建筑能耗模擬軟件在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、    建筑能耗模擬軟件在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用    任慶元tu111.195a1672-5158（2013）02-0188-01隨著我國(guó)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(jì)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(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。如何在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中適時(shí)并正確地使用能耗模擬分析軟件，為建筑設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，對(duì)提高節(jié)能設(shè)計(jì)工作效率具有重要意義。統(tǒng)計(jì)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(wèn)題也開(kāi)始變成建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)挑戰(zhàn)。目前仍存在一些問(wèn)題如下：1） 建筑物的設(shè)計(jì)壽命很長(zhǎng)，設(shè)計(jì)一旦被決定，就將被使用

2、相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。2） 越早期的節(jié)能設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)滿(mǎn)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(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方法才能有效地預(yù)測(cè)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(shí)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(shí)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(guó)都開(kāi)發(fā)出了不同的模擬軟件，可以很方便的對(duì)建筑物進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)模擬。美國(guó)開(kāi)展建筑節(jié)能的研究較早，建筑節(jié)能中應(yīng)用的計(jì)算機(jī)技術(shù)也最為廣泛。當(dāng)前，在美國(guó)，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(kāi)發(fā)和運(yùn)用可以定性或定量地對(duì)建筑能耗進(jìn)行模擬與評(píng)估，從而使建筑節(jié)能規(guī)范的實(shí)施變得相對(duì)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(jì)規(guī)范gb50736-2012；夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)jgj134一2001；夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)jgj75-2003和公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)gb50189一

4、2005。這些標(biāo)準(zhǔn)均要求采用全年逐時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算方法計(jì)算空調(diào)供暖的冷、熱負(fù)荷，并評(píng)價(jià)節(jié)能效果。若能在設(shè)計(jì)階段盡早地進(jìn)行能耗模擬分析，將可增加設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)開(kāi)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(duì)每個(gè)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(dòng)態(tài)作用，這些都需要建立模型，進(jìn)行動(dòng)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(jì)的必要工作之一。現(xiàn)在有很多用來(lái)設(shè)計(jì)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(hù)，大致可分為以下四大類(lèi)。1、設(shè)計(jì)用軟件：建筑師、工程師等用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助設(shè)計(jì)的軟件，如autocad；2、建筑全能耗分析軟件：用來(lái)模擬建筑及系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，從而預(yù)測(cè)年運(yùn)行能耗和費(fèi)用的軟件；3、專(zhuān)業(yè)分析軟件：用于專(zhuān)項(xiàng)解決某些問(wèn)題，擁有專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的精確的模型，例如計(jì)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(jì)中幾種常用軟件介紹：1、ecotect軟件ecotect（生態(tài)建筑大師）是一個(gè)全面的技術(shù)性能分析輔助設(shè)計(jì)軟件，提供了友好的三維建模設(shè)計(jì)界面。它主要具有速度快，直觀，技術(shù)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，而且可以和一系列精確分析軟件相結(jié)合做進(jìn)一步的分析。ecotect

6、可以在建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)階段進(jìn)行太陽(yáng)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(jì)算可以貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，針對(duì)不同的模擬對(duì)象，模型的建立可簡(jiǎn)潔可復(fù)雜。計(jì)算分析過(guò)程簡(jiǎn)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(guò)10余年的努力，根據(jù)國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，逐步開(kāi)發(fā)出一套面向設(shè)計(jì)院人員的設(shè)計(jì)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(jì)之中，為設(shè)計(jì)人員提供全面有力的幫助。dest對(duì)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(gè)階段，對(duì)應(yīng)服務(wù)于建筑設(shè)計(jì)的初步設(shè)計(jì)（研究建筑物本身

7、的特性）、方案設(shè)計(jì)（研究系統(tǒng)方案）、詳細(xì)設(shè)計(jì)（設(shè)備選型、管路布置、控制設(shè)計(jì)等）幾個(gè)階段，具體的應(yīng)用包括：1）在建筑初步設(shè)計(jì)階段，通過(guò)對(duì)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(yáng)方案設(shè)計(jì)等，提供參考建議。2）在空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段，通過(guò)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(cè)不同方案未來(lái)的室內(nèi)熱狀況及滿(mǎn)意率。3）在空調(diào)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)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(guò)冷熱源經(jīng)濟(jì)分析，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)者選擇合適的冷熱源。3、cfd軟件（fluent）流體流動(dòng)的數(shù)值

8、模擬即在計(jì)算機(jī)上離散求解空氣流動(dòng)遵循的流體動(dòng)力學(xué)方程組，并將結(jié)果用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)形象直觀的表現(xiàn)出來(lái)，這樣的技術(shù)就是計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)。相比模型實(shí)驗(yàn)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(shí)條件等優(yōu)點(diǎn)。如今已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮很大作用。fluent是用于計(jì)算復(fù)雜幾何條件下流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的程序。fluent是目前功能最全面、適用性最廣、國(guó)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(hù)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(lái)解決具有復(fù)雜外形的流動(dòng)，它允許用戶(hù)根據(jù)解的具體情況對(duì)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(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，模擬技術(shù)輔助設(shè)計(jì)具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1） 圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：通過(guò)計(jì)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(duì)建筑外墻、外窗及屋面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其是冬季外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫及內(nèi)表面結(jié)露問(wèn)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(jì)：對(duì)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(guò)模擬計(jì)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(jì)：利用cfd工具，模擬分析過(guò)渡季和夏季引入室外新風(fēng)降溫的可能性，計(jì)算為滿(mǎn)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(duì)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(dòng)態(tài)負(fù)荷數(shù)值計(jì)算工具對(duì)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(jì)提供設(shè)計(jì)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(jì)：通過(guò)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