CN101872380A - 一种降低区域建筑能耗流失的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑气象学、动力机械行业技术领域，具体涉及一种降低区域建筑能耗流失的方法，该方法包括以下步骤：(1)在流体计算软件中建立建筑群等比模型；(2)在流体计算软件中进行模拟自然风的流通，获得建筑群各区域的环境参数；(3)利用所述环境参数计算建筑风环境中能耗流失情况；(4)改变建筑风环境，按照上述步骤(1)-(3)重新计算建筑风环境中能耗流失情况；(5)将步骤(3)、(4)所得到的建筑风环境能耗流失情况进行对比，选出能耗流失最少的方案，从而将建筑布置在最有利于减少能耗的位置。本方法对建筑风环境进行能耗的检测与对比，从而对建筑风环境进行有效的改进和完善，得到降低区域建筑能耗流失的最佳方案。

Description

一种降低区域建筑能耗流失的方法

技术领域

本发明涉及建筑气象学、动力机械行业技术领域，具体涉及一种降低区域建筑能耗流失的方法。

背景技术

随着我国经济的发展、科技的进步，人们对于建筑能耗的研究日益深入，研究风环境问题的传统方法是风洞模拟试验，当前对于新的建筑设计方案可以通过风洞模拟试验检验其风环境的舒适性，对存在难以接受的风环境时应对设计作出修改，对已建成的建筑存在不舒适的风环境时，可以通过设置“流动控制器”(天蓬、篱笆、挡风墙、防风林带、附设建筑物等)改进风环境状况。此外，风环境对建筑本身的能耗也存在着影响，就热带地区而言，流畅的通风环境降低了区域内的温度；而在北方地区，封闭的建筑布局可以减少建筑群的温度流失，所以在风环境中进行能耗测试可以使建筑的布局更节能。

但是，目前尚不存在通过在计算机中模拟风环境来进行建筑能耗测试的方法来规划区域建筑的手段和技术，利用风洞模拟试验只是简单地用于模拟建筑周围风流动情况，无法真正得到降低区域建筑能耗流失的最佳方案。

发明内容

本方法的发明目的是对建筑风环境进行能耗的检测与对比，从而对建筑风环境进行有效的改进和完善，得到降低区域建筑能耗流失的最佳方案。

本发明技术方案是，一种降低区域建筑能耗流失的方法，包括以下步骤：

(1)在流体计算软件中建立建筑群等比模型；

(2)在流体计算软件中进行模拟自然风的流通，获得建筑群各区域的环境参数；

(3)利用所述环境参数计算建筑风环境中能耗流失情况；

(4)改变建筑风环境，按照上述步骤(1)-(3)重新计算建筑风环境中能耗流失情况；

(5)将步骤(3)、(4)所得到的建筑风环境能耗流失情况进行对比，选出能耗流失最少的方案，从而将建筑布置在最有利于减少能耗的位置。

进一步地，所述环境参数为温度、湿度和二氧化碳浓度中的至少一项。

进一步地，所述计算建筑风环境中能耗流失情况的方法包括以下步骤：

a.根据建筑功能将所述建筑群划分区域；

b.通过以下公式计算所述各区域的能耗：能耗＝T*N*E/m³，其中T为所述区域的建筑总体积，E/m³为1立方米空气温度升高或降低1℃或者湿度升高或降低1％需要消耗的单元能耗，N为所述区域的温度或湿度与理想环境的温度或湿度的差值；

c.将所述各区域的能耗相加，即得相应建筑风环境中能耗流失情况。

由于采取了上述技术方案，本发明的有益效果在于：

1.本实验大量采用计算机模拟，使得能耗检测成本减少，时间周期降低、操作简单，使用方便，而且这种模拟方式可以达到比较高的精确度；

2.风洞实验过程中能比较准确地控制实验条件，如气流的速度、压力、温度等，而模型布局可以随意调整以此对比最适合的热舒适度；

3.作为能耗流失的模拟方法，风环境的动态方法可以对能耗检测方法中的每一个环节，以及造成能耗流失的情况都进行严密的监控，有利于直观地解释风环境中建筑造型及布局所造成的能耗流失的关系，以此确立最合适的方案；

4.通过CFD检测进行风环境中的建筑能耗情况，即对当前热量、污染排放、湿度控制等进行模拟来确定外部环境对建筑内部的影响情况并进行规划控制，彻底摆脱了此类软件对于建筑环境单纯模拟的功能。

附图说明

通过以下对本发明的实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1建筑风环境进行能耗测试的动态分析流程图；

图2是前期建筑群分析中数字化分析与模拟技术应用流程图；

图3本次试验中的方案平面图第一次布局示意图；

图4风环境对建筑的影响示意图；

图5本次试验中的方案平面图第二次布局示意图；

图6风洞实验装置平面轮廓示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明涉及一种建筑、风环境、风洞试验及能耗检测实验，即通过CFD软件对建筑风环境能耗进行精确检测，从而对建筑风环境下的能耗情况进行有效的改进和完善的动态分析方法，其具体流程如图1。

Airpak是一种利用空气动力学知识，对建筑截面型线优化(圆，椭圆，抛物线截面型线)的CFD软件(图1)。以他为基础可以精确的计算出建筑群内外环境的重要数据。

1.根据实验要求，在Airpak软件中建立一组建筑群(图2)，这里主要以计算居住建筑和仓储建筑的能耗为主，由于是测试建筑规划中各个建筑相互间的影响，所以所有的建筑只需要建立建筑表面(不需开洞)，把这些模型建造完后，确立模型所在区域的风环境，这里可以设置风向为东偏南，风速为4.2米/秒，温度为34度，湿度为60％，将这些数据输入Airpak，并且在场景中给予适当的风向进行模拟。

2.通过软件模拟来得出当前建筑模型在当地风环境的影响下形成的内部风流影响(图3)，发现高度与风速强弱成正比，且温度较低，建筑间距越小，之间的风速也就越大，离地较近的风在建筑群中会形成涡流，底下的温度较高。而离地较远的风在会从建筑顶上或者旁边流过，温度较低。(图3)

3.接下来就要进行风环境中能耗流失情况的检测，这次建筑布局南侧存在水域，居住建筑内部没有需要保持湿度的功能空间，所以只计算降低温度所消耗的能量。首先要计算当前居住建筑的建筑体积，这个数据从建模中就可以得出，居住建筑数量(5)×建筑长度(50)×建筑进深(13)×建筑高度(18)＝建筑体积(58500)立方米。

接下来计算每立方米建筑降低一度所需要的能量，一般来讲，2匹空调相当于4500W左右的制冷量，大约可用于30平方米左右的空间，按普遍情况的能效比2.8计算，每小时耗电在1600W左右，一直开着每小时耗电约1.6度，由于空气平均密度为1.2kg/m^3，空气的比热为0.24卡/克·度，因此一个1立方米的空间，降温一度需要：

1×1.2×1000×0.24＝288cal，

288×4.2＝1209.6J，

1209.6/4500＝0.27s，

0.27/3600×1.6＝0.00012cal(以后居住建筑温度能耗都可以用这个经验数值)

之后计算当前居住的建筑温度情况，其计算步骤为不开空洞时的建筑温度为达到舒适度所需要降低的温度(这里取26度)，通过软件模拟的情况来看，居住建筑内部温度在不同的部位各不相同，这里为了方便计算，将温度切片切与第一层(即紧贴于地面的温度)，发现5栋建筑内部温度各不相同，边缘2栋由于通风性较好温度较低，而中间建筑内部温度则比较高。

为方便温度的计算对建筑内进行单元划分，由于计算机已经可以对每个平面进行温度切面的分析，并通过颜色区分区域内温度大小。建筑单元划分建立在此基础上(如果要求细腻可以划得更多)，把输出的温度切片图导入到平面软件中，建筑师要在温度分布图上划分单元，每一个被划分的单元内会存在着不同颜色的温度区，单位划分的越小，单位内的颜色差距也就越少，针对每个单元内建筑师可以根据温度颜色大致估计出此局部区域内温度的平均值，把他输入到一个表格中，等到其他单元的数值都被计算出输入表格后一起相加，最后除以单元数就得到了一个温度切片平面内的建筑平均温度。

这里可以把每一个建筑划分成2个等分，则5个建筑总共分成了10分，这是为了解决有些建筑一半较热，一般适中的情况，从模拟情况来看10个等分中有2个等分温度达到35度，1个等分温度达到33度，其余7个接近34度，这样就得出5栋居住建筑的一层平均温度为(35×2+33×1+34×7)/10＝34.1度，之后将切片切与第二层(离地面Z轴3米的地方)，以同样方法得出5栋居住建筑的二层平均温度为34.2度，以此类推，3、4、5、6层和顶楼的建筑温度分别为34度、33.5度、34.2度、34度和34度，则总建筑平均温度为(34.1+34.2+34+33.5+34.2+34+34)/7＝34.03度。减去26度为8.03度，由此就可以分析出，整个居住建筑群所消耗的能量为58500×0.00012×8.03＝56.37cal。

现在对仓储建筑的进行计算，此仓储建筑内存在着科研所需的孵化装置，不但要控制湿度，还要控制温度。其计算步骤与居住建筑温度一致，温度湿度控制中，温湿度控制装置包括温湿度控制器配合加热器，加湿器和空调等，其能耗方式为形成了一套整体的系统，但作为风环境情况下的模拟，环境温差和湿度差的N值肯定有所不同，所以计算方式为仓储能耗＝T*[(N₁*cal₁/m³)+(N₂*cal₂/m³)]，其中N₁表示降低温度的次数，cal₁/m³表示在1立方米内控制1度温度用的电耗，N₂表示降低湿度的次数，cal₂/m³表示1立方米内控制1％湿度用的电耗。其中T＝12750，N₁＝39.5(孵化温度)-34.5(当前仓储平均温度)＝5，cal₁/m³＝0.00036，N₂＝[70％(孵化湿度)-60％(当前仓储平均湿度)]*100＝10，cal₂/m³＝0.0015，则当前仓储建筑能耗为12750×[(5×0.00036)+(10×0.00015)]＝42.08cal

4.这时要根据建筑性质确定建筑的布局方案，本次建筑群中有2座仓储建筑，5座居住建筑和1个大型商业建筑。就舒适度顺序而言，要先满足居住，其次商业，再次为仓储建筑。由于当地夏季主要是东南风，而由模拟结果可知受风力影响最大的东南区域有利于快速降低建筑温度，商业建筑布置在南则会影响北面居住建筑的通风，所以居住建筑会被优先设置在南方，其目的是为了加速风在这里的流通，然后在北侧布置东西向的商业建筑和仓储建筑。

5.根据软件模拟的情况，商业建筑布置在西北侧时由于会遮挡风的流通从而在居住区间形成温度较高的围合空间，从而在居住建筑北面形成了高温，另一方面仓储建筑存在着湿度的要求，要避免通风带走仓储建筑的湿度，所以将大型商业布置在东北侧，减少风流通的影响，仓储建筑设在西北侧即可以留住湿度，另一方面此仓储建筑要求高温条件，设置在这里可以留住温度。

接下来就是建筑师根据先前模拟的风环境对建筑的排列和布局进行微调，达到最合适的布置状态，由于本次演练主要观测居住建筑和仓储建筑的能耗情况，所以主要考虑居住建筑的降温效果和仓储建筑的温湿度控制效果，当建筑师根据分析得出的外部环境参数重新确立完方案后，就可以进行风环境的模拟，测算建筑能耗的流失情况，最终形成了调节后最有利于降低能耗的合理改进方案。

对改进方案重新进行模拟，新布置的方案由于通畅的风环境，大大带走了区域内的热量，这样更接近于理想温度(相对于原先也就降低了空调排除室内热量所需的能耗)，然而东北部区域仍然存有小面积热源，所以可以将第二排居住建筑向西移，增加商业建筑受风的面积来减少聚热区。这样也就通过建筑规划达到了降低能耗的最合理方案(图4)。现在对规划完之后的方案进行能耗计算，与前面方法相同，最终得到整个居住建筑群所消耗的能量为58500×0.00012×7.98＝56.02cal，比前布局居住建筑减少了0.35cal的能耗。

现在来分析下仓储建筑，由于放在背风处，因此此处的温度和湿度被增加了，其新的能耗为12750×[(4.94×0.00036)+(9.96×0.00015)]＝41.72cal，比前仓储建筑总能耗降低了0.36cal的能耗。

这样整个规划方案比先前节省了0.71cal的能耗，由于当前没有进行任何节能措施，只变换建筑布局的情况下完成的，所以能耗差距并不明显，但是错落式的建筑布局增加了内部风的流通情况，使得后一排建筑表面受到的风压和风速比先前增加，有利于今后建筑的节能设计。

6.为了验证方案模拟情况在现实中的可行性，我们要进行风洞模拟(这一步只为验证专利的合理性，可省去)，这次采用风洞实验装置(实验段尺寸：2.5m(w)×2.1m(h)×18.0m(l)，风洞总长：33.0m，实验风速：1-20m/s，风机功率：100kw，可控硅供电且无极调速，如图5、图6)。实验装置包括激光片光瞬时浓度场测量系统、热线风速仪、动态应力应变仪、数据处理及图形显示系统、流动参数常规测试仪器仪表)，将这8块建筑的等比模型置入风洞实验装置中，运用风洞试验装置模拟建筑的风环境；制作完成后将建筑模型置入风洞试验装置中，向装置内输入模拟环境的自然风，模型热环境有改变时，热线风速仪和动态应力应变仪会将处理的数据及图形显示给观察人员；最后通过能量消耗系数的换算得出建筑风环境对能耗的消耗量。通过布局的变化和不同可以显示出2种方案对能耗的影响，布局2的建筑内部环境参数比布局1的建筑内部环境参数略小一点，就建筑外部环境而言，布局2比布局1更有利于通风，这在建筑设计中更有利于通过改善通风来降低建筑能耗，如果在适当区域增加一些节能措施，效果就更明显了。

实施例2：

在公共建筑中的污染浓度取决于人流的密集程度，大体量的建筑内部人流较多会导致的二氧化碳浓度增加，为保证公共建筑空气质量，要采用排污装置，现在对公共建筑要进行排污控制的能耗计算。

假设公共建筑体积T为50*30*15＝22500立方米，现在采用换气扇排出建筑内的空气，其功率为30W，换气量为200m³/h。假设每个角落的空气都要净化，则需要22500÷200＝112.5台换气扇(0.5估算为小功率换气扇)，功率为112.5*30＝3375瓦。

假设建筑为完全密封状态，建筑分为5层，在人流密集时每2平方米一人，则总人数为50*30*5÷2＝3750人，现在计算一人一分钟呼出的二氧化碳量。由已知数据表明，若一个健康人，体重70公斤左右，在不同的情况下呼出的二氧化碳有所区别：

1.休息状态时，每分钟呼出0.25升二氧化碳；

2.当他处于日常的活动状态时，每分钟呼出约1升二氧化碳；

3.从事较为激烈的体力活动，例如慢跑或者有氧健身运动时，每分钟呼出的二氧化碳就将多达2升。

一般而言，处在商业建筑中的人都是处于日常活动状态中，则此建筑在人流较多时1小时会产生3750*60＝225000升的二氧化碳，则1立方米的二氧化碳为225000÷22500(建筑体积)＝10升，1升＝1立方分米＝0.001立方米，则10升＝0.01立方米。

考虑到建筑处送入的空气为新空气，量与排出的量一致为1立方米的空气(一小时内一立方米空间送入的新鲜空气量)，加上建筑固有的空气存在体积减去人的体积为1+1-0.05÷3÷2(建筑中平均1立方米人所占去的体积)＝1.9917立方米，减去人一小时吸入的空气为1.9917-0.01(和呼出空气同等)＝1.9907(此数值是纯空气)；

建筑排出的空气只包括排风扇内排出的气体，即1立方米的空气；

建筑内1小时制造的二氧化碳为0.01立方米；

这样就可以算出，建筑如果不排风的情况下一立方米内一小时内二氧化碳达到1.9907*0.03％+0.01*100％＝0.010597立方米，则二氧化碳浓度为1.059721％，

换气扇再用1小时换出1立方米二氧化碳含量为1.059721％的空气(假定还是不断送入二氧化碳含量为0.003％的空气)，可以把空气的二氧化碳量减到(1.059721％+0.03％)÷2＝0.545％，如果需要将建筑内部空气的二氧化碳含量控制在0.1％，则通风速度要增加为原来的5.45倍，能源一小时内的消耗就变为3375*5.45＝18393.75瓦

有了前面的理论参数(此步骤可以精确计算出没作节能改造时建筑内部环境参数)，现在要增加节能措施来降低能耗，其目标是在不增加能耗和换风机的情况下把二氧化碳含量降到0.3％。在CFD中建立建筑模型(注：建筑层高加设为3.5米，其中0.5米作为通风空间，所以计算在室内换气空间，这样所要计算的区域一层的高度只有3米)，并在南侧送入新鲜空气，由于是完全的无风状态，摄入参数为0.004167米/小时的风源，包换0.03％二氧化碳，由于建筑有5层，则一小时内每一层排出50*30÷2*0.01＝7.5立方米二氧化碳，在离开每一层地面1.5米处设置一个向上的风速为0.00000138米/秒的风源，其属性为纯二氧化碳，共设5处，北侧为换风扇排出区，即向北摄入参数为0.004167米/小时的风源，不作气体属性编辑(由于不改变风扇数量，直接简化为大型的气流排出的风源可以节省计算量)。

现在就对模型进行CFD模拟，发现建筑内测的二氧化碳含量很高，越偏向于北面浓度越大。为改善建筑排污能力，在建筑中央开设连通1层到5层的通风道，为了保证建筑排气不单单通过北部通风口，而且可以从中间的管道排出屋顶以外(此项节能技术为屋顶排风技术)，由于外部环境模拟为无风环境，所以要模拟此处的排污能力，在底面向上设置参数为0.004167米/小时的风源，包换0.03％二氧化碳，顶上设置排出风源区。另一方面可以在室内种植大量的绿化来净化空气，预计每一层1500平方米的面积上留5％的区域种植植物，每平方米植物一小时吸收0.05千克二氧化碳并排出氧气，而1立方米二氧化碳为1.977千克，要在靠建筑南侧和北侧(植物药光合作用)布置0.05*1500*5％*2÷1.977÷60²＝0.001054米/秒的长条型风源(此风源属性设置为纯氧，由于植物吸收二氧化碳又吐出氧气，所以要乘以2)，每层2个，共10个此类风源，总面积为225平方米的区域。

现在对布置完节能方案的模型重新进行CFD模拟，模拟后得出的建筑含氧量明显曾高了，但由于模拟图像只是在颜色上区分区域内部的含氧量，不能精确计算数值，所以这里也要对建筑每一层切片并分割，其方法和实例1一致，通过不同层面的颜色得出此处含氧区的具体数值，相加后除以平均数得出改造后的建筑排污技术使得室内平均二氧化碳含量达到了0.32％，接近预期的目标。

由此可见，降低区域建筑能耗流失的方法可以即时的检测出能耗的变化，从而进行建筑布局甚至造型的规划设计，得出合理的方案，因此该技术可以简便地运用到建筑设计和城市规划领域。

Claims (3)

1.一种降低区域建筑能耗流失的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在流体计算软件中建立建筑群等比模型；

(2)在流体计算软件中进行模拟自然风的流通，获得建筑群各区域的环境参数；

(3)利用所述环境参数计算建筑风环境中能耗流失情况；

(4)改变建筑风环境，按照上述步骤(1)-(3)重新计算建筑风环境中能耗流失情况；

(5)将步骤(3)、(4)所得到的建筑风环境能耗流失情况进行对比，选出能耗流失最少的方案，从而将建筑布置在最有利于减少能耗的位置。

2.根据权利要求1所述的降低区域建筑能耗流失的方法，其特征在于，所述环境参数为温度、湿度和二氧化碳浓度中的至少一项。

3.根据权利要求1所述的降低区域建筑能耗流失的方法，其特征在于，所述计算建筑风环境中能耗流失情况的方法包括以下步骤：

a.根据建筑功能将所述建筑群划分区域；

b.通过以下公式计算所述各区域的能耗：能耗＝T*N*E/m³，其中T为所述区域的建筑总体积，E/m³为1立方米空气温度升高或降低1℃或者湿度升高或降低1％需要消耗的单元能耗，N为所述区域的温度或湿度与理想环境的温度或湿度的差值；

c.将所述各区域的能耗相加，即得相应建筑风环境中能耗流失情况。

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