环境设计模拟软件建筑环境设计模拟分析软件DeST 第一讲 建筑模拟技术与DeST发展简介

环境设计模拟软件建筑环境设计模拟分析软件DeST第一讲建筑模拟技术与DeST发展简介

1优化建筑性能建筑环境是根据室外气候条件、室内各种加热环境和室外通风条件确定的。建筑环境控制系统的运行状况也必须随着建筑环境状况的变化而不断进行相应的调节,以实现满足舒适性及其他要求的建筑环境。由于建筑环境变化是由众多因素所决定的一个复杂过程,因此只有通过计算机模拟计算的方法才能有效地预测建筑环境在没有环境控制系统时和存在环境控制系统时可能出现的状况,例如室内温湿度随时间的变化、供暖空调系统的逐时能耗以及建筑物全年环境控制所需要的能耗。建筑模拟主要在以下两方面得到广泛的应用:a)建筑物能耗预测与优化。改善外墙保温、改进外窗性能和窗墙比、选取不同热惯性的围护结构等措施,都将改变建筑物室内热环境和能源消耗。然而对这些措施与建筑环境及建筑物全年能耗之间的关系很难进行直接准确的分析,只有通过逐时的动态模拟才能得到。因此在分析评价一个建筑设计方案将造成的环境状况和能耗时,一般都采用模拟计算的方法。加大外窗面积会在冬天增加太阳得热,减少冬天供暖能耗;但在冬季夜间又会增加向室外的散热,增加供暖能耗,夏季还会导致通过外窗的得热增加,加大空调能耗。因此需要对窗墙比进行优化。同样,增加外墙保温厚度,可减少冬夏季热损失,但随保温厚度不断增加,收益的增加逐渐变缓而投资却继续线性增长,因此也存在最优的保温厚度。由于这些相互制约的关系都随气候及室内状况而变化,因此相关优化也只有对建筑进行动态热模拟才能实现。b)空调系统性能预测。实际的空调系统是运行在各种可能出现的气候条件和室内使用方式下。其大部分时间都不是运行在极端冷或极端热的设计工况而是介于二者之间的部分负荷工况下。这些可能出现的部分负荷工况情况多样,特点各不相同,往往在实际运行中出现问题,或难于满足环境控制要求,或出现不合理的冷热抵消,导致能耗增加。通过全年的逐时动态模拟,就会了解实际运行中可能出现的各种工况和各种问题,从而在系统、结构及控制方案中采取有效措施。通过这样的动态模拟,还可以预测不同系统设计导致的全年空调能耗,从而对系统方案和设备配置进行优化。随着人们对建筑环境质量要求的不断提高和对建筑节能的日益重视,建筑模拟也越来越成为建筑与建筑环境控制系统的设计、评价、分析工作中必不可少的重要工具之一。2从模拟建模到模拟方法的发展历程得益于计算机技术的发展,在建筑及环境控制领域,上世纪60年代中期就开始了对建筑环境及控制系统动态模拟的研究。初期的研究内容主要是传热的基础理论和负荷的计算方法,例如一些简化的动态传热算法,如度日法,bin法等等。在这一阶段,建筑模拟的主要目的是改进围护结构的传热特性。在经历了上个世纪70年代的全球石油危机之后,建筑模拟受到了越来越多的重视,同时随着计算机技术的飞速发展和普及,大量复杂的计算变为可行。于是在上个世纪70年代中期,逐渐在美国形成了两个著名的建筑模拟程序:BLAST和DOE-2。欧洲也于上个世纪70年代初开始研究模拟分析的方法,产生的具有代表性的软件是ESP-r。在70年代末期,随着模块化集成思想的出现,空调和其他能量转换系统及其控制的模拟软件也逐渐出现,在美国,先后开发出TRNSYS和HVACSIM+。与此同时,亚洲国家也逐渐认识到建筑模拟技术的重要性,先后投入大量力量进行研究开发,主要有日本的HASP和中国清华大学的BTP。进入90年代,模拟技术的研究重点逐渐从模拟建模(simulationmodeling)向应用模拟方法(simulationmethod)转移,即研究如何充分地利用现有的各种模型和模拟软件,使模拟技术能够更广泛更有效地应用于实际工程的方法和步骤,而使其不仅仅是停留在院校及研究机构中。时至今日,建筑模拟技术通过40余年的不断发展,已经在建筑环境等相关领域得到了较广泛的应用,贯穿于建筑设计的整个寿命周期里,包括设计、施工、运行、维护和管理等各个阶段。主要表现在以下几方面:a)建筑冷/热负荷计算,用于空调设备的选择;b)在设计或者改造建筑时,对建筑进行能耗分析;c)建筑能耗的管理和控制模式的制订,帮助制订建筑管理控制模式,以挖掘建筑的最大节能潜力;d)与各种标准规范结合,帮助设计人员设计出符合当地节能标准的建筑;e)对建筑进行经济性分析,使设计者对所设计方案在经济上的费用有清楚的了解,有助于设计者从费用和能耗两方面对设计方案进行评估。3能耗模拟结果在建筑能耗及空调系统模拟领域,建筑模拟分析软件大致可以分为以下两大类:a)空调系统仿真软件——此类软件主要用于空调系统部件的控制过程的仿真,以TRNSYS,SPARK和HVACSIM+等为代表,这类软件的主要模拟目标是由各种模块搭成的系统的动态特性及其在各种控制方式下的响应。它们采用的是简单的房间模型和复杂的系统模型,可以根据需要由使用者灵活地组合系统形式和控制方法,适用于系统的高频(如以几s为时间步长)动态特性及过程的仿真分析。b)建筑能耗模拟软件——此类软件主要用于建筑和系统的动态模拟分析,以DOE-2,EnergyPlus和ESP-r等为代表。这类软件的主要模拟目标是建筑和系统的长周期的动态热特性(往往以h为时间步长),采用的是完备的房间模型和较简单的系统模型及简化的或理想化的控制模型,适于模拟分析建筑物围护结构的动态热特性,模拟建筑物的全年运行能耗。第一类软件组态灵活,可以模拟任意形式的系统。由于采用开放式结构,可以由其他使用者各自开发各种模块,实现资源共享,这是其在近30年的发展过程中长盛不衰不断发展的主要原因。然而,这类软件的核心是在某种控制器控制下的小时间步长的高频动态过程。当研究全年的能耗状况和动态过程时,采用几s或1min作时间步长就使计算量过大,结果也过于繁杂;而采用1h作为时间步长时,又会使控制器的模拟出现严重失真,从而导致模拟出的整个系统的现象严重背离实际情况。另一方面,灵活的模块方式可以组成不同的系统形式,但却很难处理实际的建筑物形式。建筑物作为一个整体,很难切割成多个标准模块。空调系统是嵌在建筑物内的,很难把它们二者的关系处理成通过模块形式的连接。一种方式是把建筑物近似成许多彼此独立的房间,每个房间作为一个模块,各自与空调系统相连。这样实现了模块连接的形式,但牺牲了建筑物内各房间通过内墙的传热等热环境的相互影响。由于这种影响会导致建筑环境变化出现不同的现象,因此这类软件就很难处理好对建筑物本身的模拟分析。为此国外许多研究小组试图改进,也开发出一些精确模拟建筑热过程的模块(如TRNSYS的Type56),但却牺牲了其对系统结构的灵活性。与第一类软件相比,第二类软件,即建筑能耗模拟软件不是立足于系统,而是立足于建筑。这类软件(如DOE-2,ESP-r,EnergyPlus)首先从建筑物出发,可以灵活地处理各种形式的建筑物,很好地预测建筑热性能和不同围护结构形式对能耗的影响。然而由于是基于建筑物而不是基于空调系统,就很难像第一类软件那样灵活地构成各种系统。DOE-2只能对预先定义好的有限种系统形式进行模拟,EnergyPlus希望能够处理各种形式的系统,然而目前还未实现。这类软件主要服务于长周期建筑能耗模拟,因此主要采用1h为时间步长,在控制器的模拟上就必须采用简化的方法以避免失真。这时,往往简化设备性能模型,认为设备处理能力可在最大容量范围内连续变化。这样虽解决了大时间步长的控制过程模拟计算方法,但却不能真实反映大部分空调制冷设备本身部分负荷下的调节特性,因此就不能很好地预测分析空调系统的实际运行状况和能源消耗。由于建筑和空调系统这两个模拟对象的不同特点,导致模拟软件在系统描述,结构灵活性以及时间步长及控制器的处理等方面存在很大矛盾。模拟软件必须考虑实际设计与分析过程的特点,妥善有效地处理建筑模拟和系统模拟的耦合关系,而考虑这些因素和解决这些问题与软件的基本模拟思路、采用的算法和软件的结构有直接关系。只有采用符合实际设计过程的模拟思路,采用合适的算法和软件结构,才能比较完满地解决建筑及其控制系统的设计耦合问题,实现两者的联合动态模拟。这也是上世纪90年代末美国开始逐渐放弃DOE-2而开发全新的EnergyPlus的主要原因。而DeST(designer’ssimulationtoolkits)也正是在10年前在认识到当时各种建筑模拟软件的特点与不足的基础上,开发并不断发展完善而形成的建筑动态模拟工具。它基于“分阶段模拟”的理念,实现了建筑物与系统的连接,使之既可用于详细地分析建筑物的热特性,又可以模拟系统性能,较好地解决了建筑物和系统设计耦合的问题。DeST软件的研发开始于1989年。初期立足于建筑环境模拟,1992年以前命名为BTP(buildingthermalperformance),以后逐步加入空调系统模拟模块,命名为IISABRE。为了解决实际设计中不同阶段的实际问题,更好地将模拟技术应用到实际工程中,从1997年开始在IISABRE的基础上开发针对设计的模拟分析工具DeST,并于2000年完成DeST1.0版本并通过鉴定,2002年完成DeST住宅版本。如今DeST已陆续在我国内地、香港,以及欧洲、日本等地得到应用。4德t的主要特点为了实现“分阶段模拟”的目标,DeST在设计和开发中突出了自己的特点。4.1模型中的各室自然温室与空调系统的组合关系自然室温指当建筑物没有供暖空调系统时,在室外气象条件和室内各种发热量的联合作用下所导致的室内空气温度。它全面反映了建筑本身的性能和各种被动性热扰动(室外气象参数,室内发热量)对建筑物的影响。这样,当分析模拟建筑热性能时,可以立足于建筑,通过精确的建筑模型,模拟计算各室的自然室温,继承和扩充DOE-2与ESP-r在建筑描述与模拟分析上的各种优越性。而在研究空调系统时,又可以以各室的自然室温为对象,把自然室温与建筑特性参数合在一起构成建筑物模块,这样从系统的角度来看,建筑就可以成为若干个模块,与其他部件模块一起,灵活组成各种形式的系统,继承TRNSYS类软件的各种优越性。这是DeST对建筑与系统解耦的基本方法。4.2模拟软件在建筑环境设计中的应用实际的设计过程包含不同的设计阶段,每个阶段的设计目标和侧重点不同,随着设计的不断深入,信息量扩大但同时可调节性降低。在不同的设计阶段,已知和未知条件不同,随着设计的展开,各阶段的已知和未知条件也在不断转化,前一阶段的未知因素通过设计成为本阶段的已知条件。例如,在初步设计阶段,内部发热量和外界气象参数是已知条件,在这些因素作用下建筑物的热特性是未知的;而到了方案设计阶段,建筑物的热特性成为已知因素,设计者需要在此基础上对空调方案进行比较、取舍,并为进一步的设备选择提供依据。建筑模拟软件的作用是为建筑环境及其控制系统的设计提供辅助分析数据,因此,实际设计过程的特点和逻辑关系应当体现在软件的模拟过程中。DeST在开发过程中融合了实际设计过程的阶段性特点,将模拟划分为建筑热特性分析、系统方案分析、AHU方案分析、风网模拟和冷热源模拟共5个阶段,为设计的不同阶段提供准确实用的分析结果,如建筑热特性的模拟计算提供建筑本体的热特性数据,方案模拟则提供方案设计的模拟分析结果,由此实现建筑环境及其控制系统设计的分阶段模拟。4.3面向阶段性的改进方法分阶段模拟对计算模型提出了一定的要求,对于每一个设计阶段而言,上一阶段的设计属于既定的计算条件,而下一阶段的设计尚未进行,相关部件和控制方式未知,因此必须明确后续阶段的计算方法。由于当前阶段的模拟分析目的是评价这一阶段的设计是否满足要求以及存在哪些问题,并对下一阶段设计提出要求,因此,DeST没有采用DOE-2和TRNSYS的“缺省模式”,而采用“理想化”方法来处理后续阶段的部件特性和控制效果,即假定后续阶段的部件特性和控制效果完全理想,相关部件和控制能满足任何要求(冷热量、水量等),这样处理有以下优点:a)排除后续设计阶段的“缺省模式”对本设计阶段设计效果的干扰,突出本设计阶段的模拟分析目的,获得该阶段设计方案的客观评价结果;b)由于采用相同的输入和假设,模拟结果具有可比性和实际的指导意义;c)实现当前阶段的模拟完全不需要下一阶段的设计信息,不给当前阶段的设计工作增加额外的工作量;d)可以得到对下一阶段的需求,为下阶段设计提供有益的信息。4.4界面开发基于平台由于建筑物及其环境控制系统都十分复杂,模拟计算的描述和定义工作是非常繁杂的,如果采用文件和表格的方式对建筑及其系统进行描述和定义,不仅工作量巨大,而且很容易出错。为了简化描述定义工作,DeST开发了图形化的工作界面,所有模拟计算工作都在基于AutoCAD开发的用户界面上进行,其程序可在Windows操作系统下运行。由于界面开发基于常用的设计绘图软件,而且与建筑物相关的各种数据(材料、几何尺寸、内扰等)通过数据库接口与用户界面相连,因此用户通过界面进行建筑物的描述,以及调用相关模拟模块进行计算都十分方便,也很容易掌握。DeST还将模拟计算的结果以Excel报表的形式输出,方便用户查询和整理。4.5dps软件模块的应用,实现了传统环境模拟的模尽管DeST的模拟思路是整合建筑环境及其控制系统的各阶段模拟分析工作,但是由于融合了模块化的思想,继承了TRNSYS类软件模块灵活的优点,其计算模块具有较好的开放性和可扩展性,DeST可以作为建筑环境及其控制系统模拟的通用性平台,实现相关模块的不断完善和软件的功能扩展。5德洛伊木马的软件结构为了实现“分阶段模拟”的理念,DeST的软件结构是由多个单独的模块相互连接构成的。图1为DeST的整体框架结构示意图。5.1逐时模型的建立由于空调领域开展的系统动态分析、动态模拟的研究,需要一个月、一个季度乃至一年的逐日、逐时气象参数,因此获得这些气象参数是建筑及其系统动态模拟分析的一项基础性工作。一般来说,影响建筑热过程的气象参数主要是空气温度、湿度、太阳辐射、风速风向以及天空背景辐射温度等。为了反映这些气象参数在建筑热过程中的影响,DeST深入研究气象环境的客观规律,建立了利用实测的逐日气象数据模拟生成全年逐时气象数据的气象模型——Medpha。Medpha的基础数据来源于我国194个气象台站自建站以来约50年的实测逐日数据(包括气温、湿度、太阳辐射、风速风向、日照小时数和大气压力)。根据空调负荷计算中的典型年选取方法,Medpha首先选出具有代表性的年份(如典型气象年,极高温度年,极低温度年,极大太阳辐射年,极小太阳辐射年等),之后利用各气象参数的日变化规律,模拟生成逐时的气象数据(包括空气温度、湿度、太阳直射辐射、太阳散射辐射、风速风向以及天空背景辐射温度),并以典型气象年作为DeST的全年模拟基础数据。5.2然通风模拟模块当室外空气温度湿度不在室内舒适范围内时,由室外风压、热压造成的通风和门窗渗透风(下文统称为自然通风)会成为房间的空调供暖负荷,据分析由自然通风造成的能耗占建筑空调总能耗的30%左右,是建筑能耗的重要组成部分;所以在模拟建筑环境时,自然通风的准确模拟是影响模拟结果的关键因素之一。DeST的自然通风模拟模块即要解决定量计算自然通风,以及考虑自然通风影响建筑负荷的问题,以指导自然通风的合理设计,实现建筑节能。自然通风最主要的动力是风压和热压。由于两种压力的作用机制不同而且通风量与压差的关系非线性,因此不能对它们单独作用情况下的通风量作简单相加。DeST在计算自然通风时,同时考虑热压与风压的作用,实现热环境参数和流体特性参数相互作用的计算。自然通风的模拟采用多区域网络模型。这种方法把整个建筑物作为一个系统,其中每个房间为一个区域(或称网络节点),在同一区域(节点)内部,假设空气充分混合,其空气参数一致,各网络节点之间通过各种空气流通路径(门、窗等开口、缝隙)相连,从而形成流体网络。空气流动满足定常流伯努利方程,对各个支路(即空气流通路径)建立阻力模型,根据支路机械能守恒和节点质量守恒建立非线性网络方程组,并采用牛顿法求解通过各个支路的风量。DeST将自然通风模拟模块VentPlus得到的通风量作为BAS模块中热环境模拟计算的输入,从而准确模拟室内热环境。5.3设计中界面的实现CABD是DeST的图形化用户界面(见图2)。CABD是基于AutoCAD开发的用户界面,大大简化描述定义工作和方便设计者的建模,可在Windows操作系统下运行。由于界面开发基于常用的设计绘图软件AutoCAD,而且与建筑物相关的各种数据(材料、几何尺寸、内扰等)通过数据库接口与用户界面相连,因此用户可直接通过界面进行建筑物的描述、修改和统计,也可方便地调用相关模拟模块进行计算。DeST的模拟计算结果都将以Excel报表的形式输出,方便用户查询和整理。5.4建筑阴阳分布的计算在建筑环境的动态模拟过程中,建筑物获得的太阳辐射量的计算是十分重要的影响因素,因此准确模拟建筑环境状况需要深入研究太阳辐射的计算方法。由于建筑之间的相互遮挡、建筑的自遮挡以及各种遮阳构件的遮挡都会对建筑物接收的辐射量产生非常大的影响,因此建筑物的太阳辐射得热计算必须考虑这些因素的作用。DeST的建筑阴影计算模块BShadow综合考虑了上述几种遮挡情况,采用几何投影法来计算各表面的阴影面积和形状。通过计算可以得到:a)建筑物在不同地点、全年任意时刻的建筑日影分布;b)阴影的详细几何信息;c)中庭、天井等特殊类型建筑中的光斑分布。图3是BShadow的阴影计算界面。5.5国内行刑中的紫外光天然光是一种无污染、可再生的自然优质光源,具有照度均匀、无眩光、持久性好等特点。由于能源危机、环境污染等问题,天然采光在现代建筑中越来越受到重视,例如大型建筑室内空间、地下空间、隧道等,若能充分利用天然光,可节省大量照明用电,有效减少空调全年能耗。因此,一个商业建筑的采光状况的好坏会在很大程度上影响到它的运行能耗。Lighting是DeST中负责室内采光计算的模块。该模块根据Bshadow模块输出的窗户阴影面积,可以得到各个房间在各种太阳位置和天气情况下的采光系数,根据DeST中Medpha提供的气象数据,即可确定各个房间逐时的自然采光情况下的室内照度,结合房间照度设计要求,确定逐时的照明灯具开启情况,作为建筑环境模拟模块BAS的输入。5.6动态热分析的方法BAS是建筑物热特性计算的核心模块,可以对建筑物的温度和负荷进行详细的逐时模拟。BAS的核心算法采用基于建筑热平衡的状态空间法,该方法由江亿教授于1981年从现代控制理论引入到建筑热过程动态模拟当中。状态空间法是一种在时间上连续、空间上离散的动态模拟计算方法,通过求解房间内离散点的能量平衡方程组,可得到房间对各热扰的响应系数,即房间本身的热特性,进而对房间的热过程进行动态模拟。该方法不能直接处理非线性问题。由于状态空间法可直接得到积分形式的解,不必计算温度场,解的稳定性及误差与时间步长无关,计算速度快,适宜作为系统分析中的建筑动态模型,因此越来越多的建筑模拟软件(如EnergyPlus等)开始采用状态空间法作为核心算法。DeST是目前世界上为数不多的考虑了建筑物内多房间的整体热平衡的建筑模拟软件之一,DeST细致地考虑了各房间的热状况受其邻室热状况的影响情况。DeST中多房间模型可以有效地应用到复杂的大型建筑中,可同时处理上千个房间,计算准确迅速。图4为DeST逐时负荷计算结果示例。5.7空调系统方案模拟分析空调系统方案设计是整个空调系统设计过程中的一个重要环节,它衔接着前期的概念设计阶段(建筑物热过程分析)和后期的详细设计(设备选择、管网分析等)阶段。随着设计的展开,通过建筑模拟了解建筑物本身的热特性之后,设计人员将进行系统的设计。“系统”这个词,在不同的模拟软件中有不同的内涵,多数是指二次处理设备(secondaryHVACequipment)。实际上,系统的设计应该至少分成两个层次:方案的设计和设备的选择。设计人员在选择设备之前,首先需要确定采用何种空调方案,例如:a)对于给定的建筑物,如何分区?怎样根据朝向、功能来划分空调系统?b)采用何种空调系统形式?是变风量系统、定风量系统、定风量加末端再热、变风量加末端再热或者风机盘管等等?不同形式下可实现的环境控制的满足程度及运行能耗存在一定的差别。c)如何分析新的系统方案?例如风机盘管+根据季节集中改变风量的新风系统等等。上述问题处理不当,容易引起各系统中各房间冷热不均现象,空调系统方案模拟分析的目的就是通过模拟手段对方案进行量化的分析,为设计人员提供比较的依据。空调系统方案模拟涵盖以下内容:a)系统的分区——哪些房间属于一个系统;b)空调系统的类型(定风量,变风量,风机盘管,末端再热,以及它们可能的组合);c)末端的最大/最小加热/制冷量(对于风机盘管和末端加热器);d)各房间的最大/最小送风量(对于变风量系统);e)系统的运行形式(是否采用变风量?是否变送风状态?等等)。通过对以上内容进行模拟和评价,我们可以建立一个可用于辅助空调系统方案设计的模拟分析方法,使设计者明确采用不同的方案会产生的效果,从而最终达到优化设计和提高设计水平的目的。图5为Scheme模拟结果示例。5.8变风量系统的模拟方法和使用注DNA是DeST中机械通风系统分析模块,机械通风系统模拟可完成风系统设计计算和校核计算。设计计算是已知风道布置、风管长度及各段风量要求确定各段管径和选择风机;校核计算是已知管段的长度、管径以及风机所能提供的压头校核各段风量是否满足要求。在设计计算中所采用的各段风量是设计风量,因此风道的设计也是“典型”工况设计。对于定风量系统,由于实际运行时风量不发生变化,因此根据“典型”工况进行设计即可。对于变风量系统,由于管网大部分时间工作在部分负荷下,与设计工况不同,因此在设计变风量系统时,需要进行各种工况的校核,以确定:a)在各种工况下,该管网是否都能满足要求;b)通过全工况的分析,得到对风机的要求,根据全工况点来选择合适的设备;c)不同的控制方式的性能差别。通常流体网络模拟采用的是“正向”模型,即已知管网形式、风机性能、各阀门状态、风机转速以及它们的控制方法,求此条件下各支路的流量和各节点的压力。此方法适用于对某种特定工况的分析或研究详细的动态控制过程,而实际上,各末端支路的阀门及风机转速都在不断地调整以试图满足要求的流量分配,因此在设计时,不是看已知阀门状态下系统会出现何种风量分布,而是解决“反向”的问题,即已知管网形式和要求的各个时刻变风量末端(支路)的风量,当对各调节阀门及风机转速都采用“理想”控制时,看这样的管网是否能达到要求的风量分布以及对风机的要求如何。这种“反向”的模拟流体网络的方法,即“可及性”模拟。DNA模块即要实现风网的设计计算及可及性分析计算。5.9ahu设备校核模拟设计人员在确定空调系统方案之后,需要选择合适的空调处理设备的形式和容量,具体问题例如:a)如何选择空气处理设备的组成及容量?b)是否采用可变新风的系统,以及新风的控制方法?c)是否需要采用四管制的空气处理室?d)采用显热或全热热回收装置是否经济?如果上述问题处理不当,容易引起无法满足系统需求、运行能耗高等一系列问题。AHU设备校核模拟的目的就是通过模拟手段对设计者提出的空气处理方案进行全年校核,为设计人员的方案提供量化的比较依据。AHU设备校核模拟涵盖以下内容:a)一次回风系统/二次回风系统;b)空气处理设备的组成(表冷段、加湿段、喷淋室、再热段等,以及它们的可能组合);c)表冷器的容量及热湿特性;d)新风的控制方案(定新风系统/变新风系统);e)新回风显热热交换器/新回风全热热交换器。通过对以上的空气处理设备全年运行状况的校核计算,我们可以得到该空气处理设备满足系统需求的小时数,以及处理设备需要的运行能耗,设计者可以明确采用不同的方案会产生的效果,从而达到优化设计和提高设计水平的目的。5.10空气处理方案的确定冷热源系统与水系统的方案设计是整个空调系统设计过程中的一个重要环节,它是详细设计中至关重要的内容。随着设计的展开,通过对空气处理设备的模拟可以获得空调系统对于冷热量的需求,设计人员在选定空气处理方案之后,就需要设计出合适的冷热源形式、冷水系统和冷却水系统,具体问题例如:a)选择什么形式的能源输入?天然气/油/电/城市热网;b)选择什么形式的冷热源设备?离心机组/螺杆机组/直燃机组等等;c)选择冷水系统形式:一次泵/二次泵;d)水泵的控制方式:变频控制/台数控制;e)冷却塔的控制方案;f)采用冰蓄冷方式时如何分析;等等。如果上述问题处理不当,容易引起冷热源系统及水系统初投资增加、运行能耗过高等问题,冷热源与水系统模拟的目的就是通过模拟手段对以上方案进行量化的模拟分析,为设计人员提供比较不同方案的依据。5.11暖通空调经济性评价的方法对一个暖通空调方案性能的全面、客观的描述至少应该包括两个方面,一方面通过对该方案的全年全工况模拟分析,得到该系统方案所能提供的室内人工环境参数,给出满足使用要求的满意度作为对该方案可及性的评价;另一方面,计算该方案的初投资和运行费,给出该系统方案的生命周期费用作为对该方案经济性的评价。最终结合这两方面由设计人员权衡利弊来得到功能与成本最佳匹配的暖通空调设计方案。因此,经济性评价是暖通空调设计过程中的必要环节。在经济性评价方面,DeST与暖通空调系统的设计过程紧密结合,在不同设计阶段,都尽可能地利用已知信息,准确地预测和评价暖通空调系统方案的经济性,既能够准确、方便比较设计过程中某一特定方案的经济性,又能评价整个暖通空调工程的经济性,为设计人员进行方案取舍提供依据,尽早排除不经济方案。DeST的经济评价分为概念设计阶段、初步设计阶段、详细设计阶段、设计后的经济评价四个阶段,下面结合每个阶段的具体情况,给出不同的经济评价方法。a)概念设计阶段:研究对象是建筑物本身,模拟的目的是确定适当的建筑参数(围护结构、遮阳、朝向等)以达到建筑节能的目的。相应地,本阶段的经济评价利用现有的已知信息和建筑物热过程模拟的累计负荷和逐时负荷以及设计人员拟采用的暖通空调方式的初步想法,通过建立神经网络模型,利用已知建筑的暖通空调系统的初投资、运行费等参数训练神经网络,用训练好的神经网络来较准确地预测在确定的建筑参数下该建筑暖通空调系统的经济性,以便于设计人员及时调整适当的建筑参数,确定较佳的建筑方案。b)初步设计阶段:研究对象是建筑环境控制系统,通过对建筑拟采用的各种暖通空调系统方案进行模拟分析和比较,确定满足使用要求、经济合理的系统方案。因此本阶段的经济评价是利用通过模拟分析得到的空调系统的逐时负荷和逐时风量等参数,合理地估算出每种空调系统方案的初投资和运行费,设计人员则根据方案的可及性评价及经济性评价来确定较佳的建筑环境控制方案。c)详细设计阶段:是对暖通空调系统各个局部系统和设备进行模拟分析,包括冷热源模拟、末端空调系统模拟、风网模拟、水网模拟。利用模拟分析得到的详细设备参数,可详细计算其经济性参数,对于此阶段尚未得到准确参数的设备材料采用合理估算方法确定其经济性参数。在本阶段设计人员能够准确、方便地比较某一暖通空调系统内部某个细节处不同方案的经济性,并结合其可及性评价,最终确定较优的局部系统和设备。d)设计后的经济评价:在对暖通空调系统各个部分都进行了模拟分析后,得到了绝大部分设备、材料的具体的型号、规格和数量,根据具体的信息,可以逐项准确计算暖通空调系统的初投资、运行费等经济性参数,给出准确的经济性评价。同时,该暖通空调系统的初投资、运行费等经济性参数将反馈到概念设计阶段,作为神经网络新的训练样本,来不断地优化和修订神经网络模型。6主要应用DeST致力于辅助建筑环境及系统设计,以期用最小的能源代价来满足人们的热舒适性要求,其应用领域主要包括以下几方面。6.1建筑和空调系统的辅助设计6.1.1不同围护结构的经济性分析围护结构设计包括建筑几何结构设计、建筑材料选择、遮阳部件设计等。围护结构的热性能是影响建筑环境状况和能耗状况的一个重要因素,因此围护结构的优化设计有着十分重要的意义。DeST可以根据设计者提出的不同方案,对建筑进行全年逐时的温度模拟和供暖空调能耗计算,并进行初步的经济性分析,对不同的围护结构设计方案进行比较,从而帮助设计人员作出最优的选择。DeST支持各种复杂建筑形式(如多建筑、天窗、斜墙、地下层、回形分隔等)的计算,可对建筑物朝向、窗墙比、建筑平面布局等进行模拟分析;支持各种围护构件的计算,可对围护结构的选材、组合以及保温、隔热等围护措施进行模拟分析;支持灵活的内扰和通风定义,可以对建筑通风设计进行模拟分析。上述各方面,均可以通过建筑方案设计阶段的模拟,进行不同方案之间的对比,对建筑主体设计本身提出有利于建筑节能的意见,供建筑师参考。6.1.2空调系统设计的不足空调系统形式及分区方案的设计是空调系统设计里至关重要的一环,该设计的优劣在极大程度上影响建筑使用时的冷热状况,及空调系统能否满足人员热舒适的要求。目前的空调系统形式及分区方案设计还大多停留在依赖经验和简单手工计算基础上,而建筑的复杂性使得这种设计往往不能满足舒适性和经济性的要求。在对建筑热状况进行全年逐时模拟的基础上,根据设计人员提出的不同设计方案,DeST可以模拟出各房间全年的温度状况、不满意率及要求的空调设备出力,并作进一步的经济性分析,使设计人员可从可行性和经济性两个方面对不同的设计方案进行比较。6.1.3年增时期的性能计算确定空调系统形式及分区方案后,设计者可以从DeST的设备数据库中选取一种设备组合,如热回收器+表冷器+加湿器。DeST在方案设计模拟结果的基础上,对选取的设备类型及容量进行全年逐