CN111488644A - 一种基于中庭天窗材质的高大空间能耗优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于中庭天窗材质的高大空间能耗优化方法，本方法包括以下步骤：收集确定研究建筑的相关信息，根据研究建筑信息分别建立能耗分析模型和CFD模型，接着通过EnergyPlus模拟得到中庭各表面温度作为边界条件输入到CFD模型中，进一步通过CFD模拟得到中庭区域的热分层特性，然后将热分层特性输入到能耗分析模型中得到高大空间能耗数据，最后设置N(N≥1)种中庭天窗材质，重复上述过程可以得到多组能耗数据，对比分析可以得出最优中庭天窗材质。该发明方法可以准确计算高大空间的能耗，减少中庭区域由于温度分层现象产生的误差，优化高大空间前期建筑设计，减少空调能耗。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其是涉及一种基于中庭天窗材质的高大空间能耗优化方法。
背景技术
大型公共建筑一般都属于高大空间，这类建筑的能源消耗非常巨大，特别是暖通空调能源的消耗，在能源危机的大背景下，正确预测这类建筑能耗有助于在设计阶段减少暖通空调能耗。高大空间内部普遍存在热分层现象，目前热分层现象对于高大空间空调能耗的影响研究较少，热分层现象对高大连续空间能耗的影响是未知的。通过天窗的太阳辐射是造成热分层现象的主要原因，减少进入室内的太阳辐射也可以减少室内热湿负荷从而减少空调能耗。
发明内容
针对以上问题，本发明目的是评估中庭天窗材质对于高大空间能耗的影响，增加能耗模拟的精确性，进一步提出了一种基于中庭天窗材质的高大空间能耗优化方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于天窗材质和中庭高度的连续空间能耗优化方法。包括以下步骤：
(1)收集目标建筑的相关信息，包括：气象参数数据，建筑体型尺寸信息，建筑围护结构信息，空调系统形式，建筑内部负荷信息；
(2)根据步骤(1)收集的建筑信息，在Gambit软件中建立CFD模型和在Sketchup软件中
(3)将能耗分析模型导入到EnergyPlus中，设置围护结构信息，建筑内部负荷信息，空调系统形式等相关信息，设置好负荷和空调的计划表，定义高大空间内部通风路径，运行模拟并根据需要的数据设定输出结果，输出中庭各表面温度和各区域温度；
(4)在Gambit软件中对CFD模型进行网格划分，然后将划分好网格的CFD模型导入到Fluent中，根据步骤(3)中输出的中庭区域的各表面温度和高大空间各区域温度在Fluent中设置边界条件，并设置求解条件，通过模拟得到中庭区域的分层特性；
(5)将步骤(4)得到的热分层特性导入到能耗分析模型中，通过EnergyPlus模拟得到高大空间的能耗数据；
(6)设定N(N≥1)种中庭天窗材质，重复进行步骤(3)、(4)和(5)可以得到多组能耗数据，对比分析得到能耗最低的中庭天窗材质。
进一步，在步骤(2)所述的CFD模型是通过Gambit软件建立的三维几何模型，该模型只建立高大空间中庭区域，步骤(4)中庭与其他区域连通部分边界条件采用壁面温度边界条件，其温度数据采用相邻空调区温度。
进一步，在步骤(2)所述的能耗分析模型是由Sketchup建立的可由EnergyPlus识别的三维几何模型，该模型是高大空间整体模型，其通风路径设置由Natural Ventilationand Duct Leakage模块中Airflow Network进行设定，步骤(5)中将CFD模拟得到的热分层特性导入到能耗分析模型中的Room Air Models模块中Room Air：Temperature Pattern：User Defined进行设定。
本发明采用建筑能耗模拟软件EnergyPlus和计算流体力学软件Fluent联合模拟，先通过EnergyPlus模拟得到高大空间中庭区域各内表面温度和高大空间各区域温度，接着将得到高大空调中庭区域各内表面温度和高大空间各区域温度作为CFD模型的边界条件，通过Fluent模拟可以得到高大空间中庭区域的热分层特性，然后将中庭的热分层特性导入到能耗分析模型中模拟得到高大空间的暖通空调能耗，进一步设定N(N≥1)种中庭天窗材质重复以上步骤可以得到N组能耗数据。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的有益效果：
(1)当前的建筑能耗模拟技术，大多都没有考虑高大空间的热分层现象，本发明考虑了高大空间热分层现象，减少由于热分层现象造成的能耗模拟误差，增加能耗模拟的准确性；
(2)通过优化高大空间中庭天窗材质可以减少进入室内的太阳辐射，从而减小建筑室内热湿负荷；
(3)本发明可以在建筑设计初期准确预测高大空间建筑暖通空调能耗，优化高大空间建筑设计。
附图说明
图1本发明能耗优化方法流程图
图2本发明实施例中目标建筑CFD模型
图3本发明实施例中目标建筑能耗分析模型
图4本发明实施例中人员负荷信息
图5本发明不同中庭天窗材质下的中庭内部热分层特性图
具体实施方式
下面结合具体附图和南京地区某客运站房实例，对本发明的实施方式进行详细说明，以验证该方法的有效性和可行性。应当说明，此处所描述的具体实施例只是用于解释本发明，并不是限定本发明的应用范围。图1所示为本发明能耗优化方法流程图。
实施例
本实施例所述的一种基于中庭天窗材质的高大空间能耗优化方法，包括如下步骤：
(1)收集目标建筑的相关信息，包括：气象参数数据，建筑体型尺寸信息，建筑围护结构信息，空调系统形式，建筑内部负荷信息。
(2)根据步骤(1)收集的建筑信息，在Gambit软件中建立CFD模型和在Sketchup软件中建立能耗分析模型，其中CFD模型只建立中庭区域，能耗分析模型则建立高大空间整体模型。所述能耗分析模型是由Sketchup软件绘制，所述插件为Euclid。图2所示为本发明实施例中目标建筑CFD模型，图3所示为本发明实施例中目标建筑能耗分析模型。
(3)将能耗分析模型导入到EnergyPlus中，设置围护结构信息，建筑内部负荷信息，空调系统形式等相关信息，设置好负荷和空调的计划表，定义高大空间内部通风路径，运行模拟并根据需要的数据设定输出结果，输出中庭各表面温度和各区域温度。
(4)在Gambit软件中对CFD模型进行网格划分，然后将划分好网格的CFD模型导入到Fluent中，根据步骤(3)中输出的中庭区域的各表面温度和高大空间各区域温度在Fluent中设置边界条件，并设置求解条件，通过模拟得到中庭区域的分层特性。
(5)将步骤(4)得到的热分层特性导入到能耗分析模型中，通过EnergyPlus模拟得到高大空间的能耗数据。
(6)设定4种中庭天窗材质，具体信息见表1，重复进行步骤(3)、(4)和(5)可以得到多组能耗数据，对比分析得到能耗最低的中庭天窗材质。
实施例中目标建筑是南京地区的一个小型客运站房，该高大空间共2层，客运站内部带有一个中庭，一层层高为4.5m，二层层高为5m，中庭的高度为12m，整个建筑的平面尺寸为50mX52m，其中中庭区域平面尺寸为24mX15m。该建筑总面积为4520m2。
客运站房的运营时间为6：00-19：00，模拟所用气象数据采用EnergyPlus官网下载的南京地区典型年气象数据，建筑的围护结构详细信息见表2，暖通空调形式采用变制冷剂空调系统(VRF)，空调运行时间与车站运营时间相同，内部负荷信息根据实地调研获取的信息设定。
根据建筑相关信息，对该客运站房夏季设计日7月21日14时进行能耗模拟，先在EnergyPlus中设置好收集的围护结构信息，空调系统形式和建筑内部负荷(包括人员，灯光和设备)，然后设置算法，建筑内表面对流传热算法设置为TARP，建筑外表面对流传热算法设置为DOE-2，热平衡算法设置为Conduction Transfer Function，区域间的热平衡算法设置为Third Order Back Ward Difference，其他设置详见表3。最后设定输出结果，包括：室外环境温度，建筑内表面温度，各个区域的空气温度和暖通空调能耗。
改变不同的中庭天窗材质进行模拟，Case1，Case2，Case3和Case4分别对应单层6mm玻璃，双层玻璃，单层6mm low-e玻璃和双层low-e玻璃。
EnergyPlus模拟得到无热分层的中庭的结果作为CFD模型的边界条件，见表4。
在CFD模型只建立客运站房中庭部分，其边界条件按照表4设定，其中东墙(下)和南墙(下)的温度是采用与中庭相邻的区域的空气温度，下部开口为压力进口，上部开口为压力出口。
表1天窗材质的物理性质
表2客运站房围护结构信息
表3 EnergyPlus设置信息
表4 CFD模型的边界条件
通过CFD模拟可以得到中庭区域的温度场，在中庭中心的高度方向上建立温度测点，第一点为0.5m，其后每隔1m建立一个测点，最后一点为11.5m，共12个测点。
不同中庭天窗材质下的客运站房中庭温度分层信息见图5。
从4种中庭天窗材质下的热分层信息中可以看出，当中庭天窗材质为单层6mm玻璃和单层6mm low-e玻璃时室内热分层结果相差不大，在高度方向上呈现一个温度梯度；当中庭天窗材质为双层玻璃时，中庭内部温度偏高，在高度方向上呈现3个温度梯度；当中庭天窗材质为双层low-e玻璃时，中庭内部整体温度偏低，在高度上呈现两个温度梯度。
中庭内部产生温度分层现象形成的主要原因时透过中庭天窗的太阳辐射，从CFD模型的模拟结果可以看出中庭天窗采用low-e玻璃时中庭内部可以获得较低的室内温度。
进一步，将CFD模拟得到的热分层特性输入到能耗分析模型中，通过EnergyPlus模拟得到热分层环境下客运站房在夏季设计日7月21日14时的客运站房暖通空调能耗。结果见表5。
表5客运站房能耗模拟结果
从能耗模拟结果可以看出当中庭材质为双层low-e玻璃时客运站房的暖通空调能耗最低，因此可以确定最优中庭天窗材质为双层low-e玻璃。
以上所述实施例，仅仅是对本发明的技术方案的实施方式进行进一步详细说明，应当说明的是，以上所述只是本发明的具体实施例，并非是对本发明进行限制，在不违背本发明的设计精神和原则的前提下，所做的任何修改、变形、改进等，均应落入本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于中庭天窗材质的高大空间能耗优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)收集目标建筑的相关信息，包括：气象参数数据，建筑体型尺寸信息，建筑围护结构，空调系统形式，建筑内部负荷信息；
(2)根据步骤(1)收集的建筑信息，分别建立CFD模型和能耗分析模型，其中CFD模型只建立中庭区域，能耗分析模型则建立高大空间整体模型；
(3)将能耗分析模型导入到EnergyPlus中，设置围护结构信息，建筑内部负荷信息，空调系统形式等相关信息，运行模拟并根据需要的数据设定输出结果，输出中庭各表面温度和各区域温度；
(4)将CFD模型导入到Fluent中，根据步骤(3)中输出的中庭区域的各表面温度和高大空间各区域温度在Fluent中设置边界条件，并设置求解条件，通过模拟得到中庭区域的分层特性；
(5)将步骤(4)得到的热分层特性导入到能耗分析模型中，通过EnergyPlus模拟得到高大空间的能耗数据；
(6)设定N(N≥1)种中庭天窗材质，重复进行步骤(3)、(4)和(5)可以得到多组能耗数据，对比分析得到能耗最低的中庭天窗材质。
2.根据权利要求1所述的高大空间能耗优化方法，其特征在于：步骤(2)所述的CFD模型只建立高大空间中庭部分也就是会产生热分层的区域，而步骤(2)中所述的能耗分析模型则建立高大空间整体模型。
3.根据权利要求1所述的高大空间能耗优化方法，其特征在于：步骤(2)中所述的CFD模型是通过gambit软件建立的三维几何模型，步骤(4)中庭与其他区域连通部分的边界条件采用壁面温度边界条件，其温度数据采用相邻空调区温度。
4.根据权利要求1所述的高大空间能耗优化方法，其特征在于：步骤(2)中所述能耗分析模型是由Sketchup建立的可由EnergyPlus识别的三维几何模型，其通风路径设置由Natural Ventilation and Duct Leakage模块中Airflow Network进行设定，步骤(5)中将CFD模拟得到的热分层特性导入到能耗分析模型中的Room Air Models模块中Room Air：Temperature Pattern：User Defined进行设定。
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