城市建筑能耗模擬平臺開發(fā)

摘 要：本文通過提供了一個基于DU建模技術的城市建筑物能耗仿真平臺研究，完成了由城市地面三維幾何數(shù)據(jù)到城市建筑物內(nèi)部的DU建模的自動生成過程，系統(tǒng)分析了城市天氣的空間差異及其對建筑物耗冷熱量的影響，以及探討了城市建筑物、建筑設備和輔助系統(tǒng)的能耗仿真方式從而闡述了整體仿真策略方案。

關鍵詞：能耗模擬;城市建筑;模型設計

建筑能源在人們所運用的總能源中占據(jù)較大比重，因此城市區(qū)域建筑物能耗情況需要高度重視。在中國建筑熱能占社會總能源高達五分之一，其中二氧化碳排放量又占總排放量的五分之一。而城市建筑能源仿真則是指通過對建筑物內(nèi)與周圍的熱能和質(zhì)量流動模型可以預測整個建筑群的能源狀態(tài)與室內(nèi)外環(huán)境，并通過對一個建筑能源模擬的"自下而上"的方法，仿真由小區(qū)到縣城各種規(guī)模的建筑群能源狀態(tài)。對一個建筑進行能源仿真已具有了較多的研究基礎，在整個建筑生命周期內(nèi)的設計、運用、評價與改進等諸多環(huán)節(jié)中已獲得了較普遍的運用經(jīng)驗。不過，由于城市能源體系是一種復雜的有機體，城市建筑間﹑以及城市與周圍自然環(huán)境之間的相互作用顯著影響著建筑能源特性。所以，在城市環(huán)境中進行區(qū)域的能源建模會比較精確地體現(xiàn)建筑的性能表現(xiàn)。

一、城市建筑物能耗模擬平臺架構

通過對上述問題的認識，利用本文所提供的都市建筑物能源仿真數(shù)據(jù)分析平臺框架，使用都市三維的幾何數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)作為輸入，自動形成了都市建筑物的DU能耗模式，并通過對都市中各類建筑物的冷熱耗用、能源等展開并行化仿真運算，進而實現(xiàn)了對仿真運算的結論導出和可視化，并完成了未來數(shù)據(jù)分析。

二、建筑物的能耗模擬

建筑物模擬的方法可以分為熱平衡法﹑權系數(shù)法和熱網(wǎng)法。前二個技術也被用來進行溫度的估算，并使用了不同的操作步驟。熱平衡方法主要是為了確定在每一范圍內(nèi)的所有熱能流是均勻的。熱平衡方法要同時解決大量的方程問題，如對空氣區(qū)域中，每一層墻壁的內(nèi)部表面，以及頂棚、地面上的各種熱量方程的求解。其中能量平衡方程和空氣通過墻壁與頂棚之間的瞬時熱傳導的過程，和室外干球溫度﹑濕球溫度、陽光的放射性強度等氣象數(shù)值密切相關。

三、中央制冷以及制熱設備的模擬

中央冷卻和制熱裝置的仿真，必須充分考慮到環(huán)境要求和負載變化對裝置工作效能的影響。而對于不同種類的中央制熱和冷卻裝置來說，一個最簡便實用的仿真方式就是通過使用額定或滿負荷輸入功率和額定容積，將輸入功率與機械設備容積實行回歸化。構成這種歸一化處理曲線必須了解部分負載條件的裝置性能參數(shù)，中央制冷和制熱裝置的仿真必須考慮到工作環(huán)境要求，以及負載條件對裝置工作效能的影響。因此對于各種種類的中央制熱和制冷裝置來說，一個最簡便實用的仿真方式就是通過使用額定或滿負荷輸入功率和額定容積，將輸入功率與機械設備容積實行回歸化。而構建這種歸一化處理曲線則必須了解部分負荷條件的設備工作性能參數(shù)。

另外，還有針對很多冷水機組、水源熱泵、鍋爐和冷卻塔等設備建立的較為復雜的模型，但是這些模型的參數(shù)是建立在估算的基礎上。和歸一化模型相比，這種方法建立的模型允許在產(chǎn)品目錄參數(shù)范圍外進行插值計算，還允許對模型的參數(shù)進行實質(zhì)上的檢查。

四、技術方法研究

（一）城市建筑的DU能耗模型生成算法

本文通過城市幾何構造設計、建筑遮擋計算、城市基本信息設定等過程，得出了城市規(guī)劃建設中的DU能耗模式。能耗模型生成算法，主要分為建模分析、幾何建模、基礎設定以及遮擋計算四個板塊。首先獲得了城市建筑的基本信息，利用幾何數(shù)據(jù)，可以自動生成DU模型進行初步分析，設定相關參數(shù)模擬真實建筑情況，最后計算建筑內(nèi)外被遮擋的面積比例系數(shù)，進一步優(yōu)化結構。

（二）建筑環(huán)境信息采集流程

將無人機所采集影片的數(shù)據(jù)和數(shù)碼照相機攝像的同名點位坐標作為二組數(shù)據(jù)信息源的影像配對，并根據(jù)設定連接點和控制點定位，構建糾偏方程組，從而提升影片信息匹配準確度。模型工作過程將手動配對各方位或各個角度上的最佳影片，并對其實行特征點配對，形成不規(guī)則的三角網(wǎng)格，建立模型，從而手動實現(xiàn)紋理映射。通過使用SMF算法實現(xiàn)特征定點對應，以F（I）描述在圖像I附近的所有特性點，對各像素比對I和J，并考慮為每一種特性找到最近相鄰的特征向量。

優(yōu)化匹配的特征點，建立模型進行采集，把建筑景觀圖像信息中的色彩和圖像信息反映在建模中，從而形成真三維模型。

五、結論

處于設計階段的建筑物，能耗模擬一般僅用于備選方案的比較并預測趨勢。一些未知因素常常會影響對運行費用的精確預測，這些因素包括未來的天氣情況以及一些很難精確預測的參數(shù)，如冷風滲透率等。對于正在使用的一些建筑物則可以通過修正建筑物模擬模型來大大提高計算的準確性。

隨著數(shù)字城市化、智能城市建設的深入，城市交通大數(shù)據(jù)分析可獲得性進一步提升，運用城市多源分析城市的能源狀況發(fā)展前景巨大。城市建筑能源模擬與城市氣候、交通運輸、個人行為等多種影響因素密切相關，需要跨學科的知識。在今后科學研究中，城市建筑能源模擬還將從考慮建筑物內(nèi)部能源之間的相互作用，以及城市規(guī)模下人員活動，與城市內(nèi)部能量供給的協(xié)同等方面展開研究。

參考文獻

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作者簡介：杜秋梅（2001—），女，四川省綿陽市三臺縣人，本科，研究方向：建筑環(huán)境與能源應用工程。