室第建筑环境模拟软件des

住宅建筑环境模拟软件DeST-h简介摘要：本文简要介绍了由清华大学开发的住宅建筑热环境模拟软件DeST-h，包括该软件的用途、基本算法等，并与国外的类似软件DOE-2在算法上进行了较为详细的比较，阐述了DeST-h在住宅建筑模拟方面的优势。关键字：住宅建筑DeST模拟状态空间法1前言模拟分析方法自从应用于建筑技术的研究领域，已经表现出极大的应用价值，建筑能耗的模拟分析就是这种应用的典型代表。建筑能耗的模拟分析使人们在对建筑物进行研究分析的时候获得了一个非常有力的辅助工具，这一工具使得反复的实验、多角度的分析成为相当容易实现的过程，丰富的数据结果为人们的分析工作提供有力的支持，人们只需设计模拟分析的模式和实例，借助模拟分析软件的帮助，就能获得极具价值的研究材料，这无疑大大缩短了研究成果的产生周期，也解除了实验对于科学研究的诸多限制。在住宅建筑的研究领域，由于住宅建筑本身的特点，建筑本体热特性的研究始终是非常重要的内容，然而由于建筑的复杂性，建筑热特性的实验研究和实测研究都是异常困难的，人们很难期望通过实测和实验获得十分准确并有普遍意义的结果。模拟分析方法在住宅建筑研究领域的应用给人们带来了新的希望，借助这一工具，人们能够从本质上把握建筑本体的热特性，能够从多角度研究影响建筑热状况的各种因素，也能够在计算机上实验建筑物对于各种外界因素的响应特性，从而拓宽住宅建筑的研究视野并推动住宅建筑的研究向纵深发展。住宅建筑热环境模拟工具包（简称“DeST-h”）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”编号59836250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。DeST-h主要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基本算法DeST-h的基础算法是基于清华大学江亿院士在80年代初提出的用于分析建筑热状况的状态空间法[1]，该算法是对建筑各个热工部件建立热平衡方程的基础上，在空间上将其离散，时间上保持连续的一种求解方法。通过该算法，可以对建筑的热状况进行动态的模拟，反映出建筑热状况随着时间的变化过程。影响建筑物内热状况的因素有室外气象条件、室内发热以及采暖和空调系统的运行方式。除去运行方式外，DeST-h将房间热力系统的扰量可归纳为外扰和内扰两大类。外扰系指室外空气的温度，太阳辐射强度，风速和风向，以及邻室的空气温度。它们可以通过两种形式影响房间的热状况：热交换和空气交换。热交换是指周围空气以及太阳辐射，通过不透明的板壁和半透明的门和窗玻璃等，与房间进行传热量交换，太阳辐射透过半透明玻璃向房间射入的辐射热等即属此种热交换。空气交换是指通过门窗缝隙，室内、外空气进行一定数量的交换，即所谓空气渗透，以及通过空调通风系统人为地向房间送入或从房间排出一定数量的空气。伴随室内外的空气交换，外界的热量将直接影响房间空气的热状况。内扰系指照明装置、设备和人体的散热。它们都将以对流和辐射两种形式向房间进行热湿交换。DeST-h将建筑的各个构件，如墙体、窗、门等，分为许多小份，每个小份用一个节点代替，房间空气温度也作为一个节点。针对这些节点分别建立热平衡方程，通过数学处理[2]，可以得到如下的方程：方程中，反映各个节点所代表的建筑构件的物理特性，为各个热扰的扰量大小，包括外温、太阳辐射、人员、灯光、设备发热等等，则为各个热扰对每个节点的影响系数。通过该方程，可以严格求解建筑的室温以及在控制温度（范围）下需要投入的冷（热）量。具体的内容可参见DeST-h相关文献。3基本模块DeST-h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。棉3.1连炼建筑热难物理性辩能求解敌模块底该模块正的核心碰是建筑峡物分析尘和模拟另程伙序惑BA样S浪，它的籍任务是龄对建筑承物热物再性进行亲详细的鼓逐时模粥拟，负熟责计算我逐时的碰房间基裁础室温倦。逐时滨的基础征室温反伏映了房袄间在被衡动热扰农影响下损的热特稼性，在督初步设侵计阶段举，建筑幻师可以肥通过基负础室温宴来比较军各种因慌素的影送响，如算围护结脑构的材衡料、朝滥向、建堤筑物的鹅形状等山等。同接时，基弓础室温绍也是房浙间温度割计算模忠块的基律础数据哲；著3.2潮摊房间温僻度计算狠模块钻房间的抛温度等篇于其各肃种热扰戚（包括警非空调传热扰和嚼空调热废扰）对滩其历史伯上的作声用、本渡时刻投独入该房陷间空调炒扰量的腾作用以历及相邻厦房间通侨过导热走和串风待的作用谅的累加病。该模每块的任涉务即计锅算出房奋间在定鉴义好的肠建筑物孔及其环蓝控系统国下的温嚷度，这鱼一温度浙体现的歪是房间蛇的即时释热状况蓄；筋3.3头僚房间负克荷计算悟模块锹房间负蓬荷指该吐房间在盈某一时煎刻达到荐要求的娘温度状游态所需震投入的策冷热量兴，该模盟块的任睬务即计伟算出房监间在定西义好对华房间温置度的控邀制要求孔时的逐牌时负荷掌，这一右负荷体环现的是谋要达到肾一定的评房间温暖度控制邪要求所怜需要投办入的冷迈量或热龟量；介3.4铁肿住宅常叫见空调肃（供暖带）方式洗的能耗压计算模北块解该模块欧用于计脑算住宅痛常见的诵几种空技调（供今暖）方粒式的能姓耗，这拴一模块僚是对房粗间负荷雾估算模找块的深众化，负收荷是形柄成能耗属的基本防因素，陆但能耗要的大小吨还受系橡统形式底的影响嫩，该模撤块所计取算的能处耗即是段考虑了象几种住呈宅类建誉筑常见唉的空调谨（供暖需）方式遍所得到吴的。形4搜杠技术特氏色泽在国内攀，目前妨还没有碌与泳DeS量T-垂h亡相类似州的软件陶，国外校的一些来模拟软棚件，专如皂DOE落-扭2禁、讽BLA贼S解T掉、巩Ene灰rgy没Pl座u妹s丙，日本泼的贤HAS圆P堪，英国边的育ESP幼-勾r谎等，在尿功能上景和镜DeS楼T-贝h距有许多弱相似之父处，下速面绸以忙DOE棋-黎2级为例说恶明康DeS而T-镜h烂在技术凶上的一予些特点合。次在计算歇原理透上令DeS硬T-蹄h卡是将各旗种扰量椒的影响兵处理为尘对房间扎温度的既影响，缠而尿DOE耳-绩2患是处理垦为在一魂定温度镜下对房潮间负荷乡的影响挽。端DOE影-曾2杨采用的淋是运用晨反应系欠数法预绕算各种剧围护结然构的反密应系数该（归Res罪pon源se朽Fac上to岁r推），即爪预先计殖算出对吓于特定稼围护结拢构，在驰某一确苹定温度紫状况下冒，各种夕扰量（记例如外龄温、太任阳辐射圾、室内预热扰、漏空调送悔风等）位对房间姥负荷的杠影响，使然后根简据叠加扭原理（核线性化表假设）肠叠加成机房间空粪调供暖询的负荷花，类似狼我们现睁在常用净的冷负杀荷系数豪法。跨DeS孙T-梯h培采用的窄是状态尸空间法形对建筑场整体直杆接求解削，列出蜓建筑各贷个构件恭（墙、别楼板、吊窗、室胆内空气波等）的臭热平衡难方程，束然后通沙过严密扶的数学上推导，贴求解出薪各个房哥间中各禾种扰量承（例如茧外温、型太阳辐介射、室沾内热扰匙、空调紧送风等队）对于婶房间室页温的影说响系数叮。然后基根据叠遍加原理绍（线性城化假设具）把各震个扰量蜡计算叠侮加成房颂间没有寇空调供俯暖时的轿温度以首及需要巾的空调锐供暖负追荷。樱因为有嘉以上不恼同，因坡此兆DeS乒T-哈h晓具有以宁下技术塞特色：柱4.1么贿精确模因拟建筑苏中各房轮间的室轻温状况被DeS辞T-正h扬是通过技将各个汇扰量叠桂加得到润房间温罪度的，掉除去空吨调热扰唱外所有段扰量的陈叠加就苏是房间田的自然杜室温（俩无空调役采暖下报的房间偷温度）章，在此衔基础上术根据用笑户设定转的房间寿温度计草算出房删间的负家荷；肯而令DOE辉-沟2锦在计算坦过程中精是固定畏房间的搭温度，数把各种恼扰量的绣影响通袜过反应鞠系数叠残加起来司得到房裤间的负蔬荷，计静算的前警提是由满用户给筹定房间去的温度株，因古此退DOE买-土2晌无法给衡出在无三空调采老暖情况茄下的房祖间温度谁情况，铜对于房街间温度枕事先无钉法确定划的情况卡也难以再处理命。林DOE毯-殖2汪通过不稳断的试石算、迭折代，也拦可以找寿到满足捐各种扰贿量下的巡房间温叉度，但锅计算的秤时间是拿无法接达受的。淋4.2柏售精确模否拟夜间活通风对餐室内热悲环境的棋影响嗓在冬季舍或是夏眠季的白变天，通伪风会给夕房间温燥度带来问不利的翁影响，倚因此人朴们一般窗不会主阴动地进术行通风蚁，此假时胶DeS浆T-匠h服和桑DOE们-爆2栏计算通坏风带来剖的负荷愿结果是问相同的但。但是济，在夏乐季夜间后，通风鸽对建筑撤的热状糕况会有仅很大的辈改善。缺实际情那况下，脂特别是眠在住宅愿建筑中羡夏季夜困间主动嚼通风十碰分普遍辈和重要女，而此表时空调牲一般是吹不开启劲的，也杰就是说罩无法事乡先确定蓬房间的屈温度，狐对寸于典DOE唐-翅2半来说，查这种情碍况就非场常难于蛇处理，糟如前面丘所述，量它只能找固定房锡间的温谱度进行显计算，含因此它救无法对横夜间通询风对建瑞筑热状坝况的影干响作出骄很好的援模拟；岩而警DeS箭T-牢h驼是通过漂各种扰古量（包愧括通风大）叠加矩得到房灰间温度兰的，因碌此可以倚很方便朝地得到谁房间在嫂各种通田风情况紫下的温耻度，体丘现出夜搏间通风里对白天岔房间温脏度的影玩响，因蝶此它对膊夜间通住风可以夜做精确科的模拟复。册4.3存材精确模移拟邻室坛传热对杂各房间迁热环境左的影响治目前我列国正在飞进行供奴暖改革挤，由原梯来的按聋面积收歉费改为孝分户调莫节计量幻收费，夺邻室传洪热问题邀成为大症家关注前的焦点脊之一桑。溉DOE剥-守2蜜在处理迁这个问锈题时，毫只能计页算出相狂邻两个拆房间的懂室温固牌定时的烂传热情学况，而唉实际上亮引起邻葱室传热漏问题的微原因是购某房间夏供暖而江另一房欠间不供醒暖，此奋时不供拜暖房间蔑的温度刷无法确篇定，因杏此峰DOE坏-透2蓬事实上焦难以计虾算。由缝于论DeS北T-嫁h虾在计算牛中是列锯出了整惭个建筑璃的热平耗衡方程古，因此雕对由邻结室传热科带来的抚各房间助负荷、率温度影别响都可浓以进行流精确的吗模拟。萝4.4童黎精确模忘拟间歇吴空调启践停对于苦装机容炒量和运暖行能耗狐的影响豆对于间乔歇空调芳，在空忌调关闭锡期间，植房间的晨温度是郊不固定专的，如闲前所述棚，趟DOE旧-微2蚕难以处暮理，无框法得到瞧在这种盟情况下表的房间坦温度以术及由于迈间歇运肤行带来害的装机运容量和妇运行能径耗的变丹化浅。浅DeS牺T-渡h浪则可以贪由用户浊随意设妻定空调拐的开停则时间，筋当空调围关闭时题，在计挑算中就常去掉空子调扰量味的影响判，只考慨虑其它轰扰量和绍历史因喇素的影景响，可炸以得到飞房间实殖际的温倡度，等掘空调开捡启时，射间歇空切调对房监间负荷蕉的影响虎也可以战通过历霜史房间喘温度的改变化体岩现出来象，从而聚可以得到到准确爬的空调棍装机容炕量和运茅行能耗必。平4.5疼颜精确模受拟内外忽保温对备于空调酷供暖负问荷的影百响揉内外保绳温对于烟间歇空偷调而言丢影响是吧非常大才的，内吩保温与晓外保温洒相比，军在空调轿间歇运影行时，存房间温汗度的变湾化比较缴快，更传能满足明人的舒择适性要衬求，能难耗上也消有一定金的差别老。基于猾上面所微述的理挨由复，膛DeS组T-族h血在模拟赛分析这膊种情况衰下的建侄筑时，绞也具有脑很大的梅优势。私在住宅尤类建筑纳中，夜喝间通风决、邻室抱传热、禁间歇空寒调以及脏内外保用温等情掌况都是忠普遍存敞在而且秤对建筑挽热状况溜有较大腥影响的馅，同时单对于一恳些不空症调采暖哲的地区旷或建筑图而言，滤房间的祝自然室赶温数据鞠有着很喷重要的革意义，恢通过上恭面的介映绍可以构看出液，抗DeS完T-猛h勺在上述肝这些方乎面，都良拥娇有粗DOE字-遇2艳难以比符拟的优窝势。盒DeS拢T-贡h户是专门处针对住图宅类建围筑设计执开发的瞎，考虑奥了我国括大多数棚地区住孕宅建筑语的特点存，并作阅了大量胁的案例寒分析和床理论验碰证，在隶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