学院建筑物理研究所研制开发。它是以建筑能耗分析为唯一目的的软件，适合于建筑设计初期阶段对建筑的能耗进行评估分析。该软件分析模型的核心是自由温度概念，即在无任何采暖、制冷设备的条件下，室内空气的温度。•建筑节能设计的任务就是如何让室内的自由温度更加接近舒适温度区。计算分析模型基于能量平衡方程，经过一系列的简化后，将影响建筑室内空气自由温度的因素归结为时间常数т和窗户的得失热比γ两个量，并由自由温度求出房间温度全年保持20-26℃时所需的能耗。•该软件可以非常直观迅速地看到围护结构性能的调整所产生的建筑能耗的变化，是一个非常适合于建筑设计人员使用的简单的建筑能耗分析软件。其他相关模拟软件•1.气象气候生成软件METEONORM是一款为模拟评价不同地区典型及极端空气温湿度、太阳辐射及风速等气候状况而开发的气象学综合软件，它自带有全球超过1000个地区的气象数据库，并能够用插值的方法，根据气象参数月平均或逐时值计算生成不同格式的典型气象年。•METEONORM被广泛应用于建筑采暖空调系统设计、太阳能等可再生能源系统评估等领域，并作为长期气象观测值处理软件，生成供能耗模拟用的典型气象年数据、太阳辐射强度数据等。经过与不同计算模型的对比，采用相同的逐时气象数据进行插值计算，METEONORM所生成的典型气象年数据在大部分月份都具有较小的标准差。•2.能量与环境预测软件(EnergyandEnvironmentPredict，EEP)它主要用于定量模拟中等尺度城区环境下，建筑用能、交通污染物扩散以及健康条件等，并采用统计学分析的方法预测区域内能耗及二氧化碳排放的趋势，从而协助规划师选用合理的方案，有效地控制生态足迹。•它通过与GIS数据库的连接，获取描述城市中建筑及道路的相关信息，并由内部“高速通道”在各个子模型之间实现数据共享，•3.人体热辐射评估软件(Radiationonthehumanbody,RayMan)•4.城市热岛风险及影响评估软件(MitigationImpactScreeningTool,MIST)•5.室外人体热舒适专业系统(OutdoorHumanComfortExpertSystem,OUTCOMES)•6.微环境热力学评价通用软件ThermoAnalytic举例：城市微气候对建筑能耗影响的方案微气候数据ENVI-met模拟ECOTECT模拟气候数据小区规划方案建筑设计方案建筑能耗已有的文献中软件间的耦合举例：城市微气候对建筑能耗影响的方案—优化代表日微气候建立长时间尺度微气候数据库确定代表气象日小区规划方案气候数据建筑设计方案ENVI-met模拟ECOTECT模拟建筑能耗结论借鉴微气候和建筑物综合性能模拟的方法，将其耦合成需要的模拟体系，并将其推广到一定的研究区域。耦合模拟体系需要整合不同功能的数值分析软件以实现不同的模拟目的，其中最为重要的是耦合这些软件的输入输出量，使得一种软件的输出结果为另一种软件所用，例如将流体力学模拟软件对微气候温湿度场模拟的结果作为能耗模拟软件的输入条件等。与传统的热环境模拟方案比较，耦合微气候和建筑物能耗模拟软件城市，能够更快更直观的反应中小尺度内能量平衡过程及地气交换、建筑物形态对微气候气候的影响，从而能够更好的模拟城市复杂下垫面微气候环境，模拟所得结果更为真实可信。展望更好的耦合不同类型的软件利用各个不同性能的软件优化设计方案