尤 偉 秦孟昊 丁沃沃

(南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 南京 210093)

節(jié)能立面開(kāi)口設(shè)計(jì)的綜合模擬方法

尤 偉 秦孟昊 丁沃沃

(南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 南京 210093)

針對(duì)建筑外立面開(kāi)口形式設(shè)計(jì)的分析需要,探討了適合方案階段建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的采光、傳熱及自然通風(fēng)綜合分析方法.通過(guò)采用設(shè)計(jì)案例分析的方法,對(duì)現(xiàn)有采光及自然通風(fēng)模型的模擬性能(精度、速度、建模難度)進(jìn)行了比較.結(jié)果表明,采光系數(shù)模型以及空氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型比較適合于方案階段的采光及自然通風(fēng)綜合分析;在反映開(kāi)口設(shè)計(jì)形式變化的影響規(guī)律方面,相比目前應(yīng)用廣泛的Radiance采光模型以及CFD(computational fluid dynamics)軟件通風(fēng)模型,Energyplus模型計(jì)算的采光量、通風(fēng)量及能耗誤差均在10%以內(nèi).此外,在利用空氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行自然通風(fēng)計(jì)算時(shí),需要采用非均勻風(fēng)壓系數(shù)邊界條件以準(zhǔn)確反映開(kāi)口位置變化的影響.

建筑外立面開(kāi)口;天然采光;傳熱;自然通風(fēng);綜合模擬技術(shù)

建筑外立面開(kāi)口(圍護(hù)結(jié)構(gòu)透明部分)形式不僅對(duì)建筑外形影響較大,而且其構(gòu)造尺寸的變化還會(huì)同時(shí)影響房間的天然采光、傳熱以及自然通風(fēng),因此需要探索出一種適合于建筑方案階段的綜合分析方法，以幫助建筑師在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行綜合判斷.

計(jì)算機(jī)軟件模擬技術(shù)(如Energyplus[1],TRNSYS[2]等軟件模擬計(jì)算)是一種進(jìn)行建筑外立面開(kāi)口設(shè)計(jì)綜合分析的有效分析方法.為了提高軟件的分析性能,一些研究人員發(fā)展出不同軟件聯(lián)合模擬的方法[3-4].但這些研究多偏重于純技術(shù)層面,注重對(duì)模擬精度的改進(jìn),而較少?gòu)脑O(shè)計(jì)操作層面評(píng)估模擬方法的性能.由于建筑幾何形態(tài)受多種因素的制約因而存在較大的不確定性,方案設(shè)計(jì)并不追求絕對(duì)精度,更主要關(guān)注模型能否準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)變化的相對(duì)影響規(guī)律.另一方面,方案階段一般時(shí)間都比較有限,因此對(duì)計(jì)算速度、建模難度及操作性都有一定的要求,而目前較少有研究從綜合層面針對(duì)方案階段的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行建筑天然采光、傳熱及自然通風(fēng)綜合模擬方法的探索.

本文通過(guò)對(duì)目前常用的2種天然采光模型以及2種自然通風(fēng)模型應(yīng)用于建筑典型空間單元立面開(kāi)口形式的天然采光、傳熱及自然通風(fēng)綜合分析比較,探索適用于建筑方案階段外立面開(kāi)口形式設(shè)計(jì)的高效模擬方法.

1 面向方案設(shè)計(jì)的模型綜合策略分析

在天然采光領(lǐng)域,目前常用計(jì)算模型有Radiance[5]模型及采光系數(shù)(daylight factor)模型,在自然通風(fēng)計(jì)算領(lǐng)域,常用模型有CFD(computational fluid dynamics)軟件模型以及空氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型(airflow network model).由于這些模型在建模難度、計(jì)算精度和計(jì)算速度方面存在較大的差異,因此根據(jù)不同的研究?jī)?nèi)容需要進(jìn)行仔細(xì)比較和選擇.

1.1 天然采光模型

Radiance模型計(jì)算精度較高[6]，在與能耗軟件聯(lián)合計(jì)算過(guò)程中,由于2種軟件模型定義方式不同,需要在軟件間手動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和傳遞,因而建模較為復(fù)雜,此外,Radiance采用的光影跟蹤算法是進(jìn)行全局光照度計(jì)算,計(jì)算較為費(fèi)時(shí),這些對(duì)方案階段的分析均較為不利.采光系數(shù)模型(如Energyplus)經(jīng)常被作為計(jì)算模塊內(nèi)置于能耗計(jì)算軟件中,建模較為方便，但就計(jì)算精度而言,采光系數(shù)模型要低于Radiance模型.根據(jù)Yun等[7]的試驗(yàn)研究表明,2種模型在室內(nèi)光照分布的計(jì)算上存在較大的差距.

1.2 自然通風(fēng)模型

CFD軟件模型可以反映流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上基本物理量(如速度、溫度等)的分布,具有較高的計(jì)算精度.但該方法也存在一些局限,在利用CFD軟件模型進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算時(shí)需要在計(jì)算區(qū)域內(nèi)劃分足夠細(xì)的網(wǎng)格,計(jì)算十分耗時(shí).同時(shí),在與能耗軟件聯(lián)合計(jì)算時(shí),不同軟件需要在每一步計(jì)算步長(zhǎng)下相互提供邊界條件而進(jìn)行收斂計(jì)算,因而建模十分復(fù)雜.空氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型與采光系數(shù)模型相似,也經(jīng)常作為計(jì)算模塊內(nèi)置于能耗軟件中,建模相對(duì)容易,計(jì)算速度較快.對(duì)空氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)研究[8]表明,該模型由于假設(shè)空氣完全均勻混合而給模擬結(jié)果帶來(lái)了一定誤差,此外,模擬精度與一些系數(shù)(比如風(fēng)壓系數(shù))設(shè)定有關(guān).

2 建筑空間分析模型設(shè)定

建筑空間分析模型的設(shè)定包括計(jì)算房間的外部環(huán)境(周邊建筑、外立面添加物)、房間及立面尺寸構(gòu)造以及內(nèi)部功能(人員、設(shè)備).由于本研究關(guān)注的是不同模型對(duì)于立面開(kāi)口形式變化應(yīng)用的分析,探討有效的模擬方法,因此對(duì)于外部環(huán)境、墻體構(gòu)造以及內(nèi)部人員設(shè)備的設(shè)定均簡(jiǎn)化考慮,僅作為初始條件參與計(jì)算.假設(shè)模擬對(duì)象位于一個(gè)平坦的空曠場(chǎng)地中,不考慮周邊建筑及外立面添加物的影響.建筑功能以辦公建筑為例討論,墻體構(gòu)造采用目前常用的公共建筑墻體做法,室內(nèi)熱擾為常見(jiàn)的人員、照明(燈)以及設(shè)備(電腦)共3項(xiàng).

2.1 建筑幾何形態(tài)

2.1.1 計(jì)算房間及朝向

建筑的房間形狀及尺寸對(duì)室內(nèi)光照及風(fēng)場(chǎng)分布均有較大影響,但在設(shè)計(jì)過(guò)程中,建筑師往往更多地是從功能、結(jié)構(gòu)等方面著手設(shè)計(jì).本研究以矩形平面空間作為模擬計(jì)算的房間單元,這種空間形狀使用方便,在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛.計(jì)算房間為南向和北向2個(gè)房間組成的兩區(qū)域空間,2房間通過(guò)門(mén)相連,這種空間特點(diǎn)可以表達(dá)典型的南向及北向建筑空間采光及多區(qū)域自然通風(fēng)特性,對(duì)于房間單元尺寸的設(shè)計(jì)參考了住宅、旅館、板式辦公樓等常見(jiàn)民用建筑的常用尺寸,開(kāi)間、進(jìn)深及層高分別設(shè)定為3.6,4.5,3.6 m.

2.1.2 外立面開(kāi)口尺寸及位置

在立面開(kāi)口設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要考慮規(guī)范、結(jié)構(gòu)、使用習(xí)慣等方面,如辦公建筑的辦公室、接待室等房間的窗地面積比應(yīng)不小于1∶6[9].窗體的位置需要避讓結(jié)構(gòu)梁,可開(kāi)啟窗扇位置不宜過(guò)低,否則窗扇開(kāi)啟不便且物體易從窗洞口墜落.

建筑外立面開(kāi)口形式變化包括面積、形狀及位置3方面,本文選擇位置變化作為模型性能分析的比較內(nèi)容.這主要是由于位置變化不僅與立面形式關(guān)系密切,而且會(huì)影響室內(nèi)空氣流場(chǎng)和光照度分布特征,能有效地反映模型的模擬能力.圖1為研究設(shè)定的9種設(shè)計(jì)變化(Aa,Ab,Ac,Ba,Bb,Bc,Ca,Cb,Cc),南北向外墻立面開(kāi)口均為矩形窗體,窗洞口寬1.2 m,高2.1 m,窗臺(tái)高0.9 m.窗扇類(lèi)型包括可開(kāi)啟窗扇和固定窗扇2類(lèi),可開(kāi)啟窗扇采用常用的推拉窗,開(kāi)啟窗扇單扇寬0.6 m,高1.6 m,固定窗扇寬1.2 m,高0.6 m.南側(cè)立面窗體位置考慮居左、居中、居右3種典型的位置,如圖1(b)～(d)所示.北側(cè)立面窗體為居中方式不變.為充分反映設(shè)計(jì)變化對(duì)房間內(nèi)空氣流場(chǎng)以及光照分布的影響,在南側(cè)立面窗體居左、居中、居右3種情況下分別同時(shí)考慮內(nèi)墻門(mén)居左、居中、居右3種變化.

2.2 材料及構(gòu)造

表1是研究中采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及主要構(gòu)造,這些構(gòu)造參考了目前我國(guó)建筑工程實(shí)踐中常用的建筑材料及構(gòu)造方式.

(a) 計(jì)算房間及尺寸

(b) 南立面窗口居左布置

(c) 南立面窗口居中布置

(d) 南立面窗口居右布置

表1 材料構(gòu)造做法

2.3 室內(nèi)人員及設(shè)備

我國(guó)現(xiàn)行的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》針對(duì)不同的建筑類(lèi)型中室內(nèi)照明、人員及設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定[10].本文以辦公建筑的辦公室為例進(jìn)行設(shè)定,其熱擾量分別為11,4,20 W/m2.

3 模擬方法

采用Energyplus,Daysim/Radiance[11]以及Airpak/CFD[12]作為模擬工具.Energyplus是美國(guó)能源部開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)能耗模擬軟件.Daysim/Radiance是加拿大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在Randiance的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)采光計(jì)算工具.Airpak/CFD是美國(guó)Fluent公司開(kāi)發(fā)的通風(fēng)模擬工具,其計(jì)算內(nèi)核為專(zhuān)業(yè)CFD求解器Fluent.

模擬過(guò)程分為2步:① 根據(jù)建筑空間分析模型的設(shè)定，分別建立Energyplus模型、Daysim-Energyplus聯(lián)合計(jì)算模型以及CFD-Energyplus聯(lián)合計(jì)算模型,模擬對(duì)象位于夏熱冬冷地區(qū)典型城市南京(N32, E118).氣象數(shù)據(jù)采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)(Chinese standard weather data, CSWD)[13].為方便不同模型在計(jì)算中對(duì)數(shù)據(jù)的提取和傳遞,采用Matlab軟件編寫(xiě)了數(shù)據(jù)自動(dòng)提取和處理程序.② 對(duì)不同模型應(yīng)用于立面開(kāi)口形式進(jìn)行分析和有效性比較.在模型的有效性比較中,研究分為Energyplus與Daysim-Energyplus在天然采光模擬方面的性能比較,以及Energyplus與CFD-Energyplus在自然通風(fēng)模擬方面的性能比較兩類(lèi).

對(duì)于天然采光分析,研究采用動(dòng)態(tài)采光參數(shù)DA(daylight autonomy)和UDI(useful daylight illuminance)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[14].DA表示的是全年工作時(shí)間范圍內(nèi)室內(nèi)工作面參考點(diǎn)完全由天然采光滿足設(shè)計(jì)要求的時(shí)間百分?jǐn)?shù).UDI是指全年工作時(shí)間范圍內(nèi)室內(nèi)工作面參考點(diǎn)的天然采光量達(dá)到有效范圍的時(shí)間百分?jǐn)?shù).根據(jù)Nabil等[14]的研究建議,室內(nèi)光照度的有效范圍為100～2 000 lx,據(jù)此UDI可分為UDI<100,UDI100～2 000,UDI>2 000三部分,分別表示低于下限值(<100 lx)、達(dá)有效值(100～2 000 lx)以及高于上限值(>2 000 lx)的全年光照時(shí)間百分?jǐn)?shù).

3.1 Energyplus模型

研究中采用的Energyplus計(jì)算模型主要包括建筑能耗模擬基本模塊、天然采光模塊以及自然通風(fēng)模塊,各計(jì)算模塊的主要設(shè)定內(nèi)容見(jiàn)圖2.

圖2 Energyplus采光、傳熱及自然通風(fēng)模擬主要設(shè)定參數(shù)

1) 建筑能耗模擬基本模塊是Energyplus進(jìn)行基本的傳熱分析設(shè)定的模擬參數(shù),項(xiàng)目較為繁雜,包括總體模擬控制、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)描述、室內(nèi)熱擾設(shè)定、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定等多個(gè)部分.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面換熱及熱平衡方程分別選擇采用“Detialed”模型和“ConductionTransferFunction”模型.對(duì)于維護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件,外墻采用室外(outdoor)邊界條件,內(nèi)墻采用表面(surface)邊界條件.窗體與所屬立面墻體邊界條件一致.HVAC (heating, ventilating and air conditioning)系統(tǒng)設(shè)定是Energyplus較為復(fù)雜的一項(xiàng)設(shè)定,但由于HVAC系統(tǒng)不是研究的重點(diǎn),故選擇了較為簡(jiǎn)單的理想空調(diào)系統(tǒng)(ideal loads air system),采暖及空調(diào)控制溫度分別為18和26 ℃.

2) 天然采光模擬采用Daylighting/Detialed模塊,該模塊主要由天然采光控制項(xiàng)(daylighting:control)進(jìn)行設(shè)定,包括房間計(jì)算點(diǎn)、照明設(shè)備功率、照明控制方式等參數(shù)的設(shè)定.南向房間和北向房間各分別設(shè)定2個(gè)計(jì)算點(diǎn),所有計(jì)算點(diǎn)位于房間的中軸線上,一點(diǎn)距離房間外墻1 m,另一點(diǎn)距離房間內(nèi)墻1 m,高度0.9 m,從南向北各參考點(diǎn)依次設(shè)定為P1,P2,P3,P4.室內(nèi)工作面光照度要求設(shè)定為300 lx.照明設(shè)備控制的模式設(shè)定為連續(xù)漸變模式(continues dimming control).

3) 自然通風(fēng)模擬采用了空氣流動(dòng)網(wǎng)格模塊,該模塊設(shè)定參數(shù)包括模擬控制、通風(fēng)口大小位置、外部計(jì)算參考節(jié)點(diǎn)、風(fēng)壓系數(shù)等幾個(gè)子項(xiàng).在窗開(kāi)啟模式上,Energyplus提供了多種控制模式.在溫度控制模式下,當(dāng)室內(nèi)空氣溫度大于室外空氣溫度且室內(nèi)空氣溫度大于設(shè)定溫度時(shí),建筑門(mén)窗自動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng).在連續(xù)通風(fēng)模式下,門(mén)窗始終保持開(kāi)啟.本研究在計(jì)算全年采光及自然通風(fēng)條件下的總能耗時(shí)采用溫度控制模式,調(diào)用HVAC系統(tǒng)模塊計(jì)算能耗,氣象數(shù)據(jù)采用CSWD的EPW (Energyplus weather file)全年數(shù)據(jù).在比較不同通風(fēng)模型應(yīng)用于開(kāi)口設(shè)計(jì)的通風(fēng)性能時(shí),為保持窗體始終開(kāi)啟通風(fēng),采用連續(xù)通風(fēng)模式,且不調(diào)用HVAC系統(tǒng)模塊,氣象數(shù)據(jù)采用CSWD的DDY(design conditions design day data file)夏季設(shè)計(jì)日參數(shù)(7月21日),最高溫度為30 ℃,溫差變化范圍為6.6 ℃,風(fēng)向?yàn)槟掀珫|30°.風(fēng)壓系數(shù)是窗體節(jié)點(diǎn)的重要邊界條件,目前Energyplus默認(rèn)設(shè)定為表面平均風(fēng)壓系數(shù),該設(shè)定采用的是整個(gè)立面的風(fēng)壓系數(shù)平均值,在反映開(kāi)口位置變化時(shí)存在一定的局限,因此研究探討采用非平均風(fēng)壓系數(shù)來(lái)反映開(kāi)口位置對(duì)自然通風(fēng)影響.南側(cè)立面窗洞口位于左、中、右時(shí),采用非平均風(fēng)壓系數(shù)分別設(shè)定為0.37,0.76和0.97,采用平均風(fēng)壓系數(shù)均設(shè)定為0.65.

3.2 Radiance與Energyplus聯(lián)合采光模擬

在Daysim/Radiance與Energyplus軟件進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算中,Radiance首先計(jì)算參考點(diǎn)的采光因數(shù)(daylight coefficient),再通過(guò)利用天空模型計(jì)算逐時(shí)的室內(nèi)光照度,在此基礎(chǔ)上通過(guò)不同的照明控制策略計(jì)算照明設(shè)備的照明能耗.該照明能耗為能耗軟件的室內(nèi)照明熱擾提供了參數(shù)設(shè)定依據(jù),如圖3所示.Daysim/Radiance采用的是Perez全天空模型進(jìn)行計(jì)算全年采光量,其參數(shù)通過(guò)CSWD氣象數(shù)據(jù)文件提供.Radiance模擬計(jì)算精度控制參數(shù)設(shè)定參見(jiàn)Daysim用戶使用導(dǎo)則[11],照明控制方式為光感器控制連續(xù)漸變模式(photosensor controlled dimming system),計(jì)算參考點(diǎn)及維護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)定方式與Energyplus采光模塊一致.

圖3 Daysim/Radiance與Energyplus聯(lián)合計(jì)算策略

采光結(jié)果數(shù)據(jù)可以從Daysim/Radiance的模擬結(jié)果中提取,包括逐時(shí)的天然采光量以及在此基礎(chǔ)上的照明負(fù)荷表.通過(guò)提取照明負(fù)荷表(internal gain file)數(shù)據(jù)獲得照明負(fù)荷并將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入Energyplus室內(nèi)照明設(shè)備進(jìn)度表.

3.3 CFD與Energyplus聯(lián)合通風(fēng)模擬

CFD與能耗軟件的聯(lián)合計(jì)算采用Wang等[15]發(fā)展的一種外部靜態(tài)耦合方法.圖4為Airpak/CFD與Energyplus聯(lián)合計(jì)算策略,Energyplus提供CFD軟件圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度以及開(kāi)口壓力邊界條件.將CFD計(jì)算的室內(nèi)空氣平均溫度與Energyplus的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,保證每一時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算誤差可以滿足下一步的傳熱計(jì)算要求.當(dāng)計(jì)算誤差較大(>1 ℃)時(shí),將CFD軟件計(jì)算的內(nèi)表面換熱系數(shù)返回Energyplus，重新設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的換熱參數(shù)，并將再次計(jì)算溫度等參數(shù)提供給CFD軟件,這樣反復(fù)計(jì)算直到誤差范圍滿足要求.內(nèi)表面換熱系數(shù)可以通過(guò)Energyplus的高級(jí)表面概念模塊(advanced surface concept)設(shè)定.

圖4 Airpak/CFD與Energyplus聯(lián)合計(jì)算策略

Aripak/CFD模型參數(shù)參考AIJ(architectural institute of Japan)導(dǎo)則[16]設(shè)定,求解的湍流計(jì)算模型選擇為RNG模型,計(jì)算網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為70 707,收斂次數(shù)及精度控制分別為10 000和0.001.

4 模擬結(jié)果

4.1 天然采光條件下立面開(kāi)口位置變化的影響

圖5(a)～(d)為不同開(kāi)口位置對(duì)南向房間計(jì)算點(diǎn)(P1,P2)的DA及UDI影響,從圖中可以看出,外窗位置的變化對(duì)采光量影響較為明顯,內(nèi)門(mén)位置的影響較小.當(dāng)窗體居中時(shí),房間中部獲得更多的直射光和漫射光,P1點(diǎn)光照量明顯上升,以Aa和Ba采用Daysim模型模擬結(jié)果為例,在全年工作時(shí)間范圍內(nèi)DA由78%上升至86%,UDI>2 000則從35%上升至55%.不同的天然采光模型反映的設(shè)計(jì)變化規(guī)律總體相似,以Ba和Ca為例,采用Radiance模型和Energyplus模型計(jì)算P1點(diǎn)的DA變化幅度分別為8%和6%,UDI100～2 000的變化幅度分別為18%和23%.2種采光模型之間的計(jì)算誤差分別為2%和5%.Radiance模型更為精確,除可以反映外窗位置的變化,還能反映內(nèi)門(mén)位置變化的影響.其誤差可能主要來(lái)自于2種模型采用的不同光照度計(jì)算方法.

(a) 開(kāi)口位置變化對(duì)計(jì)算點(diǎn)DA值的影響

(c) 開(kāi)口位置變化對(duì)計(jì)算點(diǎn)UDI100～2 000的影響

(d) 開(kāi)口位置變化對(duì)計(jì)算點(diǎn)UDI>2 000的影響

(e) 開(kāi)口位置變化對(duì)房間照明能耗El的影響

(f) 開(kāi)口位置變化對(duì)房間總能耗Etot影響

圖5(e)、(f)為在天然采光條件下不同開(kāi)口位置對(duì)南向房間照明能耗El及總能耗Etot(照明、采暖、空調(diào))的影響.從圖中可以看出,當(dāng)窗體居中時(shí),南向房間照明負(fù)荷及總負(fù)荷均有所下降,采用Energyplus模擬變化幅度分別為6%和1%,采用Daysim-Energyplus聯(lián)合模擬變化幅度為13%和2%.總負(fù)荷變化幅度相對(duì)較小,這主要是由于房間冷、熱負(fù)荷主要是由墻體以及窗體傳熱作用決定.2種模型在反映開(kāi)口位置變化對(duì)照明負(fù)荷及總負(fù)荷的變化規(guī)律上，計(jì)算誤差分別為7%和1%.

4.2 自然通風(fēng)條件下立面開(kāi)口位置變化的影響

本文模擬耦合計(jì)算了08：00—17：00的逐時(shí)數(shù)據(jù),不同開(kāi)口位置對(duì)自然通風(fēng)的影響規(guī)律在不同時(shí)刻基本一致.圖6(a)、(b)為上午08：00時(shí)在平均以及非平均風(fēng)壓系數(shù)下不同開(kāi)口位置對(duì)室內(nèi)平均通風(fēng)量Va的影響圖,從計(jì)算結(jié)果可以看出,影響室內(nèi)新風(fēng)量的主要因素是外部風(fēng)壓,隨著開(kāi)口處風(fēng)壓系數(shù)的提高,房間通風(fēng)量明顯提高.以Aa和Ca為例,采用Energyplus以及CFD-Energyplus模擬結(jié)果分別提高了52%和59%,二者變化趨勢(shì)一致.在反映設(shè)計(jì)變化影響規(guī)律上，2種模型之間的計(jì)算誤差為7%.在平均風(fēng)壓系數(shù)設(shè)定下,室內(nèi)通風(fēng)量總體變化不大.由內(nèi)門(mén)水平位置變化引起的室內(nèi)流場(chǎng)分布變化對(duì)通風(fēng)量存在一定影響,但相比外部風(fēng)壓系數(shù),影響作用較小.

(a) 非平均風(fēng)壓系數(shù)條件下開(kāi)口變化對(duì)室內(nèi)平均通風(fēng)量Va影響

(b) 平均風(fēng)壓系數(shù)條件下開(kāi)口變化對(duì)室內(nèi)平均通風(fēng)量Va影響

(c) 非平均風(fēng)壓系數(shù)條件下開(kāi)口變化對(duì)室內(nèi)平均溫度Ta影響

(d) 平均風(fēng)壓系數(shù)條件下開(kāi)口變化對(duì)室內(nèi)平均溫度Ta影響

圖6(c)、(d)為08：00時(shí)在平均以及非平均風(fēng)壓系數(shù)下不同開(kāi)口位置對(duì)室內(nèi)平均溫度Ta的影響.從圖中可以看出，影響室內(nèi)平均溫度的主要因素為外部空氣溫度、太陽(yáng)輻射條件等熱環(huán)境因素,自然通風(fēng)效果影響因素(風(fēng)壓、流場(chǎng)分布)相對(duì)作用要小.風(fēng)壓與流場(chǎng)相比,風(fēng)壓因素影響要大.隨著開(kāi)口處風(fēng)壓系數(shù)的提高,房間室內(nèi)的平均溫度呈降低趨勢(shì).Energyplus與CFD-Energyplus聯(lián)合計(jì)算的模擬結(jié)果相比,前者計(jì)算結(jié)果明顯偏低,這可能是由于前者假設(shè)空氣完全混合所致.

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)目前常用的2種天然采光模型以及2種自然通風(fēng)模型應(yīng)用于建筑外立面開(kāi)口位置變化的比較分析,認(rèn)為采光系數(shù)模型和空氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型較適合于方案階段的采光及自然通風(fēng)綜合模擬.盡管這2種模型計(jì)算精度比Radiance模型和CFD軟件模型略低,但可以較準(zhǔn)確地反映立面開(kāi)口形式變化對(duì)天然采光及自然通風(fēng)的相對(duì)影響規(guī)律,2種模型之間的最大誤差為7%.另一方面,采光系數(shù)模型和空氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較快的計(jì)算速度,且建模相對(duì)方便,如Energyplus模型,這些對(duì)于方案階段的設(shè)計(jì)分析都十分有利.

在利用空氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行建筑外立面開(kāi)口形式的分析時(shí),需要采用非均勻的立面風(fēng)壓系數(shù)作為立面通風(fēng)口處的邊界條件,以準(zhǔn)確反映立面開(kāi)口位置的變化影響.目前的能耗軟件關(guān)于風(fēng)壓系數(shù)邊界條件的設(shè)定較為簡(jiǎn)單,對(duì)于開(kāi)口形式變化分析存在較大的局限,因此需要發(fā)展現(xiàn)有的參數(shù)設(shè)定方法,如CFD法.這對(duì)于分析具有很強(qiáng)不確定性的建筑方案設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)的意義.

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Integrated simulation technology for energy-efficient building’s facade opening design

You Wei Qin Menghao Ding Wowo

(School of Architecture and Urban Planning, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

According to the analysis demand of the building fa?ade opening design, an integrated simulation method of day-lighting, thermal performance and natural ventilation is explored, which is suitable for the building envelope optimization in the design process. Through the method of analyzing design cases, the simulation capabilities (precision, calculation speed, and modeling difficulty) of existing day-lighting and natural ventilation modules are compared. The research results indicate that the daylight factor model and the multi-zone network model are more suitable for the integrated day-lighting and natural ventilation simulation in the schematic design phase. Compared with Radiance model and CFD (computational fluid dynamics) software model, the calculation errors of day-lighting quantity, air flow rate and energy consumption of the Energyplus model are all less than 10% in reflecting the influences of the opening design changes. Furthermore, when the multi-zone network model is used to calculate the natural ventilation, the surface non-averaged wind pressure coefficients are needed to accurately reflect the influence of the opening form and position changes.

building exterior opening; day-lighting; thermal performance; natural ventilation; integrated simulation technology

2014-06-20. 作者簡(jiǎn)介: 尤偉(1981—),男,博士,助理研究員;丁沃沃(聯(lián)系人),女,博士,教授,博士生導(dǎo)師,dww@nju.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51078177)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20120091110055).

尤偉,秦孟昊,丁沃沃.節(jié)能立面開(kāi)口設(shè)計(jì)的綜合模擬方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(1):196-202.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.01.034

TU242

A

1001-0505(2015)01-0196-07