建筑能耗模拟软件在建筑设计中的应用

【中图分类号】TU111.195【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0188-01

随着我国的城市化进程加快，能源需求持续增高，建筑节能设计成为十分重要的节能方法。建筑能耗模拟分析软件在建筑设计中发挥着越来越重要的作用。如何在建筑设计过程中适时并正确地使用能耗模拟分析软件，为建筑设计提供了理论依据，对提高节能设计工作效率具有重要意义。

统计结果表明，大约有三分之一的能量被消耗在了建筑物上，如何节省建筑能耗问题也开始变成建筑设计的一个挑战。目前仍存在一些问题如下：

1） 建筑物的设计寿命很长，设计一旦被决定，就将被使用相当长的一段时间。

2） 越早期的节能设计对改善建筑物的节能表现越有效，而后期的改造耗资巨大却收效较小。

3） 绝大多数的建筑都设有空调通风系统，因此对于这些建筑的能耗分析十分必要。

建筑室内环境是由许多因素决定的，包括室外气候条件、室内外通风状况及室内各种热源的发热状况、人员活动等。随着建筑环境状况的变化，建筑环境建筑环境控制系统也需要随之改变运行状况，以实现满足舒适性及其它要求。由于建筑环境的变化很复杂，因此只有通过计算机模拟的方法才能有效地预测建筑环境在不同情况下可能出现的状况，例如室内温湿度随时间的变化、建筑在不同室外风速下的通风情况、采暖空调系统的逐时能耗，以及建筑物全年环境控制所需的能耗。

从20世纪60年代到今天，世界各国都开发出了不同的模拟软件，可以很方便的对建筑物进行全年动态模拟。美国开展建筑节能的研究较早，建筑节能中应用的计算机技术也最为广泛。当前，在美国，与节能标准相关的软件有120多种。这些模拟软件的开发和运用可以定性或定量地对建筑能耗进行模拟与评估，从而使建筑节能规范的实施变得相对容易，也促进了规范本身的完善和发展。

为了进一步贯彻建筑节能的基本方针，建设部颁布的《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012；《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134一2001；《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ75-2003和《公共建筑节能设计标准》GB50189一2005。这些标准均要求采用全年逐时动态负荷计算方法计算空调供暖的冷、热负荷，并评价节能效果。

若能在设计阶段尽早地进行能耗模拟分析，将可增加设计过程的可控性。建筑节能要从建筑方案和建筑设备系统的设计开始。不同的建筑造型、不同的建筑围护结构、不同的建筑设备系统可以组合成很多方案，要从众多方案中选出最经济节能的方案，就必须对每个方案的能耗进行模拟与分析，这就要用到建筑能耗模拟技术。

大型建筑非常复杂，建筑与环境系统存在动态作用，这些都需要建立模型，进行动态的分析与模拟。因此建筑能耗模拟，是建筑节能设计的必要工作之一。现在有很多用来设计或分析建筑及暖通空调系统的软件，它们具有不同的功能和复杂程度，面向不同的用户，大致可分为以下四大类。

1、设计用软件：建筑师、工程师等用计算机技术辅助设计的软件，如AutoCAD；

2、建筑全能耗分析软件：用来模拟建筑及系统的实际运行状况，从而预测年运行能耗和费用的软件；

3、专业分析软件：用于专项解决某些问题，拥有专门开发的精确的模型，例如计算流体力学（CFD）模拟软件Fluent；照明模拟软件Radiance等。

建筑设计中几种常用软件介绍：

1、Ecotect软件

Ecotect（生态建筑大师）是一个全面的技术性能分析辅助设计软件，提供了友好的三维建模设计界面。它主要具有速度快，直观，技术性强等优势，而且可以和一系列精确分析软件相结合做进一步的分析。Ecotect可以在建筑设计的各个阶段进行太阳辐射、热、光学、声学、建筑投资等综合的技术分析。Ecotect模拟计算可以贯穿整个设计过程，针对不同的模拟对象，模型的建立可简洁可复杂。计算分析过程简单快捷，结果直观。

2、DeST软件

清华大学建筑技术科学系经过10余年的努力，根据国内的实际情况，逐步开发出一套面向设计院人员的设计用模拟工具DesT（Desinger’s SimulationToolkit），目的是把模拟分析技术引入工程设计之中，为设计人员提供全面有力的帮助。Dest对建筑的模拟分成建筑室内热环境模拟、空调方案模拟、输配系统模拟、冷热源经济性分析几个阶段，对应服务于建筑设计的初步设计（研究建筑物本身的特性）、方案设计（研究系统方案）、详细设计（设备选型、管路布置、控制设计等）几个阶段，具体的应用包括：

1）在建筑初步设计阶段，通过对建筑物的热环境分析，可以为建筑围护结构方案，如窗墙比选用，围护结构热工参数选择、建筑遮阳方案设计等，提供参考建议。

2）在空调系统方案设计阶段，通过空调系统模拟分析，可以判断空调系统分区是否合理、比较不同空调系统方案的经济性、预测不同方案未来的室内热状况及满意率。

3）在空调系统详细设计阶段，通过输配系统的模拟可以指导风机、水泵等设备的选型并比较不同输配系统方案的经济性。通过冷热源经济分析，可以指导设计者选择合适的冷热源。

3、CFD软件（FLUENT）

流体流动的数值模拟即在计算机上离散求解空气流动遵循的流体动力学方程组，并将结果用计算机图形学技术形象直观的表现出来，这样的技术就是计算流体力学技术。相比模型实验等手段，数值模拟具有成本低、周期短、资料完备、易模拟真实条件等优点。如今已经在多个领域发挥很大作用。

FLUENT是用于计算复杂几何条件下流动和传热问题的程序。FLUENT是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。FLUENT提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包括三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，它允许用户根据解的具体情况对网格进行修改（细化或粗化）。FLUENT使用GAMBIT作为前处理软件，它可读入多种CAD软件的三维几何模型和多种CAE软件的网格模型。

在天津欢某水公园实际项目设计中，模拟技术辅助设计具体体现在以下几个方面：

1） 围护结构优化设计：通过计算模拟、理论分析，综合考虑建筑保温、隔热、通风及采光性能，对建筑外墙、外窗及屋面进行优化设计，尤其是冬季外围护结构保温及内表面结露问题。主要应用的模拟软件是Dest。

2） 空调系统节能优化设计：对冬季采暖系统运行策略进行分析研究，从室内空调采暖形式、新风热回收、空调室内运行参数等各方面。通过模拟计算，以期获得较好的空调系统运行节能控制方案。主要用到Dest软件。

3） 自然通风系统优化设计：利用CFD工具，模拟分析过渡季和夏季引入室外新风降温的可能性，计算为满足室内通风降温所需的进出风口位置和面积。在确定窗口参数的情况下，对室内通风情况进行模拟分析，确定室内温度情况及自然通风节能效果。主要用到FLUENT软件。

4） 全年运行能耗分析研究：利用动态负荷数值计算工具对建筑全年能耗进行模拟分析，为空调通风系统设计提供设计依据。主要用到Dest软件。

5） 室内天然采光与照明系统优化设计：通过模拟分析，确定外围护结构的天然采光位置及面积大小，围护结构透光率等参数，从而进行室内照度分析，对室内天然采光水平和质量进行优化设计。主要用到Ecotect软件。

结论：随着建筑形式的复杂程度变高，建筑能耗模拟软件在建筑设计中起到越来越重要的作用。模拟技术在建筑设计的各个阶段都有相应的应用场合，而且模拟技术介入设计阶段越早，所能起到的节能效果就越明显。

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