微气候及建筑能耗模拟软件
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• 主要包括四个基本模块：建筑热物理性能求解模块、 房间温度计算模块、房间负荷计算模块和住宅常见空 调（供暖）方式的能耗计算模块。
• 应用于住宅建筑热特性的影响因素分析、住宅建筑热 特性指标的计算、住宅建筑的全年动态负荷计算、住 宅室温计算、末端设备系统经济性分析等领域
2.Ecotect：生态建筑大师
➢ 室外热环境计算机模拟模型研究 ➢ 室外热环境计算机模拟软件及其应用
➢ 微气候或绿化体对建筑物能耗的影响（双向性）
室外热环境模拟研究的主要方向：
• 1) 城市气候中的紊流分析(Turbulence in the urban atmosphere)；
• 2) 城市能量平衡体系中人为热的产生、流动及储存 (Storage and anthropogenic heat fluxes in the urban energy balance)；
• Ecotect是由英国Square One公司开发的生态建筑设计 软件，它主要应用于方案设计阶段，具有速度快，直 观，技术性强等优势，而且可以和一系列精确分析软 件相结合作进一步的分析。
• 用户只需根据建筑的特定情况，输入经纬度、海拔高 度，选择时区，确定建筑材料的技术参数，即可在该 软件中完成对模型的太阳辐射、热、光学、声学、建 筑投资等综合的技术分析。
• AUSSSM 主要用于评价构筑物、人为热与室外热环境质 量的相互作用，以及由于热岛强度的变化引起城市尺 度内建筑能耗的变化。
4. SUNtool:可持续城市住宅区模拟程序
(Sustainable Urban Neighborhood Modelingtool)
• 根据欧盟第五个合作框架协议“能源、环境与可持续 发展”，英国、捷克、瑞士、法国、芬兰和希腊等六 个国家参与开发的可持续城市住宅区模拟程序。于 2006 年完成，是新一代的建筑设计与环境综合模拟软 件。
建筑能耗软件
• ECOTECT • DeST • TRNSYS • EQUEST • EnergyPlus • EnerCAD • DOE-2 • Climate Surface 等等
1.DeST：住宅建筑热环境模拟工具包
• 住宅建筑热环境模拟工具包为国家自然科学基金重点 项目“住区微气候工程热物理问题研究”的子课题 ，是在清华大学建筑环境与设备研究所十余年的科研 成果的基础上，由清华大学建筑技术科学系研制开发 的面向住宅类建筑的设计、性能预测及评估并集成于 AutoCAD上的建筑热特性模拟计算软件。
代表日微气候
小区规划方案
建立长时间尺度 微气候数据库
建筑设计方案
ECOTECT模拟
建筑能耗
结论
借鉴微气候和建筑物综合性能模拟的方法，将其耦合成需要的模拟体系，并将 其推广到一定的研究区域。耦合模拟体系需要整合不同功能的数值分析软件以实 现不同的模拟目的，其中最为重要的是耦合这些软件的输入输出量，使得一种软 件的输出结果为另一种软件所用，例如将流体力学模拟软件对微气候温湿度场模 拟的结果作为能耗模拟软件的输入条件等。
• 该系统的最大的特色在于其模块化的分析方式。一个 模块实现一种特定的功能，如热水器模块，单温度场 分析模块、太阳辐射分析模块、输出模块等。因此， 只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件， 这些模块程序就可以对某种特定热传输现象进行模拟 ，最后汇总就可对整个系统进行瞬时模拟分析。
• 主要功能模块：建筑的能耗模拟；地源（水源、空气 源）热泵系统；优化暖通系统；冷辐射吊顶系统，地 板采暖系统模拟；太阳能系统（热水，热发电，光伏 发电，采暖，制冷）；蓄热，冰蓄冷系统；氢气系统 ；燃料电池；时间为函数的系统（用户自己编部件）
建筑能耗模拟软件 建筑热工学 建筑表皮以内
时间范围 主要物理过程 重点描述 简化或忽略
数小时或几天
全年范围内任意时间长度
地面、建筑、植被、大气之 间的能量物质交换
下垫面的空间形态和热物理 性质
建筑物、建筑系统、室内热 环境
建筑动态过程
建筑物、建筑系统、室内热 环境 建筑所在地周围环境的影响
微尺度气候软件
4.Climate Surface
• 由苏黎世瑞士联邦技术学院建筑物理研究所研制开发。 它是以建筑能耗分析为唯一目的的软件，适合于建筑设 计初期阶段对建筑的能耗进行评估分析。该软件分析模 型的核心是自由温度概念，即在无任何采暖、制冷设备 的条件下，室内空气的温度。
• 建筑节能设计的任务就是如何让室内的自由温度更加接 近舒适温度区。计算分析模型基于能量平衡方程，经过 一系列的简化后，将影响建筑室内空气自由温度的因素 归结为时间常数т和窗户的得失热比γ两个量，并由自 由温度求出房间温度全年保持20-26℃时所需的能耗。
城市微气候与建筑能 耗模拟
秦文翠 2013.09.28-29
➢ 研究意义 ➢ 研究现状及研究工作 ➢ 结论 ➢ 展望
研究意义
➢优化城市规划和景观绿化设计方案 ➢调节和优化室外热环境质量 ➢减少建筑单体对采暖空调设备的依赖 ➢改善城市非均一复杂下垫面上的气象模拟
效果
研究现状及研究工作
➢ 微气候实验研究：现场实测、理论分析以及实验研究 ➢ 室外热完全及热舒适度评价研究
• 2.能量与环境预测软件(Energy and Environment
Predict，EEP)它主要用于定量模拟中等尺度城 区环境下，建筑用能、交通污染物扩散以及健 康条件等，并采用统计学分析的方法预测区域 内能耗及二氧化碳排放的趋势，从而协助规划 师选用合理的方案，有效地控制生态足迹。
• 它通过与GIS数据库的连接，获取描述城市中 建筑及道路的相关信息，并由内部“高速通道 ”在各个子模型之间实现数据共享，
• 近年来采用CFD技术及FLUENT软件已经成为对建筑热环境如空气温度、湿 度、空气速度、污染物浓度等进行数值模拟和预测的重要工具。
2.ENVI-met
• 德国波鸿大学地理研究所的 Michael Bruse 等通过研 究建筑外表面、植被和空气之间的热应力关系，开发 了用于微环境模拟的软件 ENVI-met。
• 6. 微环境热力学评价通用软件 ThermoAnalytic
举例：城市微气候对建筑能耗影响的 方案
气候数据
ENVI-met模拟 微气候数据 ECOTECT模拟
建筑能耗
小区规划方案
建筑设计方案
已有的文献中软件间的耦合
举例：城市微气候对建筑能耗影响的 方案—优化
气候数据
确定代表气象日
ENVI-met模拟
• FLUENT • ENVI-met • AUSSSM • Fluent • SUNtool • WindPerfect • Star-CD • PHOENICS等等
1.FLUENT软件
• FLUENT软件设计基于CFD软件群的概念，针对各种复杂流动的物理现象， FLUENT软件采用适当的数值解法，以期在计算速度、稳定性和精度等方 面达到优化组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算模拟。为 了实现这样的功能，要求这些不同软件都可以模拟流场飞传热和化学反 应等物理信息，在各种软件之间可以方便地进行数值交换，并且采用统 一的前、后场处理工具 。
• 3) 城市气候中的辐射平衡(Urban radiation balance)；
• 4) 城市下垫面之间的能量平衡(Urban facet energy balance)；
• 5) 城市及周边地区的水平衡(Urban neighborhood water balance)
气候系统分类（classification of climate system）
• 它包含有以下几个互相影响的子模型：1.城市冠层子 模型，用于计算大气层中一维的动量及热质传递；2. 建筑子模型，用于计算采暖空调负荷；3.土壤子模型 ，用于计算地表蒸发强度；4.植物子模型，用于计算 草地等地表植被与大气间的传热情况。
• 优劣势：所有这些子模型都将复杂的三维传热传质过 程简化为一维，且具有相近的准确率。缺少针对大树 及其阴影的子模型，AUSSSM 现在还不能模拟除了草地 以外的其它绿化形式及其对热环境的影响
• 它采用三维流体力学模型，专门模拟城市环境中构筑 物表面-植被-空气的相互关系。包括了大气、辐射、 土壤、植物、建筑五个模块。可以用来模拟住区室外 风环境、城市热岛效应、室内自然通风等。
• 水平解析为 0.5 到 10 米，时间步长最大为 10 秒， 时间量级介于 24 到 48 小时之间，所以特别适合用 于模拟中小尺度的微环境。
• ENVI-met 主要应用于模拟绿化屋顶和墙体、道路材料 等不同类型的城市下垫面对微环境的影响，以及评估 景观设计方案。
3. AUSSSM：建筑-城市-土壤同步模拟软件 (Architecture-Urban-Soil Simultaneous Simulation Model)
• AUSSSM 是由日本九州大学城市与建筑环境实验室开发 并经过多次校核与修改的城市热岛模拟软件。
• 它通过模拟城区微气候以及能量、水和废弃物的流动 情况，协助用户优化总规划方案的可持续性。共包含 有微气候、自然采光、植被与设备、随机使用率以及 可再生能源等 5 个子模型。
• 主要应用领域为：描述影响能源、水和废弃物动态需 求与供应的因素，并通过模拟城市微气候、居民行为 、资源与建筑之间的相互作用来反映这些物质的流动 情况。
• 3. 人体热辐射评估软件(Radiation on the human body, RayMan)
• 4.城市热岛风险及影响评估软件(Mitigation Impact Screening Tool, MIST)
• 5.室外人体热舒适专业系统(Outdoor Human Comfort Expert System, OUTCOMES)
• FLUENT采用精合隐式算法，可以高精度、高效率地计算带有激波的复杂 流场、激波与激波干扰、激波与剪切层干扰和激波与旋涡之间的干扰等 问题；并且包含了定常和非定常流动、层流(包括各种非牛顿流模型)、 紊流（包括各种最先进的紊流模型）、不可压缩和可压缩流动、传热（ 热传导、对流和辐射）和传质、多孔解质（各向同性及各项异性）、化 学反应(燃烧、氧化物的排放、表面化学沉积)、粒子运动轨迹和多相流 、自由表面流、相变流等各种流动物理模型功能。表现出强大的计算模 拟功能，得到了广泛应用并都取得了成功。
气候系统
气候特性的大致尺度 水平范围 竖向范围
时间范围
全球性风带气候 2000
3-10
1-6个月
地区性大气候
500-1000 1-10
1-6个月
局地气候
Βιβλιοθήκη Baidu
1-10
0.01-1 1-24个月
微气候
0.1-1
0.1
24小时
城市微气候模拟软件和建筑能耗 模拟软件的主要特点：
学科范畴 空间范围
城市微气候模拟软件 城市气象学 城市冠层以下室外空间
与传统的热环境模拟方案比较，耦合微气候和建筑物能耗模拟软件城市，能够 更快更直观的反应中小尺度内能量平衡过程及地气交换、建筑物形态对微气候气 候的影响，从而能够更好的模拟城市复杂下垫面微气候环境，模拟所得结果更为 真实可信。
• 分析范围：从太阳辐射、日射、遮阴、采光、照明到 热工、室内声场、室内外风场都可以进行模拟，涵盖 了热环境、风环境、光环境、声环境、日照、经济性
及环境影响与可视度等建筑物理环境的7个方面。
3. TRNSYS 瞬时系统模拟程序
（Transient System Simulation Program）
• 该软件可以非常直观迅速地看到围护结构性能的调整所 产生的建筑能耗的变化，是一个非常适合于建筑设计人 员使用的简单的建筑能耗分析软件。
其他相关模拟软件
• 1.气象气候生成软件METEONORM是一款为模拟评价不同
地区典型及极端空气温湿度、太阳辐射及风速等气候 状况而开发的气象学综合软件，它自带有全球超过 1000 个地区的气象数据库，并能够用插值的方法，根 据气象参数月平均或逐时值计算生成不同格式的典型 气象年。 • METEONORM 被广泛应用于建筑采暖空调系统设计、太 阳能等可再生能源系统评估等领域，并作为长期气象 观测值处理软件，生成供能耗模拟用的典型气象年数 据、太阳辐射强度数据等。经过与不同计算模型的对 比，采用相同的逐时气象数据进行插值计算， METEONORM 所生成的典型气象年数据在大部分月份都 具有较小的标准差。
• 应用于住宅建筑热特性的影响因素分析、住宅建筑热 特性指标的计算、住宅建筑的全年动态负荷计算、住 宅室温计算、末端设备系统经济性分析等领域
2.Ecotect：生态建筑大师
➢ 室外热环境计算机模拟模型研究 ➢ 室外热环境计算机模拟软件及其应用
➢ 微气候或绿化体对建筑物能耗的影响（双向性）
室外热环境模拟研究的主要方向：
• 1) 城市气候中的紊流分析(Turbulence in the urban atmosphere)；
• 2) 城市能量平衡体系中人为热的产生、流动及储存 (Storage and anthropogenic heat fluxes in the urban energy balance)；
• Ecotect是由英国Square One公司开发的生态建筑设计 软件，它主要应用于方案设计阶段，具有速度快，直 观，技术性强等优势，而且可以和一系列精确分析软 件相结合作进一步的分析。
• 用户只需根据建筑的特定情况，输入经纬度、海拔高 度，选择时区，确定建筑材料的技术参数，即可在该 软件中完成对模型的太阳辐射、热、光学、声学、建 筑投资等综合的技术分析。
• AUSSSM 主要用于评价构筑物、人为热与室外热环境质 量的相互作用，以及由于热岛强度的变化引起城市尺 度内建筑能耗的变化。
4. SUNtool:可持续城市住宅区模拟程序
(Sustainable Urban Neighborhood Modelingtool)
• 根据欧盟第五个合作框架协议“能源、环境与可持续 发展”，英国、捷克、瑞士、法国、芬兰和希腊等六 个国家参与开发的可持续城市住宅区模拟程序。于 2006 年完成，是新一代的建筑设计与环境综合模拟软 件。
建筑能耗软件
• ECOTECT • DeST • TRNSYS • EQUEST • EnergyPlus • EnerCAD • DOE-2 • Climate Surface 等等
1.DeST：住宅建筑热环境模拟工具包
• 住宅建筑热环境模拟工具包为国家自然科学基金重点 项目“住区微气候工程热物理问题研究”的子课题 ，是在清华大学建筑环境与设备研究所十余年的科研 成果的基础上，由清华大学建筑技术科学系研制开发 的面向住宅类建筑的设计、性能预测及评估并集成于 AutoCAD上的建筑热特性模拟计算软件。
代表日微气候
小区规划方案
建立长时间尺度 微气候数据库
建筑设计方案
ECOTECT模拟
建筑能耗
结论
借鉴微气候和建筑物综合性能模拟的方法，将其耦合成需要的模拟体系，并将 其推广到一定的研究区域。耦合模拟体系需要整合不同功能的数值分析软件以实 现不同的模拟目的，其中最为重要的是耦合这些软件的输入输出量，使得一种软 件的输出结果为另一种软件所用，例如将流体力学模拟软件对微气候温湿度场模 拟的结果作为能耗模拟软件的输入条件等。
• 该系统的最大的特色在于其模块化的分析方式。一个 模块实现一种特定的功能，如热水器模块，单温度场 分析模块、太阳辐射分析模块、输出模块等。因此， 只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件， 这些模块程序就可以对某种特定热传输现象进行模拟 ，最后汇总就可对整个系统进行瞬时模拟分析。
• 主要功能模块：建筑的能耗模拟；地源（水源、空气 源）热泵系统；优化暖通系统；冷辐射吊顶系统，地 板采暖系统模拟；太阳能系统（热水，热发电，光伏 发电，采暖，制冷）；蓄热，冰蓄冷系统；氢气系统 ；燃料电池；时间为函数的系统（用户自己编部件）
建筑能耗模拟软件 建筑热工学 建筑表皮以内
时间范围 主要物理过程 重点描述 简化或忽略
数小时或几天
全年范围内任意时间长度
地面、建筑、植被、大气之 间的能量物质交换
下垫面的空间形态和热物理 性质
建筑物、建筑系统、室内热 环境
建筑动态过程
建筑物、建筑系统、室内热 环境 建筑所在地周围环境的影响
微尺度气候软件
4.Climate Surface
• 由苏黎世瑞士联邦技术学院建筑物理研究所研制开发。 它是以建筑能耗分析为唯一目的的软件，适合于建筑设 计初期阶段对建筑的能耗进行评估分析。该软件分析模 型的核心是自由温度概念，即在无任何采暖、制冷设备 的条件下，室内空气的温度。
• 建筑节能设计的任务就是如何让室内的自由温度更加接 近舒适温度区。计算分析模型基于能量平衡方程，经过 一系列的简化后，将影响建筑室内空气自由温度的因素 归结为时间常数т和窗户的得失热比γ两个量，并由自 由温度求出房间温度全年保持20-26℃时所需的能耗。
城市微气候与建筑能 耗模拟
秦文翠 2013.09.28-29
➢ 研究意义 ➢ 研究现状及研究工作 ➢ 结论 ➢ 展望
研究意义
➢优化城市规划和景观绿化设计方案 ➢调节和优化室外热环境质量 ➢减少建筑单体对采暖空调设备的依赖 ➢改善城市非均一复杂下垫面上的气象模拟
效果
研究现状及研究工作
➢ 微气候实验研究：现场实测、理论分析以及实验研究 ➢ 室外热完全及热舒适度评价研究
• 2.能量与环境预测软件(Energy and Environment
Predict，EEP)它主要用于定量模拟中等尺度城 区环境下，建筑用能、交通污染物扩散以及健 康条件等，并采用统计学分析的方法预测区域 内能耗及二氧化碳排放的趋势，从而协助规划 师选用合理的方案，有效地控制生态足迹。
• 它通过与GIS数据库的连接，获取描述城市中 建筑及道路的相关信息，并由内部“高速通道 ”在各个子模型之间实现数据共享，
• 近年来采用CFD技术及FLUENT软件已经成为对建筑热环境如空气温度、湿 度、空气速度、污染物浓度等进行数值模拟和预测的重要工具。
2.ENVI-met
• 德国波鸿大学地理研究所的 Michael Bruse 等通过研 究建筑外表面、植被和空气之间的热应力关系，开发 了用于微环境模拟的软件 ENVI-met。
• 6. 微环境热力学评价通用软件 ThermoAnalytic
举例：城市微气候对建筑能耗影响的 方案
气候数据
ENVI-met模拟 微气候数据 ECOTECT模拟
建筑能耗
小区规划方案
建筑设计方案
已有的文献中软件间的耦合
举例：城市微气候对建筑能耗影响的 方案—优化
气候数据
确定代表气象日
ENVI-met模拟
• FLUENT • ENVI-met • AUSSSM • Fluent • SUNtool • WindPerfect • Star-CD • PHOENICS等等
1.FLUENT软件
• FLUENT软件设计基于CFD软件群的概念，针对各种复杂流动的物理现象， FLUENT软件采用适当的数值解法，以期在计算速度、稳定性和精度等方 面达到优化组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算模拟。为 了实现这样的功能，要求这些不同软件都可以模拟流场飞传热和化学反 应等物理信息，在各种软件之间可以方便地进行数值交换，并且采用统 一的前、后场处理工具 。
• 3) 城市气候中的辐射平衡(Urban radiation balance)；
• 4) 城市下垫面之间的能量平衡(Urban facet energy balance)；
• 5) 城市及周边地区的水平衡(Urban neighborhood water balance)
气候系统分类（classification of climate system）
• 它包含有以下几个互相影响的子模型：1.城市冠层子 模型，用于计算大气层中一维的动量及热质传递；2. 建筑子模型，用于计算采暖空调负荷；3.土壤子模型 ，用于计算地表蒸发强度；4.植物子模型，用于计算 草地等地表植被与大气间的传热情况。
• 优劣势：所有这些子模型都将复杂的三维传热传质过 程简化为一维，且具有相近的准确率。缺少针对大树 及其阴影的子模型，AUSSSM 现在还不能模拟除了草地 以外的其它绿化形式及其对热环境的影响
• 它采用三维流体力学模型，专门模拟城市环境中构筑 物表面-植被-空气的相互关系。包括了大气、辐射、 土壤、植物、建筑五个模块。可以用来模拟住区室外 风环境、城市热岛效应、室内自然通风等。
• 水平解析为 0.5 到 10 米，时间步长最大为 10 秒， 时间量级介于 24 到 48 小时之间，所以特别适合用 于模拟中小尺度的微环境。
• ENVI-met 主要应用于模拟绿化屋顶和墙体、道路材料 等不同类型的城市下垫面对微环境的影响，以及评估 景观设计方案。
3. AUSSSM：建筑-城市-土壤同步模拟软件 (Architecture-Urban-Soil Simultaneous Simulation Model)
• AUSSSM 是由日本九州大学城市与建筑环境实验室开发 并经过多次校核与修改的城市热岛模拟软件。
• 它通过模拟城区微气候以及能量、水和废弃物的流动 情况，协助用户优化总规划方案的可持续性。共包含 有微气候、自然采光、植被与设备、随机使用率以及 可再生能源等 5 个子模型。
• 主要应用领域为：描述影响能源、水和废弃物动态需 求与供应的因素，并通过模拟城市微气候、居民行为 、资源与建筑之间的相互作用来反映这些物质的流动 情况。
• 3. 人体热辐射评估软件(Radiation on the human body, RayMan)
• 4.城市热岛风险及影响评估软件(Mitigation Impact Screening Tool, MIST)
• 5.室外人体热舒适专业系统(Outdoor Human Comfort Expert System, OUTCOMES)
• FLUENT采用精合隐式算法，可以高精度、高效率地计算带有激波的复杂 流场、激波与激波干扰、激波与剪切层干扰和激波与旋涡之间的干扰等 问题；并且包含了定常和非定常流动、层流(包括各种非牛顿流模型)、 紊流（包括各种最先进的紊流模型）、不可压缩和可压缩流动、传热（ 热传导、对流和辐射）和传质、多孔解质（各向同性及各项异性）、化 学反应(燃烧、氧化物的排放、表面化学沉积)、粒子运动轨迹和多相流 、自由表面流、相变流等各种流动物理模型功能。表现出强大的计算模 拟功能，得到了广泛应用并都取得了成功。
气候系统
气候特性的大致尺度 水平范围 竖向范围
时间范围
全球性风带气候 2000
3-10
1-6个月
地区性大气候
500-1000 1-10
1-6个月
局地气候
Βιβλιοθήκη Baidu
1-10
0.01-1 1-24个月
微气候
0.1-1
0.1
24小时
城市微气候模拟软件和建筑能耗 模拟软件的主要特点：
学科范畴 空间范围
城市微气候模拟软件 城市气象学 城市冠层以下室外空间
与传统的热环境模拟方案比较，耦合微气候和建筑物能耗模拟软件城市，能够 更快更直观的反应中小尺度内能量平衡过程及地气交换、建筑物形态对微气候气 候的影响，从而能够更好的模拟城市复杂下垫面微气候环境，模拟所得结果更为 真实可信。
• 分析范围：从太阳辐射、日射、遮阴、采光、照明到 热工、室内声场、室内外风场都可以进行模拟，涵盖 了热环境、风环境、光环境、声环境、日照、经济性
及环境影响与可视度等建筑物理环境的7个方面。
3. TRNSYS 瞬时系统模拟程序
（Transient System Simulation Program）
• 该软件可以非常直观迅速地看到围护结构性能的调整所 产生的建筑能耗的变化，是一个非常适合于建筑设计人 员使用的简单的建筑能耗分析软件。
其他相关模拟软件
• 1.气象气候生成软件METEONORM是一款为模拟评价不同
地区典型及极端空气温湿度、太阳辐射及风速等气候 状况而开发的气象学综合软件，它自带有全球超过 1000 个地区的气象数据库，并能够用插值的方法，根 据气象参数月平均或逐时值计算生成不同格式的典型 气象年。 • METEONORM 被广泛应用于建筑采暖空调系统设计、太 阳能等可再生能源系统评估等领域，并作为长期气象 观测值处理软件，生成供能耗模拟用的典型气象年数 据、太阳辐射强度数据等。经过与不同计算模型的对 比，采用相同的逐时气象数据进行插值计算， METEONORM 所生成的典型气象年数据在大部分月份都 具有较小的标准差。