城市微气候模拟数据在建筑能耗计算中的应用

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(1. 南京工业大学建筑学院,南京 211800;2. 华南理工大学建筑学院,亚热带建筑科学国家重点实验室,广州 510640; 3. 哈尔滨工业大学深圳研究生院,深圳市城市规划与决策仿真重点实验室,深圳 518000;4. 德国美因茨大学,美因茨 55122)
摘 要:利用三维微气候软件 ENVI-met 对城市微气候进行模拟,然后提取建筑周围的空气温度、空气湿度、建筑表
个平面组合后再按照前两条规则划分基本耦合单
元。以一栋四层双坡屋面建筑为例说明基本耦合
单元的定义:如图 1 所示,第一层外墙的 4 个外立
面被划分为 4 个基本耦合单元(a、b、c、d),其余层类
推;双坡屋面则被划分为两个基本耦合单元。在进
行数据传递时,首先将 ENVI-met 模型中建筑外表
面前属于同一个基本耦合单元的所有网格的风速
面风速和风压分布输入到建筑能耗模拟工具 EnergyPlus 中作为外部气象边界条件,从而实现定量预测和评价城市
微气候对建筑能耗的影响。案例研究结果显示,所提出的协同模拟方法能够定量评价不同微气候要素对建筑显热
冷负荷、潜热冷负荷以及不同途径建筑得热量的影响,模拟结果可为街(住)区规划和建筑设计提供科学依据。
1 模拟方法
1.1 模拟软件选择
本文采用 ENVI-met 4.0 作为城市微气候模拟工 具,采用 EnergyPlus 8.1 作为建筑能耗模拟工具,并 在 Building Controls Virtual Test Bed(BCVTB)1.3[3]软 件环境中建立耦合模块以传递 ENVI-met 的模拟结 果作为 EnergyPlus 模型的气象边界条件(以上 3 种 软件均可从其各自的主页上免费下载使用)。
建筑表面风速和空气温度时,需定义一个基本耦合
单元以兼容这两种不同的基本计算单元。建筑外
表面基本耦合单元定义如下:1)对于外墙,每一层
的 每 个 外 立 面 作 为 一 个 基 本 耦 合 单 元 ;2)对 于 屋
顶,位于同一平面且属同一区域的屋面作为一个基
本耦合单元;3)对于弧形外墙或屋面,可简化为多
6期
杨小山等:城市微气候模拟数据在建筑能耗计算中的应用
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微气候变量的时空分布。模型的主要输入参数为 背景气象条件和街区下垫面(地面、建筑及植被)的 空间形态、构造及物性参数。需要特别说明的是, 目前 ENVI-met 最新版本 4.0 中的全强迫功能可以 让用户自定义背景气象参数作为模拟的边界条件。 用户可自定义的逐时或更短时间间隔的背景气象参 数包括:风速风向、空气温度、空气湿度、太阳辐射 (直射/散射)或云量、天空长波辐射,这使得采用实 测气象数据或典型气象年数据作为城市微气候模拟 的边界条件成为可能。有关 ENVI-met 模型的功能 和 详 细 数 学 方 程 可 参 见 其 网 站[1]及 文 献[4,5]; ENVI-met 4.0 的实验验证研究可参见文献[5,6]。
与气象文件中的风速相关,无法反映城市环境中实
际建筑表面风速对对流换热系数的影响。因此,本
文采用 ENVI-met 计算的建筑表面风速和式(2)[7]确
定 hc 。
hc = 4 + 4v
(2)
式中,v ——建筑表面风速,m/s。当气象文件中风
速为 0 时,仍采用 EnergyPlus 的自然对流换热系数
ENVI-met 和 EnergyPlus 在计算建筑外表面太 阳辐射得热上存在以下差别:1)ENVI-met 是网格化 模型,因此对于建筑外表面阴影区面积的计算精度
取决于模型网格分辨率,分辨率越高则越准确;而
EnergyPlus 根据建筑物及其周围遮挡物的几何尺寸
采用投影法计算阴影面积,与 ENVI-met 相比之下
三维微气候软件 ENVI-met 基于计算流体力学 和热力学,主要用于模拟城市小尺度空间内地面、 植被、建筑和大气之间的相互作用过程。模型典型 空间分辨率≤10 m,时间分辨率≤5 s。ENVI-met 能 够计算风速风向、空气温度和湿度、地表温度和湿 度、湍流、长波和短波辐射通量、气体和微粒扩散等
ENVI-met 和 EnergyPlus 均分别计算建筑外表
面对天空、地面以及周围遮挡物的视角系数,但对
环境辐射温度的考虑不同。ENVI-met 根据各表面
自身的热平衡过程确定表面温度,然后采用模型区
域内所有表面的平均表面温度作为环境辐射温度;
而 EnergyPlus 则假设地面及周围遮挡物的表面温
更为准确。2)对于天空散射辐射,ENVI-met 采用各
向同性模型,而 EnergyPlus 采用各向异性模型,相
比之下后者更为接近实际情况。3)对于反射太阳
辐 射 ,ENVI-met 仅 考 虑 从 直 射 到 散 射 的 反 射 ,而
EnergyPlus 考虑了镜面反射、直射到散射以及散射
到散射 3 种反射方式,显然后者更接近实际情况。
关键词:城市微气候;建筑能耗;协同模拟;定量评价
中图分类号:TK111.19
文献标识码:A
0引言
建筑所在地的局地微气候对建筑能耗有着重 要影响,而城市微气候受街(住)区几何特征、布局 方式、下垫面物性等多种因素的综合影响。因此, 如何定量预测和评价城市微气候对建筑能耗的影 响,以对街(住)区规划和建筑设计提供科学依据, 是目前亟需加强研究的重要课题。由于建筑能耗 和城市气候系统均为复杂的非线性系统,数值模拟 是研究此类问题的重要方法之一。
收稿日期:2014-07-28 基金项目:国家自然科学基金(51138004;51408303);亚热带建筑科学国家重点实验室课题(2015ZC12;2014KB21);深圳市城市规划与
决策仿真重点实验室课题(UPDMHITSZ2014B04);江苏省高校自然科学研究项目(14KJB560010) 通信作者:赵立华(1968—),女,博士、教授,主要从事建筑热工与城市热气候方面的研究。lhzhao@scut.edu.cn
BCVTB 是用于耦合不同软件或实现软件与硬 件之间数据交换的程序开发平台。本文基于 BCVTB 建立了一个耦合模块用于实现 ENVI-met 模 拟 结 果 的 提 取 、处 理 并 与 EnergyPlus 进 行 耦 合 计算。
1.2 协同模拟理论分析
室外微气候主要通过以下两种途径对建筑能 耗产生影响:一是对建筑外围护结构的传热过程产 生影响,包括对建筑外表面的太阳辐射得热、净长 波辐射和对流换热 3 个方面的影响;二是通过室内 外空气交换对建筑热平衡产生影响,包括通风和空 气 渗 透 两 种 方 式 。 在 将 ENVI-met 模 拟 结 果 与 EnergyPlus 能耗计算进行耦合前,需厘清以下 2 个 问题:1)应选择 ENVI-met 模拟结果中的哪些变量 与 EnergyPlus 进 行 耦 合 ? 2)如 何 实 现 耦 合 计 算 ? 下面分别从太阳辐射、长波辐射、对流换热、通风和 空气渗透 5 个方面进行分析。 1.2.1 太阳辐射
本文利用三维微气候软件 ENVI-met[1]对城市 微气候进行模拟,然后提取建筑周围的微气候数据 输入到建筑能耗模拟工具 EnergyPlus[2]中作为气象 边界条件,从而实现在建筑能耗计算中引入建筑周 围微气候的影响。案例研究表明本文所提出的协 同模拟方法可定量预测和评价城市微气候对建筑 冷负荷的影响。
过以上比较分析,对微气候变量中的太阳辐射因素
采取如下处理方案:在对目标建筑进行 EnergyPlus
建模时,须将周边的遮挡物(例如建筑、地形、树等)
一并添加到模型中,然后让 EnergyPlus 自行计算建
筑外表面的太阳辐射得热,建筑周围树的太阳辐射
透射率可根据 ENVI-met 的计算值设定。
1.2.2 长波辐射
第 36 卷 第 6 期
2015 年 6 月
文章编号:0254-0096(2015)06-1344-08
太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
Vol. 36, No. 6
Jun., 2015
城市微气候模拟数据在建筑能耗计算中的应用
杨小山 1~3,赵立华 2,Michael Bruse4,孟庆林 2
在目前的研究和工程实践中,建筑能耗和城市 微气候分别由两类不同的数值模拟工具计算:建筑 能耗模拟工具和城市微气候模拟工具。两类工具 的分析领域和特点各不相同。建筑能耗模拟工具 致力于建筑及其系统的精确描述和建筑动态热过 程的计算,但所采用的气象数据通常来源于位于郊 区的气象站或机场,无法反映建筑所在地微气候的 影响。而城市微气候模拟工具则致力于室外微气 候的预测,其主要分析领域为室外空间,建筑在此 类模型中通常被大幅简化。总的来说,目前还没有 能够直接模拟城市微气候对建筑能耗影响的工具, 因此将这两类模拟工具相结合是实现定量预测和 评价城市微气候对建筑能耗影响的一种可能途径。
计算的环境长波辐射通量引入到 EnergyPlus 模型
中作为边界条件。
1.2.3 对流换热
建筑外表面的对流换热量为:
( ) qconv = hc Ts - Ta
(1)
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太阳能学报
36 卷
式中,qconv ——对流换热量,W/m2;Ts ——建筑外表 面温度,℃;Ta ——空气温度,℃;hc ——对流换热 系数,W(/ m2·K),一般通过经验公式确定。
和空气温度进行平均,然后再传递Байду номын сангаас EnergyPlus 模
型中对应的建筑表面,这意味着在 EnergyPlus 模型
中属于同一个基本耦合单元的所有建筑构件将使
用相同的表面风速和空气温度。如图 1 所示,第一
层南外立面的墙、窗、门(均属于基本耦合单元 a)将
使用相同风速值和空气温度计算外表面对流换热
量。对于在竖直方向上 ENVI-met 模型可能出现的 跨层网格,则将 ENVI-met 计算值平均后按面积比
4)ENVI-met 根据树的叶面积密度和太阳直射光在
树冠中通过的路径长度计算树的太阳辐射透射率,
其不足之处是假设太阳散射辐射不受树的影响;
EnergyPlus 未对树进行专门考虑,树对建筑的遮荫
效果可通过设定一个恒定或变化的太阳辐射透射
率来体现。相比之下,尽管 ENVI-met 的算法仍存
在不足,但比 EnergyPlus 的处理方法更为科学。通
新一代全建筑能耗模拟工具 EnergyPlus 除了 能对建筑能耗各过程进行详细模拟外,还提供了外 部接口和一系列内部变量控制器。用户可使用接 口与其他外部模型或数据库进行数据交换,并可根 据需要控制某一变量在每个计算时间步上的具体 值。本文应用 EnergyPlus 的这一功能将 ENVI-met 微气候模拟结果与建筑冷负荷计算相耦合。
度总是等于同一时刻的室外空气温度。相较而言,
尽管 ENVI-met 对环境长波辐射计算进行了简化,
但仍比 EnergyPlus 更为接近实际情况。但由于目
前版本的 EnergyPlus 未提供相应的控制器让用户
控 制 长 波 辐 射 通 量 或 环 境 辐 射 温 度(除 非 修 改
EnergyPlus 源程序),本阶段研究暂未将 ENVI-met
算法[8]计算 hc 。空气温度也影响建筑外表面对流 换热量,本文采用 ENVI-met 计算的建筑周围空气
温度来计算建筑外表面对流换热量。
由于 ENVI-met 中每个网格为一个基本计算单
元,而 EnergyPlus 中每个建筑构件为一个基本计算
单元,因此在向 EnergyPlus 传递 ENVI-met 计算的
例分配给相邻的基本耦合单元。采用以上方法可
计算建筑周围微气候对建筑外表面不同部分的对
流换热量的影响。从图 1 可看到,由于模型之间的
差异,同一建筑在 ENVI-met 和 EnergyPlus 中并不 完全一致,例如在 ENVI-met 模型中与 x、y、z 轴斜交 的建筑外轮廓线均被处理成锯齿线。通过提高
EnergyPlus 提供了多种算法计算建筑外表面对
流换热系数,这些算法均将对流分为自然对流和强
迫对流。其中自然对流换热系数根据热流方向以
及表面温度与空气温度之差确定。对于强迫对流,
EnergyPlus 根据来流风向将建筑表面划分为迎风面
和背风面,然后通过经验关系式分别计算迎风面和
背风面的强迫对流换热系数,但这些经验关系式均
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