建筑能耗模擬軟件在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

1、    建筑能耗模擬軟件在建筑設(shè)計中的應(yīng)用    任慶元tu111.195a1672-5158（2013）02-0188-01隨著我國的城市化進(jìn)程加快，能源需求持續(xù)增高，建筑節(jié)能設(shè)計成為十分重要的節(jié)能方法。建筑能耗模擬分析軟件在建筑設(shè)計中發(fā)揮著越來越重要的作用。如何在建筑設(shè)計過程中適時并正確地使用能耗模擬分析軟件，為建筑設(shè)計提供了理論依據(jù)，對提高節(jié)能設(shè)計工作效率具有重要意義。統(tǒng)計結(jié)果表明，大約有三分之一的能量被消耗在了建筑物上，如何節(jié)省建筑能耗問題也開始變成建筑設(shè)計的一個挑戰(zhàn)。目前仍存在一些問題如下：1） 建筑物的設(shè)計壽命很長，設(shè)計一旦被決定，就將被使用

2、相當(dāng)長的一段時間。2） 越早期的節(jié)能設(shè)計對改善建筑物的節(jié)能表現(xiàn)越有效，而后期的改造耗資巨大卻收效較小。3） 絕大多數(shù)的建筑都設(shè)有空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，因此對于這些建筑的能耗分析十分必要。建筑室內(nèi)環(huán)境是由許多因素決定的，包括室外氣候條件、室內(nèi)外通風(fēng)狀況及室內(nèi)各種熱源的發(fā)熱狀況、人員活動等。隨著建筑環(huán)境狀況的變化，建筑環(huán)境建筑環(huán)境控制系統(tǒng)也需要隨之改變運(yùn)行狀況，以實現(xiàn)滿足舒適性及其它要求。由于建筑環(huán)境的變化很復(fù)雜，因此只有通過計算機(jī)模擬的方法才能有效地預(yù)測建筑環(huán)境在不同情況下可能出現(xiàn)的狀況，例如室內(nèi)溫濕度隨時間的變化、建筑在不同室外風(fēng)速下的通風(fēng)情況、采暖空調(diào)系統(tǒng)的逐時能耗，以及建筑物全年環(huán)境控制所需的能耗

3、。從20世紀(jì)60年代到今天，世界各國都開發(fā)出了不同的模擬軟件，可以很方便的對建筑物進(jìn)行全年動態(tài)模擬。美國開展建筑節(jié)能的研究較早，建筑節(jié)能中應(yīng)用的計算機(jī)技術(shù)也最為廣泛。當(dāng)前，在美國，與節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的軟件有120多種。這些模擬軟件的開發(fā)和運(yùn)用可以定性或定量地對建筑能耗進(jìn)行模擬與評估，從而使建筑節(jié)能規(guī)范的實施變得相對容易，也促進(jìn)了規(guī)范本身的完善和發(fā)展。為了進(jìn)一步貫徹建筑節(jié)能的基本方針，建設(shè)部頒布的民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范gb50736-2012；夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)jgj134一2001；夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)jgj75-2003和公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)gb50189一

4、2005。這些標(biāo)準(zhǔn)均要求采用全年逐時動態(tài)負(fù)荷計算方法計算空調(diào)供暖的冷、熱負(fù)荷，并評價節(jié)能效果。若能在設(shè)計階段盡早地進(jìn)行能耗模擬分析，將可增加設(shè)計過程的可控性。建筑節(jié)能要從建筑方案和建筑設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計開始。不同的建筑造型、不同的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、不同的建筑設(shè)備系統(tǒng)可以組合成很多方案，要從眾多方案中選出最經(jīng)濟(jì)節(jié)能的方案，就必須對每個方案的能耗進(jìn)行模擬與分析，這就要用到建筑能耗模擬技術(shù)。大型建筑非常復(fù)雜，建筑與環(huán)境系統(tǒng)存在動態(tài)作用，這些都需要建立模型，進(jìn)行動態(tài)的分析與模擬。因此建筑能耗模擬，是建筑節(jié)能設(shè)計的必要工作之一。現(xiàn)在有很多用來設(shè)計或分析建筑及暖通空調(diào)系統(tǒng)的軟件，它們具有不同的功能和復(fù)雜程度，面向

5、不同的用戶，大致可分為以下四大類。1、設(shè)計用軟件：建筑師、工程師等用計算機(jī)技術(shù)輔助設(shè)計的軟件，如autocad；2、建筑全能耗分析軟件：用來模擬建筑及系統(tǒng)的實際運(yùn)行狀況，從而預(yù)測年運(yùn)行能耗和費(fèi)用的軟件；3、專業(yè)分析軟件：用于專項解決某些問題，擁有專門開發(fā)的精確的模型，例如計算流體力學(xué)（cfd）模擬軟件fluent；照明模擬軟件radiance等。建筑設(shè)計中幾種常用軟件介紹：1、ecotect軟件ecotect（生態(tài)建筑大師）是一個全面的技術(shù)性能分析輔助設(shè)計軟件，提供了友好的三維建模設(shè)計界面。它主要具有速度快，直觀，技術(shù)性強(qiáng)等優(yōu)勢，而且可以和一系列精確分析軟件相結(jié)合做進(jìn)一步的分析。ecotect

6、可以在建筑設(shè)計的各個階段進(jìn)行太陽輻射、熱、光學(xué)、聲學(xué)、建筑投資等綜合的技術(shù)分析。ecotect模擬計算可以貫穿整個設(shè)計過程，針對不同的模擬對象，模型的建立可簡潔可復(fù)雜。計算分析過程簡單快捷，結(jié)果直觀。2、dest軟件清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系經(jīng)過10余年的努力，根據(jù)國內(nèi)的實際情況，逐步開發(fā)出一套面向設(shè)計院人員的設(shè)計用模擬工具dest（desingers simulationtoolkit），目的是把模擬分析技術(shù)引入工程設(shè)計之中，為設(shè)計人員提供全面有力的幫助。dest對建筑的模擬分成建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬、空調(diào)方案模擬、輸配系統(tǒng)模擬、冷熱源經(jīng)濟(jì)性分析幾個階段，對應(yīng)服務(wù)于建筑設(shè)計的初步設(shè)計（研究建筑物本身

7、的特性）、方案設(shè)計（研究系統(tǒng)方案）、詳細(xì)設(shè)計（設(shè)備選型、管路布置、控制設(shè)計等）幾個階段，具體的應(yīng)用包括：1）在建筑初步設(shè)計階段，通過對建筑物的熱環(huán)境分析，可以為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案，如窗墻比選用，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)選擇、建筑遮陽方案設(shè)計等，提供參考建議。2）在空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計階段，通過空調(diào)系統(tǒng)模擬分析，可以判斷空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)是否合理、比較不同空調(diào)系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性、預(yù)測不同方案未來的室內(nèi)熱狀況及滿意率。3）在空調(diào)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計階段，通過輸配系統(tǒng)的模擬可以指導(dǎo)風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的選型并比較不同輸配系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性。通過冷熱源經(jīng)濟(jì)分析，可以指導(dǎo)設(shè)計者選擇合適的冷熱源。3、cfd軟件（fluent）流體流動的數(shù)值

8、模擬即在計算機(jī)上離散求解空氣流動遵循的流體動力學(xué)方程組，并將結(jié)果用計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)形象直觀的表現(xiàn)出來，這樣的技術(shù)就是計算流體力學(xué)技術(shù)。相比模型實驗等手段，數(shù)值模擬具有成本低、周期短、資料完備、易模擬真實條件等優(yōu)點。如今已經(jīng)在多個領(lǐng)域發(fā)揮很大作用。fluent是用于計算復(fù)雜幾何條件下流動和傳熱問題的程序。fluent是目前功能最全面、適用性最廣、國內(nèi)使用最廣泛的cfd軟件之一。fluent提供了非常靈活的網(wǎng)格特性，讓用戶可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動，它允許用戶根據(jù)解的具體情況對網(wǎng)格進(jìn)行修改（細(xì)化或粗化）。fluent使用gambit

9、作為前處理軟件，它可讀入多種cad軟件的三維幾何模型和多種cae軟件的網(wǎng)格模型。在天津歡某水公園實際項目設(shè)計中，模擬技術(shù)輔助設(shè)計具體體現(xiàn)在以下幾個方面：1） 圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計：通過計算模擬、理論分析，綜合考慮建筑保溫、隔熱、通風(fēng)及采光性能，對建筑外墻、外窗及屋面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，尤其是冬季外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫及內(nèi)表面結(jié)露問題。主要應(yīng)用的模擬軟件是dest。2） 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計：對冬季采暖系統(tǒng)運(yùn)行策略進(jìn)行分析研究，從室內(nèi)空調(diào)采暖形式、新風(fēng)熱回收、空調(diào)室內(nèi)運(yùn)行參數(shù)等各方面。通過模擬計算，以期獲得較好的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能控制方案。主要用到dest軟件。3） 自然通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計：利用cfd工具，模擬分析過渡季和夏季引入室外新風(fēng)降溫的可能性，計算為滿足室內(nèi)通風(fēng)降溫所需的進(jìn)出風(fēng)口位置和面積。在確定窗口參數(shù)的情況下，對室內(nèi)通風(fēng)情況進(jìn)行模擬分析，確定室內(nèi)溫度情況及自然通風(fēng)節(jié)能效果。主要用到fluent軟件。4） 全年運(yùn)行能耗分析研究：利用動態(tài)負(fù)荷數(shù)值計算工具對建筑全年能耗進(jìn)行模擬分析，為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。主要用到dest軟件。5） 室內(nèi)天然采光與照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計：通過模擬分析，確定外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的天然采光位置及面積大小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)透光率等參