CN115795607A - 针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法，包括：1)建立整体建筑的全年能耗分析计算模型Energy‑1；2)提取典型时刻建筑墙体温度和室内温度为CFD提供初始和边界边界条件，建立CFD整体模型CFD‑1分析温度分层现象和气流组织；3)根据模型CFD‑1计算结果确定高大空间建筑室内热分区划分范围；4)重新建立能耗分析和CFD双向耦合分析模型Energy‑2和CFD‑2；5)计算夏季或者全年的建筑整体能耗和热舒适指标。本发明提出了建筑能耗计算模型、三维房间计算流体动力学模型以及空调系统设备能效模型三者之间数据耦合传递机制，实现了建筑能耗和热舒适度的双向耦合高效计算，可以为高大空间建筑的分层空调设计方案涉及的负荷计算提供新的技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于绿色建筑节能技术领域，具体涉及一种针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法。
背景技术
高大空间公共建筑如体育建筑、博物馆和高铁站房等因其体量大、人流量大、环境复杂等特征，室内气流组织比较复杂，存在明显的垂直方向热分层现象。当前高大空间暖通空调系统设计难度较高，空调负荷准确计算复杂，容易出现能源浪费问题或者难以保证室内热舒适度品质。因此，如何准确计算分析高大空间建筑能耗和热舒适度对该类建筑节能设计以及后期运营阶段碳排放具有十分重要的工程和经济价值。
为了实现高大空间建筑节能设计，目前国内外普遍采用分层空调设计方案，即先根据空间高度设置空调区和非空调区，仅针对下部或上部局部区域设置空调送风，从而达到夏季空调节能经济的目的。影响分层空调设计效果的其中一个关键因素在于尽量准确计算评估空调负荷。目前空调负荷计算通常采用EnergyPlus或PKPM软件进行室内负荷计算，同时采用三维计算流体力学方法根据负荷计算边界精细化评估室内温度和气流组织，为营造室内热舒适度高品质提供技术参考。然而，上述能耗和热舒适度评估方法存在如下局限和不足：1) EnergyPlus在计算负荷时采用CTF来计算墙体传热，利用热平衡法计算负荷，PKPM基于 DOE-2采用反应系数法求解房间不透明围护传热，采用冷负荷系数法计算房间负荷和房间温度，不考虑各围护结构长波辐射换热；以上两类常用方法主要用于负荷计算，未能详细动态考虑实际运营阶段暖通设备能效比参数，从而限制了这两类方法在后期运维场景能耗动态评估和调控的应用。2)EnergyPlus或者PKPM针对房间室内气流组织和温度空间模拟过于理想，模拟软件在计算时默认室内空气完全混合，与实际高大空间建筑垂直方向温度热分层现象不符，模拟结果与实际情况相差较大，从而在能耗分析方面存在估计不足，如实际情况中我们只需要对行人活动区域进行热区分析和制冷设计。3)虽然目前已有基于能耗软件如 EnergyPlus和CFD耦合分析动态能耗的技术，但该技术受限于CFD计算效率限制和能耗软件空调系统理想模型，未能实现全年室内的能耗的热舒适度耦合计算，无法基于耦合分析技术给出暖通系统运营阶段全年乃至全生命周期内暖通系统能耗指标。
发明内容
针对现有高大空间建筑能耗和热舒适评估技术的不足和缺陷，本发明提供了一种针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法，该方法建立了建筑能耗计算模型、三维房间计算流体动力学计算模型以及空调系统设备能效计算模型三者之间的数据耦合传递机制，实现了建筑能耗和热舒适的双向耦合高效计算，既能够考虑高大空间建筑热分层现象，又能够精准针对关心区域开展能耗和热舒适分析，减少热分层现象引起的能耗模拟误差，同时满足建筑全年能耗模拟计算需求。该方法为高大空间建筑的分层空调设计方案涉及的负荷计算提供了技术支撑，同样也可以为其他民用建筑暖通设计和能耗优化分析提供参考。
本发明所采用的技术方案是：
一种针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合快速评估方法，包括如下步骤：
S1、已知高大空间建筑室内建筑模型和设备布局、建筑热工材料参数信息和暖通空调初步设计方案，确定工程场地典型年气象参数资料，基于常规建筑能耗分析软件如EnergyPlus 建立整体建筑的全年能耗分析计算模型Energy-1，初步计算出整体建筑全年能耗指标、室内空气温度和墙体内外表面温度全年变化情况。
S2、建立三维计算流体动力学模型CFD-1分析高大空间建筑室内整体气流组织分布和降温过程，利用模型Energy-1提供的典型时刻建筑墙体内表面温度和室内空气温度作为 CFD-1模型的墙体边界和初始边界条件，利用分层空调方案提供的空调冷负荷和送风温度作为制冷边界条件。
具体的，典型时刻包括过渡季节、夏季以及冬季的最高和最低温度对应的时刻。
具体地，模型CFD-1分析时长一般保证计算收敛，室内气流组织稳定和室内温度出现稳定的垂直热分层现象。
S3、输出建筑室内温度场和气流组织空间分布情况，提取不同区域位置的温度垂直分布特性曲线，统计室内不同区域温度数值对分区进行评估，同时结合实际室内场地舒适度控制区的平面范围，综合确定高大空间建筑室内热分区划分范围。
S4、根据建筑室内热分区划分范围，建立建筑整体能耗分析和CFD双向耦合分析模型。具体包括：
S41、对原EnergyPlus能耗计算模型Energy-1进行热区分割，同时结合建筑朝向对近地面人员活动区域进行热区划分，建立新的EnergyPlus能耗计算模型Energy-2，用于考虑空调区和非空调区区别计算。
S42、模型Energy-2在每个时间积分步长时刻进行非空调区和空调区的热平衡计算，提取空调区和非空调区界面位置的温度信息。
S43、针对室内空调控制区域，基于Modelica开源程序语言建立考虑零方程湍流模型的快速计算流体动力学模型CFD-2，网格离散方法基于有限体积法，利用步骤S42提供的边界条件进行每个积分步长时刻的室内空间气流组织和温度分布计算。
S44、统计模型CFD-2计算结果并输出室内空调区平均空气温度和热舒适度综合评价指标，热舒适度评价指标具体包括PMV和PPD。
S45、基于Modelica开源程序语言建立分层空调设备系统仿真模型，该模型能耗详细考虑设备系统组件模型热物理过程，可用于动态计算冷热负荷；
S46、利用步骤S44提供的空调区平均空气温度，基于实际空调控制策略和步骤S45建立的分层空调设备系统仿真模型进行系统建筑控制逻辑动态仿真。该控制逻辑能够根据空调区室内温度与理想设置温度的差异动态输出空调冷热负荷。
S47、输出每个积分步长时间空调房间的冷热负荷，并利用该冷负荷量动态控制模型 Energy-2空调区的热平衡计算，从而影响并更新Energy-2模型中非空调区热平衡计算，并输出能耗指标。
S5、设置全年或者夏季模拟时长，重复步骤S4中每个积分步长计算，最终得到考虑能耗分析和CFD双向耦合分析的建筑整体能耗和热舒适指标。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
1)本发明提出的能耗和热舒适度不同尺度耦合模拟评估方法，能够考虑高大空间建筑温度分层现象，同时考虑了近地面空调控制区域热舒适度和能耗的双向耦合影响，能够高效计算全年能耗和室内热舒适度，减少现有分层空调方案能耗模拟技术中能耗和热舒适度模拟误差。
2)本发明提出的方法通过空调设备系统动态仿真，能够分析和控制高大空间建筑局部人员活动区域的能耗和热舒适度指标，能够满足现有实际暖通系统设计中不同热区精细化计算需求，可以为实际设计和运营阶段高大空间建筑暖通系统能耗优化提供新的技术支撑。
附图说明
图1为本发明的针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法流程图；
图2为本发明所研究的建筑能耗Energy-1与Energy-2模型图；
图3为Energy-1模型整体建筑南向外窗内表面温度变化曲线图；
图4为本发明所研究建筑室内空气温度分层云图；
图5为Energy-1模型与Energy-2模型建筑全年空调系统负荷曲线图；
图6为本发明基于Modelica建立的快速计算流体动力学模型CFD-2；
图7为CFD-2模型建筑空调区域平均空气温度变化曲线图；
图8为本发明所研究基于Modelica建立的空调设备系统仿真模型；
图9为EnergyPlus和CFD双向耦合模型全年PMV-PPD热舒适度曲线图；
图10为EnergyPlus和CFD双向耦合模型与Energy-2模型建筑全年空调系统负荷曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出了一种针对高大空间建筑的多尺度耦合快速模拟评估思路，用于指导分层空调设计，通过采用基于Modelica的多物理场系统仿真技术，可以实现空调动态设备模型、建筑能耗模型以及室内三维热舒适CFD模型的耦合分析，能够对高大空间建筑局部人员活动区域的能耗和热舒适度指标进行分析和控制，实现全年能耗和室内热舒适度的高效计算；同时减少了现有能耗模拟技术中空调系统的模拟误差，为实际设计和运营阶段高大空间建筑分层空调的能耗优化提供新的技术支撑。
本发明的针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合快速评估方法，包括以下步骤：
1)已知高大空间建筑室内建筑模型和设备布局、建筑热工材料参数信息和暖通空调初步设计方案，确定工程场地典型年气象参数资料，基于EnergyPlus建筑能耗分析软件建立整体建筑的全年能耗分析计算模型(模型Energy-1)，初步计算出整体建筑全年能耗指标、室内空气温度和墙体内外表面温度全年变化情况。
2)建立三维计算流体动力学模型(模型CFD-1)分析高大空间建筑室内整体气流组织分布和降温过程，利用模型Energy-1提供的典型时刻建筑墙体内表面温度和室内空气温度作为CFD-1模型的墙体边界和初始边界条件，利用分层空调方案提供的空调冷负荷和送风温度作为制冷边界条件。
具体的，典型时刻包括过渡季节、夏季以及冬季的最高和最低温度对应的时刻。
具体的，模型CFD-1分析时长一般保证计算收敛，室内气流组织稳定和室内温度出现稳定的垂直热分层现象。
3)输出建筑室内温度场和气流组织空间分布情况，提取不同区域位置的温度垂直分布特性曲线，统计室内不同区域温度数值对分区进行评估，同时结合实际室内场地舒适度控制区的平面范围，综合确定高大空间建筑室内热分区划分范围。
4)根据建筑室内热分区划分范围，建立建筑整体能耗分析和CFD双向耦合分析模型。
具体地，子步骤1、对原EnergyPlus能耗计算模型Energy-1进行热区分割，同时结合建筑朝向对近地面人员活动区域进行热区划分，建立新的EnergyPlus能耗计算模型Energy-2，用于考虑空调区和非空调区区别计算。
子步骤2、模型Energy-2在每个时间积分步长时刻进行非空调区和空调区的热平衡计算，提取空调区和非空调区界面位置的温度信息。
子步骤3、针对室内空调控制区域，基于Modelica开源程序语言建立考虑零方程湍流模型的快速计算流体动力学模型CFD-2，网格离散方法基于有限体积法，利用子步骤2提供的边界条件进行每个积分步长时刻的室内空间气流组织和温度分布计算。
子步骤4、统计模型CFD-2计算结果并输出室内空调区平均空气温度和热舒适度综合评价指标，热舒适度评价指标具体包括PMV和PPD。
子步骤5、基于Modelica开源程序语言建立分层空调设备系统仿真模型，该模型能耗详细考虑设备系统组件模型热物理过程，可用于动态计算冷热负荷；
子步骤6、利用子步骤4提供的空调区平均空气温度，基于实际空调控制策略和步骤S45 建立的分层空调设备系统仿真模型进行系统建筑控制逻辑动态仿真。该控制逻辑能够根据空调区室内温度与理想设置温度的差异动态输出空调冷热负荷。
子步骤7、输出每个积分步长时间空调房间的冷热负荷，并利用该冷负荷量动态控制模型Energy-2空调区的热平衡计算，从而影响并更新Energy-2模型中非空调区热平衡计算，并输出能耗指标。
5)设置全年或者夏季模拟时长，重复步骤4)中每个积分步长计算，最终得到考虑能耗分析和CFD双向耦合分析的建筑整体能耗和热舒适指标。
本发明所述方法的详细流程如图1所示，下面列举一个实施例来说明本发明所述方法的有效性和可靠性，具体实施步骤如下：
1)已知本发明所研究建筑的初步设计方案，根据建筑平面图纸在建筑能耗分析软件 DesignBuilder中搭建建筑三维模型，同时设置建筑围护结构参数、室内人员活动参数、建筑室内环境设计参数、暖通空调设备参数、照明设备参数等，同时选取工程所在地武汉市典型年气象参数文件，建立整体建筑的全年能耗分析计算模型Energy-1，如图2所示。
具体的，本建筑为武汉市某学校篮球馆建筑，该建筑主体地上一层，总建筑面积为5054.08m2。篮球馆外墙采用钢筋混凝土外墙，传热系数为0.351W/m2.K；篮球馆馆外窗采用双层LoE中空塑钢窗，传热系数为1.978W/m2.K；篮球馆屋面采用钢筋混凝土屋面，传热系数为0.486W/m2.K。篮球馆采用全空气系统，空调室内设计参数为夏季25℃，冬季15℃；室内人员负荷为0.0527人/m2(7h-19h)；设备负荷为1.94W/m2(7h-19h)；照明负荷为15 W/m2(7h-19h)。
根据以上信息，DesignBuilder计算出整体建筑全年室内空气温度、冷热负荷以及换气次数变化曲线，同时输出为EnergyPlus的IDF格式算例文件，通过EnergyPlus输出建筑墙体内表面温度变化情况，由此可知武汉市典型气象年夏季室外最高温为38.75℃(7月31日)，此时对应的整体建筑空调房间外墙内表面温度为33℃、屋面内表面温度35℃、室内空气温度为25℃，东、南、西、北朝向外窗内表面温度分别为34.7℃、35.2℃、40.9℃、34.6℃，建筑南向外窗内表面温度变化曲线如图3所示。
2)建立三维计算流体动力学模型CFD-1分析篮球馆建筑室内整体气流组织分布和降温过程，利用模型Energy-1提供的夏季室外最高温时刻对应的建筑墙体内表面温度和室内空气温度，作为CFD-1模型的墙体边界和初始边界边界条件，利用分层空调方案提供的空调冷负荷和送风温度作为制冷边界条件。
具体地，模型CFD-1分析时长一般保证计算收敛，室内气流组织稳定和室内温度出现稳定的垂直热分层现象。
3)输出建筑室内温度场和气流组织空间分布情况，如图4所示，提取不同区域位置的温度垂直分布特性曲线，统计室内不同区域温度数值对分区进行评估，同时结合实际室内场地舒适度控制区的平面范围，最终确定将篮球场建筑划分为上下两层空间，下层为0～6m，上层为6～18m。
4)根据建筑室内热分区划分范围，建立建筑整体能耗分析和CFD双向耦合分析模型。具体地，包括：
子步骤1：根据模型CFD-1的XFlow输出的室内温度计算结果，采用Designbuilder中 Cut block工具将原EnergyPlus能耗计算模型(Energy-1)划分为上下两层，采用Designbuilder 中Draw Hole工具将空调区域与非空调区域之间的楼板挖除，使得气流与辐射可以通过，建立新的EnergyPlus能耗计算模型Energy-2，如图2所示。其中下层为空调区域，室内设计参数为夏季25℃，冬季15℃；室内人员负荷为0.0527人/m2(7h-19h)；设备负荷为1.94W/m2 (7h-19h)；照明负荷为15W/m2(7h-19h)；上层为非空调区域，未设暖通空调系统，室内人员负荷、设备负荷、照明负荷均不做设置。
子步骤2：选取下层空调区域为研究对象，Energy-2每间隔一个时间积分步长进行一次热平衡计算，室外最高温为38.75℃(7月31日)时对应的整体建筑空调房间外墙内表面温度为33℃、下层空调区域与上层非空调区域边界温度为34℃，下层空调区域室内空气温度为25℃，上层非空调区域室内空气温度为38.5℃。Energy-1模型与Energy-2模型建筑全年空调系统负荷曲线如图5所示。由以上曲线图可知，针对高大空间建筑，仅考虑高大空间建筑局部人员活动区域的能耗和热舒适度指标，可以大大减少暖通空调系统的能耗。
子步骤3：针对下层空调区域，基于Modelica开源程序语言建立考虑零方程湍流模型的快速计算流体动力学模型CFD-2，如图6所示，网格离散方法基于有限体积法。具体的，利用子步骤2提供的边界条件，通过SurfaceIn模块接口进行每个积分步长时刻的室内空间气流组织和温度分布计算，从而影响Energy-2能耗计算模型的结果。
子步骤4：统计CFD-2计算结果并输出下层空调区域平均空气温度，如图7所示。
子步骤5：基于Modelica开源程序语言建立分层空调设备系统仿真模型，如图8所示。具体的，选用空气源VAV暖通空调系统，采用PID控制器控制空调区域房间温度，该模型耗详细考虑了设备系统组件模型热物理过程，可用于后续动态计算冷热负荷。
子步骤6：利用子步骤4提供的下层空调区域平均空气温度，基于实际空调控制策略进行系统建筑控制逻辑动态仿真。具体的，采暖季设置为1、2、3及12月，采暖房间温度设置为15℃(开启时间5h-19h)；制冷季设置为6、7、8及9月，制冷空调房间温度设置为 25℃(开启时间5h-19h)，该控制逻辑能够根据空调区室内温度与理想设置温度的差异动态输出空调制冷负荷。
子步骤7：建立能耗分析和CFD双向耦合分析模型，输出每个积分步长时间空调房间的冷热负荷，并利用该冷负荷量动态控制Energy-2空调区的热平衡计算，从而影响并更新 Energy-2模型中非空调区热平衡计算。
5)模拟建筑全年空调系统负荷，重复步骤4)中每个积分步长计算，最终得到考虑能耗分析和CFD双向耦合分析的建筑整体能耗和热舒适指标。该空调房间全年PMV和PPD热舒适度曲线图如图9所示，基于Energy-2与双向耦合分析模型的全年空调系统冷热负荷曲线对比如图10所示。
综上所述，本发明公开了一种针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合快速评估方法，该方法包括如下步骤：1)基于常规建筑能耗分析软件如EnergyPlus建立整体建筑的全年能耗分析计算模型(模型Energy-1)；2)提取典型时刻建筑墙体温度和室内温度为CFD 提供初始和边界边界条件，建立CFD整体模型(模型CFD-1)分析温度分层现象和气流组织； 3)根据CFD-1计算结果确定高大空间建筑室内热分区划分范围；4)重新建立能耗分析和 CFD双向耦合分析模型(Energy-2和CFD-2)；5)计算夏季或者全年的建筑整体能耗和热舒适指标。本发明提出了建筑能耗计算模型、三维房间计算流体动力学模型以及空调系统设备能效模型三者之间数据耦合传递机制，实现了建筑能耗和热舒适度的双向耦合高效计算，可以为高大空间建筑的分层空调设计方案涉及的负荷计算提供新的技术支撑。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取高大空间建筑室内建筑模型和设备布局、建筑热工材料参数信息和暖通空调初步设计方案，确定高大空间建筑所在场地典型年气象参数资料，基于常规建筑能耗分析软件建立整体建筑的全年能耗分析计算模型Energy-1，初步计算出整体建筑全年能耗指标、室内空气温度和墙体内外表面温度全年变化情况；
S2、建立三维计算流体动力学模型CFD-1分析高大空间建筑室内整体气流组织分布和降温过程，利用模型Energy-1提供的典型时刻建筑墙体内表面温度和室内空气温度作为模型CFD-1的墙体边界和初始边界条件，利用分层空调方案提供的空调冷负荷和送风温度作为模型CFD-1的制冷边界条件；
S3、模型CFD-1输出建筑室内温度场和气流组织空间分布情况，提取不同区域位置的温度垂直分布特性曲线，统计室内不同区域温度数值对分区进行评估，同时结合实际室内场地舒适度控制区的平面范围，综合确定高大空间建筑室内热分区划分范围；
S4、根据建筑室内热分区划分范围，建立建筑整体能耗分析和CFD双向耦合分析模型；
S5、设置全年或者夏季模拟时长，得到能耗分析和CFD双向耦合分析的建筑整体能耗和热舒适指标。
2.根据权利要求1所述的针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法，其特征在于，步骤S4包括：
S41、根据建筑室内热分区划分范围，对模型Energy-1进行热区分割，同时结合建筑朝向对近地面人员活动区域进行热区划分，建立新的能耗计算模型Energy-2，用于空调区和非空调区区别计算；
S42、模型Energy-2在每个时间积分步长时刻进行非空调区和空调区的热平衡计算，并提取空调区和非空调区界面位置的温度信息；
S43、针对室内空调控制区域，基于Modelica开源程序语言建立考虑零方程湍流模型的快速计算流体动力学模型CFD-2，网格离散方法基于有限体积法，利用步骤S42提供的边界条件进行每个积分步长时刻的室内空间气流组织和温度分布计算；
S44、统计模型CFD-2计算结果并输出室内空调区平均空气温度和热舒适度综合评价指标；
S45、基于Modelica开源程序语言建立分层空调设备系统仿真模型，该模型考虑设备系统组件模型热物理过程，用于动态计算冷热负荷；
S46、利用步骤S44提供的空调区平均空气温度，基于实际空调控制策略进行系统建筑控制逻辑动态仿真；
S47、仿真输出每个积分步长时间空调房间的冷热负荷，并利用该冷负荷量动态控制模型Energy-2空调区的热平衡计算，从而影响并更新模型Energy-2中非空调区热平衡计算，并输出能耗。
3.根据权利要求1或2所述的针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法，其特征在于，常规建筑能耗分析软件包括EnergyPlus。
4.根据权利要求1或2所述的针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法，其特征在于，典型时刻包括过渡季节、夏季以及冬季的最高和最低温度对应的时刻。
5.根据权利要求1或2所述的针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法，其特征在于，模型CFD-1分析时长应保证计算收敛，即室内气流组织稳定和室内温度出现稳定的垂直热分层现象。
6.根据权利要求1或2所述的针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法，其特征在于，热舒适度综合评价指标包括PMV和PPD。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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