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被动式太阳能建筑能耗分析软件DeST-s

晨怡热管 http://nx8.net/news/23 2006-10-11 1:17:46

日期:2005-4-27 23:38:06 来源:原创查看:[大中小] 作者：未知热度：

摘要： 本文对被动式太阳能建筑能耗分析软件DeST-s的开发背景和主要技术手段进行了介绍，说明了该软件的开发目的、软件结构、各模块的处理方法、数据库的构成、软件界面及后处理设置，并简单分析了该软件的应用前景和方式。

关键词： 太阳能建筑能耗模拟软件开发

1 软件开发背景

建筑能耗分析软件的开发由来已久，自从模拟分析技术成为科学研究的又一强有力的辅助手段，国内外许多学者就致力于将这一技术应用于建筑能耗的模拟分析。由于影响建筑能耗的因素繁多复杂，不论是理论指导还是实验方法，获得全面而可靠的成果都非常困难甚至不可实现，只有计算机模拟分析技术适合于求解这类问题，因此，这一技术在建筑能耗模拟分析领域的应用得到了普遍的认同和支持。
太阳能建筑由于其建造上的特殊性，应用效果受到建筑所在地气象条件、建筑周边环境等因素的很大影响，这些因素综合考虑起来十分复杂。另外，在同一个地区，太阳能建筑的形式、所采用的材料也不是一成不变的，同时太阳能建筑的建筑设计也不应受到过多的限制。因此，要在设计上控制建筑能耗和对建筑及其系统进行优化，对太阳能建筑进行能耗模拟分析工作是十分有必要而且非常重要的。
太阳能建筑的研究开发工作不论是国外还是国内都做了许多。在被动式太阳能建筑的研究方面，从理论到设计、施工、试验及评价方法的整套太阳能建筑技术都已经硕果累累。主动式太阳能建筑在技术上还不够成熟，还没有得到大范围的推广，零能房屋的研究则是刚刚起步。另外，由于主动式太阳能建筑初投资较高，规模效应不明显，根据我国的国情，被动式太阳能建筑在较长的一段时期内仍将是太阳能建筑的主体。因此，太阳能建筑能耗分析软件的开发应以被动式太阳能建筑为主，DeST-s就是针对被动式太阳能建筑能耗分析的模拟软件。
任何一个软件在开发之前都必须定位软件的服务对象和开发方向，服务对象不同，对软件的要求不同，软件的结构和开发方向就会不同。太阳能建筑能耗模拟分析软件的主要功能是模拟分析太阳能建筑物的能耗，要想使得这一模拟具有最大的现实意义，即帮助人们实现对建筑能耗的控制和对建筑及其系统的优化，就必须让实施建筑设计和系统设计的人真正得到软件的辅助，在建筑设计的全过程中，以低能耗、低投资、低运行费用为总目标，在软件的辅助下，充分发挥设计者的能动性，完成高质量的设计，从而实现能耗模拟分析的应用优势。因此，DeST-s的主要服务对象为工程设计人员，软件定位为太阳能建筑设计辅助软件。

2 软件结构和模块介绍

为了实现太阳能建筑的模拟目的，DeST-s开发了以下几个基本的功能模块：气象数据模块，计算机辅助建筑描述模块，阴影和通风计算模块、建筑分析模拟模块，建筑环境控制系统分析模拟模块（该模块主要针对常规的环境控制系统）。
DeST-s的各模块之间以及与数据库之间的关系如图1所示。

图1 软件模块结构图

以下分别对软件的各个模块和组成部分进行说明。

2.1 气象数据模块
建筑能耗模拟分析领域的动态模拟，需要一个月、一个季度乃至一年的逐日、逐时气象参数，获得这些气象参数是建筑动态分析和动态模拟的一项基础性工作。
解决气象参数问题，有所谓“代表年”或“标准年”法，即按照一定的规则，从历史上的观测数据中选取一年或某些年的若干个月，组合在一起，构成标准年，然后用这个标准年的逐日或逐时气象数据，作为模拟计算的输入参数(1)。这种做法存在以下问题：（1）选择哪些年、月构成标准年，很难有一个恰当的标准。假如要研究系统在最不利气象条件下的状况，由于不同的系统所对应的最不利气象条件是不同的，例如：太阳辐射强烈的年份，对一般的空调系统来说是不利年份，但对太阳能空调系统来讲却是有利年份，因此需要按建筑结构和空调系统的不同划分出许多类型，对每一类型给出一个标准年，这将是极为繁浩的工作。（2）我国地域广大，而气象观测数据又很不完全，逐时的温度、湿度及太阳辐射资料很不完整，许多地区的逐日气象资料的数据保存方式仍很落后，这些都给建立标准年的工作带来极大的困难。
综上，需要深入研究气象环境的客观规律，找出一种描绘千变万化的实际气象过程的方法，给出能够反映实际气象过程统计规律的全年逐时气象数据。实际上，如果从过去大量实测数据中找出各种气象特征和内部规律，并以它们为基础，按照模拟随机过程的方法模拟出一个伪气象过程，就可以起到与标准年同样的效果和作用。由于采用计算机模拟的方法，随机过程的整体特性得到控制，我们可以根据需要获得与实际气象过程统计特性一致的代表性气象过程，还能获得便于考虑各种安全因素的非代表性气象过程（如太阳辐射总体偏小的年份的气象数据），这样，每次计算可以不必直接处理大批数据，而且由于抓住了气象过程中的各种内部规律，得到的气象模型可以比标准年更好地反映客观规律(1)。
因此，DeST-s采用文献(1)提出的多元时间序列模型作为气象随机过程的模拟模型。该模型以几十年的气象统计数据为基础，采用线性自回归模型模拟出影响建筑物热过程的气象要素的全年逐时数据。

2.2 描述界面
软件的界面是软件与用户之间交流的窗口，是完成问题描述的平台。如何描述待解决的问题、如何输入整理需要的信息、减轻用户定义描述和输入信息的负担都是与软件界面设置相关的问题。
建筑能耗模拟分析软件描述的主要对象是建筑物。已有的能耗模拟软件中，描述方法主要有两种，一种是软件拥有自己的描述界面，通过辅助的定义和信息输入完成问题描述，这类软件的界面所实现的建筑空间拓扑结构的描述通常都很简单，属于模型化的描述；另一种是软件没有完整的描述界面，建筑信息的输入完全依靠数据文件实现，这些数据文件可能采取与其他软件接口的方式获得（如与建筑CAD系统的数据文件对接），也可能采取自定义的方式，这种描述方法属于复制式的描述。
由于建筑物相关信息非常繁杂，复制式的描述方法在定义数据文件时工作量非常大，而且容易出错，利用来自其他软件的数据文件虽然减轻了能耗模拟工作者的描述工作量，但是由于数据接口方式依赖于对接的软件，破坏了建筑能耗模拟分析软件的独立性，软件的基础数据文件将随着对接系统的不断升级而不断改变，因此必然给软件升级带来开发上的负担，同时，软件的可应用性也受到对接软件的牵制，这对软件的长远发展不利。
另外，由于建筑能耗分析关注的是建筑物的能耗状况，对于建筑物的细部形状和尺寸并不敏感，事实上，如果采用建筑设计的实际细部形状和尺寸作为计算的输入条件，那么目前所能采用的计算方法将会遇到无法解决的问题。因此，完全复制建筑物的信息既没有必要也不能接受。
由于模型化的描述方法采用建立计算模型的思想来描述模拟对象，有利于筛除建筑信息中的无用信息，使得模拟的对象更为清晰、模拟重点更为突出，因此对于建筑能耗模拟分析而言这是一种合理的描述方法。
因此，DeST-s采用的是模型化的描述方法。DeST-s拥有自己的描述界面，能够对建筑物进行几何拓扑结构的准确描述，由于DeST-s的界面和数据库之间能够方便地进行信息交流，因此建筑物的描述和建筑材料、构件的选择与定义都十分方便快捷。

2.3 阴影和通风计算模块
在太阳能建筑物的模拟分析中，建筑物的自然室温及负荷与太阳辐射得热量密切相关，并且太阳辐射在太阳能建筑负荷中占有相对较大的比例，因此深入研究太阳辐射的分布对准确计算负荷是十分重要的，对于准确计算建筑物各部分的太阳辐射得热，建筑物阴影模拟分析模块是必不可少的重要模块。
由于建筑物可能有复杂的形状，需要考虑三种情况下的太阳阴影：（1）建筑物之间的相互遮挡；（2）建筑物自身不同部分产生的自遮挡；（3）建筑物上设置的遮阳板等对墙体及窗的遮挡。而这几部分遮挡对建筑物的作用受时间、建筑方位等因素的影响，需要逐时进行模拟计算。
在计算建筑阴影的软件中，采用较多的是发射射线法和多边形变换法。由于DeST-s在计算单个房间得热时，需要确切知道每面墙、每扇窗从外界的得热，因此必须得到每面墙和窗的阴影分布。采用多边形变换的方法可以直接获得需要的各个表面的阴影分布。如果采用发射射线法，全年逐时的建筑阴影计算量过大，由于建筑各构件表面的大小差异较大，因而网格足够小才能保证不越界，这样做既不能提高计算的精度又增大了计算量。因此在DeST-s的阴影计算模块中选择了多边形变换法进行建筑阴影计算。

图2 建筑阴影模拟

在太阳能建筑的模拟分析当中，建筑内部、建筑外围护开口由于热压、风压作用形成的自然通风对建筑的热状况有较大的影响，因此，准确计算自然通风是太阳能建筑模拟分析的一个重要课题。
DeST-s的自然通风计算模块采用多区域网络模型计算建筑物的自然通风量，该模型能够计算建筑物内部、建筑外围护开口由于热压、风压作用形成的自然通风量。

2.4 建筑热物理模型
影响太阳能建筑室内热状况的传热过程可以归纳为以下几部分：
（1）墙体外表面与室外空气的对流换热；
（2）墙体外表面对太阳辐射的吸收和反射；
（3）夜间天空背景辐射；
（4）太阳辐射通过半透明的门和窗玻璃等的透射、反射和吸收；
（5）室内外空气的通风换气；
（6）照明装置，设备和人体的散热；
（7）室内各壁面之间长波互辐射；
（8）邻室传热；
（9）地下传热；
（10）供热空调系统提供的冷热量。

图3建筑热物理模型示意图

DeST-s综合考虑了所有这些影响因素，对每一种因素采用适当的计算方法，并对整个建筑建立热平衡方程进行求解，从而保证计算结果的准确性。

2.5 太阳能部件
在被动式太阳能建筑当中，直接受益式、集热墙式、附加阳光间式和组合式太阳能建筑都是应用比较普遍的建筑形式，因此，软件的开发必须解决这些建筑形式中各种太阳能部件的模拟要求。
在这四种主要的建筑形式中，集热墙式主要包括实体式集热蓄热墙、对流环路式集热墙、相变材料蓄热墙和水墙式集热蓄热墙。由于水墙式集热蓄热墙的应用性较差，DeST-s软件开发暂不考虑这类部件的模拟，另外，花格式集热墙的应用也很少，所以DeST-s所考虑的所有集热墙，都是垂直式的，如果这两类部件由于技术上的进步其应用性能得到改善，在DeST-s的现有基础上增加它们的模拟模块也是简便易行的。
太阳能建筑动态能耗计算的基础理论和普通建筑动态能耗计算的基础理论一致，但由于太阳能建筑增加了集热墙和阳光间等太阳能部件，因此软件必须为这些部件的模拟计算提供准确的计算模块。其中，阳光间的计算涉及多次透射、光斑计算以及阳光间与相邻房间之间的对流换热计算等问题，蓄热材料当中相变材料的动态模拟计算也是需要特别加以考虑的部分。DeST-s在建模过程中，对这些部件的计算建立了较为实用的模型，保证了常用太阳能部件的准确模拟计算。

2.6 后处理
如何提高太阳能建筑的设计质量、降低建筑成本，发展节能环保的绿色建筑已成为太阳能建筑发展的关键。太阳能建筑的开发商、建筑设计者以及用户，都十分关注太阳能建筑的能耗和经济性。所以，在能够准确地提供建筑能耗等信息的基础上，如何提供更有针对性的信息，使得所有关注太阳能建筑的用户都能方便地找到各自所需要的数据，就是建筑能耗模拟软件的另一项主要任务。
为了实现以上目标，DeST-s建立起了一整套针对不同用户的后续处理方案，后处理结果都以excel表格的形式输出，使得用户可以灵活地加以应用，并能进行进一步的数据处理。后处理的具体分类及其内容如下：
（1）建筑负荷报表: 建筑逐时冷热负荷、建筑逐时单位面积冷热负荷；
（2）采暖经济性分析报表: 系统的能耗及经济性分析；
（3）围护结构统计报表: 建筑构件信息及费用（用户可自行更改单价）；
（4）负荷统计报表: 建筑、系统及房间负荷统计数据（非逐时）；
（5）房间负荷报表: 房间逐时冷热负荷；
（6）自然室温报表: 房间逐时基础室温及度小时数；
（7）空调室温报表: 房间逐时空调室温数据；
（8）气象信息报表: 逐时气象数据。

2.7 数据库
对于建筑能耗的模拟分析，与建筑材料、建筑构件、建筑设备以及计算模式等密切相关的基础数据是计算的基础和前提。由于建筑材料、建筑构件和建筑设备种类多样、规格繁杂，因此基础数据库的建设非常困难，不仅要考虑数据参数的选择和统一，还要达到一定的产品覆盖率，同时要从计算模式上保证模拟结果的正确性。因此，基础数据库建设是一个长期的过程，在软件开发的初始阶段，应当考虑数据库结构的合理设计，保证基础数据的可扩充性和长期建设。
在数据库的建设上，DeST-s除了包括普通建筑应有的构件库和材料库以及设备库，还补充了太阳能建筑特有的集热材料、蓄热材料以及特殊构件和设备，形成了全面实用的太阳能部件库。

3 软件应用

对太阳能建筑进行科学的能耗模拟分析，不仅可以研究不同太阳能材料、建筑材料的热特性对太阳能建筑热状况的影响，得到太阳能建筑能耗的量化指标，而且可以帮助建筑师和环境控制系统设计者优化设计，获得适宜于当地气候条件（尤其是太阳辐照条件）的太阳能建筑形式。能耗模拟软件对太阳能建筑的贡献贯穿建筑设计和系统设计的全过程，对于材料选择、构件优化组合、建筑形式优化、系统形式优化、设备经济选择等方面均能提供可供参考的实用数据。因此运用DeST-s辅助太阳能建筑设计可以对设计的质量有全年总体的量化的把握，从而从整体上优化设计，节约初投资及运行费用。

参考文献：

（1）江亿. 用于空调负荷计算的随机气象模型. 清华大学硕士论文，1980.

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