一种计入建筑形态的城市建筑能耗模拟方法

技术领域

本发明属于建筑能耗模拟技术领域，具体涉及一种计入建筑形态的城市建筑能耗模拟方法。

背景技术

建筑能耗是指建筑的运行能耗，即在建筑物内，为居住者或使用者提供采暖、通风、空调、照明、炊事、生活热水以及其他实现建筑的各项服务功能所消耗的能源。建筑能耗模拟是指通过数学和计算机仿真建模来评估建筑能耗的过程。它基于气象数据、建筑的几何结构、建筑材料的热性能、系统设备的运行以及人员的活动等因素，模拟建筑在不同情况下的能耗情况。

通过对相关文献的综述发现，在进行建筑运行阶段能耗模拟时，应该尽可能把建筑间效应、风效应等微气候因素考虑在内，以获得更高的模拟精度，确保能耗预测的准确性。

发明内容

本发明旨提出一种计入建筑形态的城市建筑能耗模拟方法，以风压系数为参数输入，进行建筑通风模拟和能耗预测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种计入建筑形态的城市建筑能耗模拟方法，包括以下步骤：

S1、基于建筑信息，构建建筑简化模型；

S2、采集模拟建筑的参数信息，计算自然通风条件下的风压系数，并基于所述参数信息以及所述风压系数生成输入文件；

S3、构建能耗模拟模型，以所述输入文件为输入，对所述建筑简化模型进行通风模拟以及能耗预测，得到预测结果。

进一步优选地，所述参数信息包括：天气信息、建筑结构信息以及模拟参数；

所述建筑结构信息包括：围护结构信息、时间表、通风系统、人员数量、设备构成以及能源管理系统；

所述模拟参数包括：采暖季开始时间、采暖季结束时间、冬季室温、夏季室温、空调使用时间、空调能效比。

进一步优选地，所述能耗模拟模型包括通风量计算模块以及能耗预测模块；

所述通风量计算模块用于基于在自然通风条件下的所述风压系数计算通风量，所述通风量用于进行通风模拟；

所述能耗预测模块用于基于所述通风量以及所述输入文件进行能耗预测，得到所述预测结果。

进一步优选地，所述风压系数的计算方法包括：

式中，p

其中，q

式中，ρ

进一步优选地，所述通风量包括风压自然通风的通风量和热压自然通风的通风量；

所述风压自然通风的通风量的计算方法包括：

式中，C

其中，压力值的计算方法包括：

式中，p

进一步优选地，所述热压自然通风的通风量的计算方法包括：

式中，C

与现有技术相比，本发明的有益效果为：在建筑能耗预测过程中，通风借助计算流体力学模拟将建筑间效应、风效应等微气候因素考虑在内，提高了能耗模拟预测的准确程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例计入建筑形态的城市建筑能耗模拟方法流程示意图；

图2为本发明实施例建筑简化模型示意图；

图3为本发明实施例自然通风下建筑能耗示意图；

图4为本发明实施例机械辅助通风下建筑能耗示意图；

图5为本发明实施例机械通风下建筑能耗示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种计入建筑形态的城市建筑能耗模拟方法，包括以下步骤：

S1、基于建筑信息，构建建筑简化模型。

本实施例以某高层住宅建筑小区的某一户型为例，采用SketchUp软件结合建筑信息建立简化模型，如图2所示。

S2、采集模拟建筑的参数信息，计算自然通风条件下的风压系数，并基于参数信息以及风压系数生成输入文件。

其中，参数信息包括：天气信息、建筑结构信息以及模拟参数；天气信息可以从软件官网下载epw天气文件；建筑结构信息包括：围护结构信息、时间表、通风系统、人员数量、设备构成以及能源管理系统等；模拟参数包括：采暖季开始、结束时间、冬季室温、夏季室温、空调使用时间、空调能效比。通过对相关文件形式进行选择以及对相关参数进行定义，最终生成IDF输入文件。

本实施例中，建筑结构信息采用地方标准，如表1所示；模拟参数中，采暖季为1月1日～3月15日，11月15日至12月31日，空调使用时间为6月15日至8月30日；夏季室内设计温度取26℃，冬季室内设计温度18℃，理想空调能效比取值为3.6；每户人数为5人，每人全热散热量为120W/人。家电使用情况如表2所示。

表1

表2

其中，风压系数的计算方法包括：

首先，基于建筑数据信息构建建筑模型，并确定建筑模型的计算域；建筑模型包括0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八种风向角度。在构建建筑模型时，忽略建筑表面的细节设置。计算域的大小会影响计算的时间和精度，计算域过大会致使网格数量增加，出现浪费计算时间的弊端，而过小的计算区域，则会使分析区域的风场情况出现异常，影响结果的严谨性。计算域的入口采用速度入口边界条件，出口及计算域的两侧壁面采用压力出口边界条件。建筑模型表面和计算域底面均采用无滑移固体壁面，计算域上壁面设置为对称壁面。

之后，对计算域进行网格划分，并进行稳态条件下和瞬态条件下的网格无关性验证，得到网格划分尺寸以及网格数量。其中，稳态条件下的网格无关性验证与瞬态条件下的相同，方法包括：对0°风向角度下的建筑模型，划分不同全局尺寸、数量的网格进行模拟，并计算不同的全局尺寸下计算选取区域的中心坐标点处的风压系数以及距离建筑顶部50m的风速。基于不同的全局尺寸下的风压系数以及风速的变化规律，确定全局网格尺寸。基于全局网格尺寸和局部网格尺寸，完成网格无关性验证。获取不同全局尺寸下的风速随高度变化曲线、风压系数随网格数量增加的风压系数图以及不同网格数量下的速度云图，确定建筑后侧形成旋涡更符合风流动对建筑产生的作用的全局尺寸。对全局网格尺寸进行网格加密，在不同的加密尺寸下计算风压系数以及风速。基于不同的加密尺寸下的风压系数以及风速的变化规律，确定局部网格尺寸。

其中，风压系数的计算方法包括：

式中，p

式中，ρ

式中，u表示在z

对瞬态条件下和稳态条件下的风压系数进行对比，瞬态用于了解建筑外环境风运动随时间发展的过程；稳态则是为得到相对稳定状态的数据，并且对两种状态下的计算情况进行分析，确定采用稳态条件下的风压系数。

S3、构建能耗模拟模型，以输入文件为输入，对建筑简化模型进行通风模拟以及能耗预测，得到预测结果。

本实施例中，能耗模拟模型包括通风量计算模块以及能耗预测模块；通风量计算模块用于基于在自然通风条件下的风压系数计算通风量，通风量用于进行通风模拟；能耗预测模块用于基于通风量以及输入文件进行能耗预测，得到预测结果。

其中，通风量包括风压自然通风的通风量和热压自然通风的通风量；风压自然通风的通风量的计算方法包括：

式中，C

其中，压力值的计算方法包括：

式中，p

热压自然通风的通风量的计算方法包括：

式中，C

其中，能耗预测模块采用EnergyPlus软件，基于上述输入文件进行参数设定，从而得到能耗数据。本实施例从三种通风情况下对能耗进行预测。包括自然通风、机械辅助通风以及机械通风。

其中，自然通风情况下，门、窗的开启系数为1；当室外温度介于16℃与30℃之间，室外相对湿度在30％至80％之间时，或满足采暖季的中午11点至12点开启自然通风。由软件根据以上参数设定进行判定是否进行自然通风。自然通风下建筑能耗如图3(a)-图3(c)所示，由于室内外温差过大，采暖季通风进入的冷空气需要耗费额外的能耗进行加热，每小时总能耗在0.23～9.82kW·h范围内；空调季节由于自然通风量不稳定建筑每小时总能耗波动较大，最高值达到4.52kW·h。其余月份建筑能耗则为家电使用能耗量。

根据自然通风的相关设置，当室外温度介于16℃与30℃之间，室外相对湿度在30％至80％之间时，或满足采暖季的中午11点至12点开启机械辅助通风；在EnergyPlus中设定风压100Pa，效率为1的风机进行机械辅助通风。根据自然通风时每个区域的每小时换气次数设置机械辅助通风量，使得每个区域的通风量尽可能与自然通风时一致。结果如图4(a)-图4(c)所示。机械辅助通风下，由于引入的冷/热空气的量时相对一致，建筑能耗与自然通风能耗趋势基本一致。从结果可以得出，在采暖季机械辅助通风每小时总能耗在0.23～7.39kW·h范围内，与自然通风时的能耗范围存在一定差距。

机械通风条件下使用新风系统进行建筑通风，通风流量与上述通风情景设置相对一致；当室外温度介于16℃与30℃之间，室外相对湿度在30％至80％之间时，或满足采暖季的中午11点至12点开启新风系统；新风机的热回收效率设置为70％。虽然通风量不能与机械辅助通风和自然通风保持时刻一致性，但是在总的通风量和能耗的变化趋势上是保持一致的，机械通风条件下的建筑能耗情况，如图5(a)-图5(c)所示。相较于自然通风和机械辅助通风的建筑能耗，机械通风时的建筑每小时总能耗在0.23～4.22kW·h；空调季节能耗情况与自然通风和机械辅助通风每小时总能耗变化一致，最高值为2.40kW·h。因此，在采暖季为实现室内通风应尽量使用新风系统进行通风，避免由于自然通风和机械辅助通风造成能耗浪费。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。