專利名稱：一種降低區(qū)域建筑能耗流失的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及建筑氣象學、動力機械行業(yè)技術領域，具體涉及一種降低區(qū)域建筑能耗流失的方法。
背景技術：
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展、科技的進步，人們對于建筑能耗的研究日益深入，研究風環(huán) 境問題的傳統(tǒng)方法是風洞模擬試驗，當前對于新的建筑設計方案可以通過風洞模擬試驗檢 驗其風環(huán)境的舒適性，對存在難以接受的風環(huán)境時應對設計作出修改，對已建成的建筑存 在不舒適的風環(huán)境時，可以通過設置“流動控制器”(天蓬、籬笆、擋風墻、防風林帶、附設建 筑物等)改進風環(huán)境狀況。此外，風環(huán)境對建筑本身的能耗也存在著影響，就熱帶地區(qū)而 言，流暢的通風環(huán)境降低了區(qū)域內的溫度；而在北方地區(qū)，封閉的建筑布局可以減少建筑群 的溫度流失，所以在風環(huán)境中進行能耗測試可以使建筑的布局更節(jié)能。但是，目前尚不存在通過在計算機中模擬風環(huán)境來進行建筑能耗測試的方法來規(guī) 劃區(qū)域建筑的手段和技術，利用風洞模擬試驗只是簡單地用于模擬建筑周圍風流動情況， 無法真正得到降低區(qū)域建筑能耗流失的最佳方案。

發(fā)明內容
本方法的發(fā)明目的是對建筑風環(huán)境進行能耗的檢測與對比，從而對建筑風環(huán)境進 行有效的改進和完善，得到降低區(qū)域建筑能耗流失的最佳方案。本發(fā)明技術方案是，一種降低區(qū)域建筑能耗流失的方法，包括以下步驟(1)在流體計算軟件中建立建筑群等比模型；(2)在流體計算軟件中進行模擬自然風的流通，獲得建筑群各區(qū)域的環(huán)境參數(shù)；(3)利用所述環(huán)境參數(shù)計算建筑風環(huán)境中能耗流失情況；(4)改變建筑風環(huán)境，按照上述步驟(1)_(3)重新計算建筑風環(huán)境中能耗流失情 況；(5)將步驟(3)、(4)所得到的建筑風環(huán)境能耗流失情況進行對比，選出能耗流失 最少的方案，從而將建筑布置在最有利于減少能耗的位置。進一步地，所述環(huán)境參數(shù)為溫度、濕度和二氧化碳濃度中的至少一項。進一步地，所述計算建筑風環(huán)境中能耗流失情況的方法包括以下步驟a.根據(jù)建筑功能將所述建筑群劃分區(qū)域；b.通過以下公式計算所述各區(qū)域的能耗能耗=T*N*E/m3，其中T為所述區(qū)域的 建筑總體積，E/m3為1立方米空氣溫度升高或降低1°C或者濕度升高或降低需要消耗的 單元能耗，N為所述區(qū)域的溫度或濕度與理想環(huán)境的溫度或濕度的差值；c.將所述各區(qū)域的能耗相加，即得相應建筑風環(huán)境中能耗流失情況。由于采取了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果在于1.本實驗大量采用計算機模擬，使得能耗檢測成本減少，時間周期降低、操作簡單，使用方便，而且這種模擬方式可以達到比較高的精確度；2.風洞實驗過程中能比較準確地控制實驗條件，如氣流的速度、壓力、溫度等，而 模型布局可以隨意調整以此對比最適合的熱舒適度；3.作為能耗流失的模擬方法，風環(huán)境的動態(tài)方法可以對能耗檢測方法中的每一個 環(huán)節(jié)，以及造成能耗流失的情況都進行嚴密的監(jiān)控，有利于直觀地解釋風環(huán)境中建筑造型 及布局所造成的能耗流失的關系，以此確立最合適的方案；4.通過CFD檢測進行風環(huán)境中的建筑能耗情況，即對當前熱量、污染排放、濕度控 制等進行模擬來確定外部環(huán)境對建筑內部的影響情況并進行規(guī)劃控制，徹底擺脫了此類軟 件對于建筑環(huán)境單純模擬的功能。


通過以下對本發(fā)明的實施例并結合其附圖的描述，可以進一步理解本發(fā)明的目 的、具體結構特征和優(yōu)點。其中，附圖為圖1建筑風環(huán)境進行能耗測試的動態(tài)分析流程圖；圖2是前期建筑群分析中數(shù)字化分析與模擬技術應用流程圖；圖3本次試驗中的方案平面圖第一次布局示意圖；圖4風環(huán)境對建筑的影響示意圖；圖5本次試驗中的方案平面圖第二次布局示意圖；圖6風洞實驗裝置平面輪廓示意圖。
具體實施例方式實施例1本發(fā)明涉及一種建筑、風環(huán)境、風洞試驗及能耗檢測實驗，即通過CFD軟件對建筑 風環(huán)境能耗進行精確檢測，從而對建筑風環(huán)境下的能耗情況進行有效的改進和完善的動態(tài) 分析方法，其具體流程如圖1。Airpak是一種利用空氣動力學知識，對建筑截面型線優(yōu)化(圓，橢圓，拋物線截面 型線)的CFD軟件(圖1)。以他為基礎可以精確的計算出建筑群內外環(huán)境的重要數(shù)據(jù)。1.根據(jù)實驗要求，在Airpak軟件中建立一組建筑群(圖2)，這里主要以計算居 住建筑和倉儲建筑的能耗為主，由于是測試建筑規(guī)劃中各個建筑相互間的影響，所以所有 的建筑只需要建立建筑表面(不需開洞)，把這些模型建造完后，確立模型所在區(qū)域的風環(huán) 境，這里可以設置風向為東偏南，風速為4.2米/秒，溫度為34度，濕度為60%，將這些數(shù)據(jù) 輸入Airpak，并且在場景中給予適當?shù)娘L向進行模擬。2.通過軟件模擬來得出當前建筑模型在當?shù)仫L環(huán)境的影響下形成的內部風流影 響(圖3)，發(fā)現(xiàn)高度與風速強弱成正比，且溫度較低，建筑間距越小，之間的風速也就越大， 離地較近的風在建筑群中會形成渦流，底下的溫度較高。而離地較遠的風在會從建筑頂上 或者旁邊流過，溫度較低。(圖3)3.接下來就要進行風環(huán)境中能耗流失情況的檢測，這次建筑布局南側存在水域， 居住建筑內部沒有需要保持濕度的功能空間，所以只計算降低溫度所消耗的能量。首先要 計算當前居住建筑的建筑體積，這個數(shù)據(jù)從建模中就可以得出，居住建筑數(shù)量(5) X建筑長度(50) X建筑進深(13) X建筑高度(18)=建筑體積(58500)立方米。接下來計算每立方米建筑降低一度所需要的能量，一般來講，2匹空調相當于 4500W左右的制冷量，大約可用于30平方米左右的空間，按普遍情況的能效比2. 8計算，每 小時耗電在1600W左右，一直開著每小時耗電約1. 6度，由于空氣平均密度為1. 2kg/m"3,空 氣的比熱為0. 24卡/克 度，因此一個1立方米的空間，降溫一度需要1X1. 2X1000X0. 24 = 288cal,288X4. 2 = 1209. 6J,1209. 6/4500 = 0. 27s,0. 27/3600X1. 6 = 0. 00012cal (以后居住建筑溫度能耗都可以用這個經(jīng)驗數(shù)值)之后計算當前居住的建筑溫度情況，其計算步驟為不開空洞時的建筑溫度為達到 舒適度所需要降低的溫度(這里取26度)，通過軟件模擬的情況來看，居住建筑內部溫度 在不同的部位各不相同，這里為了方便計算，將溫度切片切與第一層(即緊貼于地面的溫 度)，發(fā)現(xiàn)5棟建筑內部溫度各不相同，邊緣2棟由于通風性較好溫度較低，而中間建筑內部 溫度則比較高。為方便溫度的計算對建筑內進行單元劃分，由于計算機已經(jīng)可以對每個平面進行溫度切面的分析，并通過顏色區(qū)分區(qū)域內溫度大小。建筑單元劃分建立在此基礎上(如果 要求細膩可以劃得更多)，把輸出的溫度切片圖導入到平面軟件中，建筑師要在溫度分布圖 上劃分單元，每一個被劃分的單元內會存在著不同顏色的溫度區(qū)，單位劃分的越小，單位內 的顏色差距也就越少，針對每個單元內建筑師可以根據(jù)溫度顏色大致估計出此局部區(qū)域內 溫度的平均值，把他輸入到一個表格中，等到其他單元的數(shù)值都被計算出輸入表格后一起 相加，最后除以單元數(shù)就得到了 一個溫度切片平面內的建筑平均溫度。這里可以把每一個建筑劃分成2個等分，則5個建筑總共分成了 10分，這是為了 解決有些建筑一半較熱，一般適中的情況，從模擬情況來看10個等分中有2個等分溫度達 到35度，1個等分溫度達到33度，其余7個接近34度，這樣就得出5棟居住建筑的一層 平均溫度為(35X 2+33X 1+34X 7)/10 = 34. 1度，之后將切片切與第二層(離地面Z軸3 米的地方)，以同樣方法得出5棟居住建筑的二層平均溫度為34. 2度，以此類推，3、4、5、 6層和頂樓的建筑溫度分別為34度、33. 5度、34. 2度、34度和34度，則總建筑平均溫度為 (34. 1+34. 2+34+33. 5+34. 2+34+34)/7 = 34. 03 度。減去 26 度為 8. 03 度，由此就可以分析 出，整個居住建筑群所消耗的能量為58500X0. 00012X8. 03 = 56. 37cal?，F(xiàn)在對倉儲建筑的進行計算，此倉儲建筑內存在著科研所需的孵化裝置，不但要 控制濕度，還要控制溫度。其計算步驟與居住建筑溫度一致，溫度濕度控制中，溫濕度控制 裝置包括溫濕度控制器配合加熱器，加濕器和空調等，其能耗方式為形成了一套整體的系 統(tǒng)，但作為風環(huán)境情況下的模擬，環(huán)境溫差和濕度差的N值肯定有所不同，所以計算方式為 倉儲能耗=T* [ (N1^cal/m3) + (N2*cal2/m3)]，其中N1表示降低溫度的次數(shù)，cal/m3表示在1 立方米內控制1度溫度用的電耗，N2表示降低濕度的次數(shù)，cal2/m3表示1立方米內控制1 % 濕度用的電耗。其中T = 12750，N1 = 39. 5 (孵化溫度)-34. 5 (當前倉儲平均溫度)=5， caVm3 = 0.00036，N2= [70% (孵化濕度)-60% (當前倉儲平均濕度)]*100 = 10,cal2/ m3 = 0. 0015，則當前倉儲建筑能耗為 12750 X [(5X0. 00036) + (10 X 0. 00015)] = 42. 08cal4.這時要根據(jù)建筑性質確定建筑的布局方案，本次建筑群中有2座倉儲建筑，5座居住建筑和1個大型商業(yè)建筑。就舒適度順序而言，要先滿足居住，其次商業(yè)，再次為倉儲 建筑。由于當?shù)叵募局饕菛|南風，而由模擬結果可知受風力影響最大的東南區(qū)域有利于 快速降低建筑溫度，商業(yè)建筑布置在南則會影響北面居住建筑的通風，所以居住建筑會被 優(yōu)先設置在南方，其目的是為了加速風在這里的流通，然后在北側布置東西向的商業(yè)建筑 和倉儲建筑。5.根據(jù)軟件模擬的情況，商業(yè)建筑布置在西北側時由于會遮擋風的流通從而在居 住區(qū)間形成溫度較高的圍合空間，從而在居住建筑北面形成了高溫，另一方面?zhèn)}儲建筑存 在著濕度的要求，要避免通風帶走倉儲建筑的濕度，所以將大型商業(yè)布置在東北側，減少風 流通的影響，倉儲建筑設在西北側即可以留住濕度，另一方面此倉儲建筑要求高溫條件，設 置在這里可以留住溫度。 接下來就是建筑師根據(jù)先前模擬的風環(huán)境對建筑的排列和布局進行微調，達到最 合適的布置狀態(tài)，由于本次演練主要觀測居住建筑和倉儲建筑的能耗情況，所以主要考慮 居住建筑的降溫效果和倉儲建筑的溫濕度控制效果，當建筑師根據(jù)分析得出的外部環(huán)境參 數(shù)重新確立完方案后，就可以進行風環(huán)境的模擬，測算建筑能耗的流失情況，最終形成了調 節(jié)后最有利于降低能耗的合理改進方案。對改進方案重新進行模擬，新布置的方案由于通暢的風環(huán)境，大大帶走了區(qū)域內 的熱量，這樣更接近于理想溫度(相對于原先也就降低了空調排除室內熱量所需的能耗)， 然而東北部區(qū)域仍然存有小面積熱源，所以可以將第二排居住建筑向西移，增加商業(yè)建筑 受風的面積來減少聚熱區(qū)。這樣也就通過建筑規(guī)劃達到了降低能耗的最合理方案(圖4)。 現(xiàn)在對規(guī)劃完之后的方案進行能耗計算，與前面方法相同，最終得到整個居住建筑群所消 耗的能量為58500X0. 00012X7. 98 = 56. 02cal,比前布局居住建筑減少了 0. 35cal的能
^^ ο現(xiàn)在來分析下倉儲建筑，由于放在背風處，因此此處的溫度和濕度被增加了，其新 的能耗為 12750X [(4. 94X0. 00036)+ (9. 96X0. 00015)] = 41. 72cal,比前倉儲建筑總能 耗降低了 0. 36cal的能耗。這樣整個規(guī)劃方案比先前節(jié)省了 0. 71cal的能耗，由于當前沒有進行任何節(jié)能措 施，只變換建筑布局的情況下完成的，所以能耗差距并不明顯，但是錯落式的建筑布局增加 了內部風的流通情況，使得后一排建筑表面受到的風壓和風速比先前增加，有利于今后建 筑的節(jié)能設計。6.為了驗證方案模擬情況在現(xiàn)實中的可行性，我們要進行風洞模擬(這 一步只為驗證專利的合理性，可省去)，這次采用風洞實驗裝置(實驗段尺寸 2. 5m(w) X 2. Im(h) X 18. Om(I)，風洞總長33· 0m，實驗風速l_20m/s，風機功率100kw，可 控硅供電且無極調速，如圖5、圖6)。實驗裝置包括激光片光瞬時濃度場測量系統(tǒng)、熱線風 速儀、動態(tài)應力應變儀、數(shù)據(jù)處理及圖形顯示系統(tǒng)、流動參數(shù)常規(guī)測試儀器儀表)，將這8塊 建筑的等比模型置入風洞實驗裝置中，運用風洞試驗裝置模擬建筑的風環(huán)境；制作完成后 將建筑模型置入風洞試驗裝置中，向裝置內輸入模擬環(huán)境的自然風，模型熱環(huán)境有改變時， 熱線風速儀和動態(tài)應力應變儀會將處理的數(shù)據(jù)及圖形顯示給觀察人員；最后通過能量消耗 系數(shù)的換算得出建筑風環(huán)境對能耗的消耗量。通過布局的變化和不同可以顯示出2種方案 對能耗的影響，布局2的建筑內部環(huán)境參數(shù)比布局1的建筑內部環(huán)境參數(shù)略小一點，就建筑外部環(huán)境而言，布局2比布局1更有利于通風，這在建筑設計中更有利于通過改善通風來降 低建筑能耗，如果在適當區(qū)域增加一些節(jié)能措施，效果就更明顯了。實施例2 在公共建筑中的污染濃度取決于人流的密集程度，大體量的建筑內部人流較多會 導致的二氧化碳濃度增加，為保證公共建筑空氣質量，要采用排污裝置，現(xiàn)在對公共建筑要 進行排污控制的能耗計算。假設公共建筑體積T為50*30*15 = 22500立方米，現(xiàn)在采用換氣扇排出建筑內的 空氣，其功率為30W，換氣量為200m3/h。假設每個角落的空氣都要凈化，則需要22500 + 200 =112.5臺換氣扇(0. 5估算為小功率換氣扇)，功率為112. 5*30 = 3375瓦。假設建筑為完全密封狀態(tài)，建筑分為5層，在人流密集時每2平方米一人，則總人 數(shù)為50*30*5 + 2 = 3750人，現(xiàn)在計算一人一分鐘呼出的二氧化碳量。由已知數(shù)據(jù)表明，若 一個健康人，體重70公斤左右，在不同的情況下呼出的二氧化碳有所區(qū)別1.休息狀態(tài)時，每分鐘呼出0. 25升二氧化碳； 2.當他處于日常的活動狀態(tài)時，每分鐘呼出約1升二氧化碳；3.從事較為激烈的體力活動，例如慢跑或者有氧健身運動時，每分鐘呼出的二氧 化碳就將多達2升。一般而言，處在商業(yè)建筑中的人都是處于日?；顒訝顟B(tài)中，則此建筑在人流 較多時1小時會產(chǎn)生3750*60 = 225000升的二氧化碳，則1立方米的二氧化碳為 225000 + 22500 (建筑體積)=10升，1升=1立方分米=0. 001立方米，則10升=0. 01
立方米?？紤]到建筑處送入的空氣為新空氣，量與排出的量一致為1立方米的空氣(一 小時內一立方米空間送入的新鮮空氣量)，加上建筑固有的空氣存在體積減去人的體積為 1+1-0. 05 + 3 + 2 (建筑中平均1立方米人所占去的體積)=1.9917立方米，減去人一小時 吸入的空氣為1.9917-0. 01 (和呼出空氣同等)=1.9907 (此數(shù)值是純空氣)；建筑排出的空氣只包括排風扇內排出的氣體，即1立方米的空氣；建筑內1小時制造的二氧化碳為0. 01立方米；這樣就可以算出，建筑如果不排風的情況下一立方米內一小時內二氧化碳達到 1. 9907*0. 03% +0. 01*100%= 0. 010597 立方米，則二氧化碳濃度為 1. 059721%,換氣扇再用1小時換出1立方米二氧化碳含量為1.059721%的空氣(假定還是 不斷送入二氧化碳含量為0. 003 %的空氣)，可以把空氣的二氧化碳量減到(1. 059721 % +0.03% )+2 = 0. 545%，如果需要將建筑內部空氣的二氧化碳含量控制在0. 1%，則通風 速度要增加為原來的5. 45倍，能源一小時內的消耗就變?yōu)?375*5. 45 = 18393. 75瓦有了前面的理論參數(shù)(此步驟可以精確計算出沒作節(jié)能改造時建筑內部環(huán)境參 數(shù))，現(xiàn)在要增加節(jié)能措施來降低能耗，其目標是在不增加能耗和換風機的情況下把二氧化 碳含量降到0. 3%。在CFD中建立建筑模型(注建筑層高加設為3. 5米，其中0. 5米作 為通風空間，所以計算在室內換氣空間，這樣所要計算的區(qū)域一層的高度只有3米)，并在 南側送入新鮮空氣，由于是完全的無風狀態(tài)，攝入?yún)?shù)為0. 004167米/小時的風源，包換 0. 03%二氧化碳，由于建筑有5層，則一小時內每一層排出50*30 + 2*0. 01 = 7. 5立方米二 氧化碳，在離開每一層地面1. 5米處設置一個向上的風速為0. 00000138米/秒的風源，其屬性為純二氧化碳，共設5處，北側為換風扇排出區(qū)，即向北攝入?yún)?shù)為0. 004167米/小時 的風源，不作氣體屬性編輯(由于不改變風扇數(shù)量，直接簡化為大型的氣流排出的風源可 以節(jié)省計算量)?，F(xiàn)在就對模型進行CFD模擬，發(fā)現(xiàn)建筑內測的二氧化碳含量很高，越偏向于北面 濃度越大。為改善建筑排污能力，在建筑中央開設連通1層到5層的通風道，為了保證建 筑排氣不單單通過北部通風口，而且可以從中間的管道排出屋頂以外(此項節(jié)能技術為 屋頂排風技術)，由于外部環(huán)境模擬為無風環(huán)境，所以要模擬此處的排污能力，在底面向上 設置參數(shù)為0. 004167米/小時的風源，包換0. 03%二氧化碳，頂上設置排出風源區(qū)。另 一方面可以在室內種植大量的綠化來凈化空氣，預計每一層1500平方米的面積上留5% 的區(qū)域種植植物，每平方米植物一小時吸收0. 05千克二氧化碳并排出氧氣，而1立方米 二氧化碳為1. 977千克，要在靠建筑南側和北側(植物藥光合作用)布置0. 05*1500*5% *2 + l. 9 7 7 + 602 = 0 . 00 1 0 54米/秒的長條型風源(此風源屬性設置為純氧，由于植物吸收 二氧化碳又吐出氧氣，所以要乘以2)，每層2個，共10個此類風源，總面積為225平方米的 區(qū)域。現(xiàn)在對布置完節(jié)能方案的模型重新進行CFD模擬，模擬后得出的建筑含氧量明顯 曾高了，但由于模擬圖像只是在顏色上區(qū)分區(qū)域內部的含氧量，不能精確計算數(shù)值，所以這 里也要對建筑每一層切片并分割，其方法和實例1 一致，通過不同層面的顏色得出此處含 氧區(qū)的具體數(shù)值，相加后除以平均數(shù)得出改造后的建筑排污技術使得室內平均二氧化碳含 量達到了 0. 32 %，接近預期的目標。由此可見，降低區(qū)域建筑能耗流失的方法可以即時的檢測出能耗的變化，從而進 行建筑布局甚至造型的規(guī)劃設計，得出合理的方案，因此該技術可以簡便地運用到建筑設 計和城市規(guī)劃領域。
權利要求
一種降低區(qū)域建筑能耗流失的方法，其特征在于包括以下步驟(1)在流體計算軟件中建立建筑群等比模型；(2)在流體計算軟件中進行模擬自然風的流通，獲得建筑群各區(qū)域的環(huán)境參數(shù)；(3)利用所述環(huán)境參數(shù)計算建筑風環(huán)境中能耗流失情況；(4)改變建筑風環(huán)境，按照上述步驟(1)-(3)重新計算建筑風環(huán)境中能耗流失情況；(5)將步驟(3)、(4)所得到的建筑風環(huán)境能耗流失情況進行對比，選出能耗流失最少的方案，從而將建筑布置在最有利于減少能耗的位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的降低區(qū)域建筑能耗流失的方法，其特征在于，所述環(huán)境參數(shù) 為溫度、濕度和二氧化碳濃度中的至少一項。
3.根據(jù)權利要求1所述的降低區(qū)域建筑能耗流失的方法，其特征在于，所述計算建筑 風環(huán)境中能耗流失情況的方法包括以下步驟a.根據(jù)建筑功能將所述建筑群劃分區(qū)域；b.通過以下公式計算所述各區(qū)域的能耗能耗=T*N*E/m3，其中T為所述區(qū)域的建筑 總體積，E/m3為1立方米空氣溫度升高或降低1°C或者濕度升高或降低需要消耗的單元 能耗，N為所述區(qū)域的溫度或濕度與理想環(huán)境的溫度或濕度的差值；c.將所述各區(qū)域的能耗相加，即得相應建筑風環(huán)境中能耗流失情況。
全文摘要
本發(fā)明涉及建筑氣象學、動力機械行業(yè)技術領域，具體涉及一種降低區(qū)域建筑能耗流失的方法，該方法包括以下步驟(1)在流體計算軟件中建立建筑群等比模型；(2)在流體計算軟件中進行模擬自然風的流通，獲得建筑群各區(qū)域的環(huán)境參數(shù)；(3)利用所述環(huán)境參數(shù)計算建筑風環(huán)境中能耗流失情況；(4)改變建筑風環(huán)境，按照上述步驟(1)-(3)重新計算建筑風環(huán)境中能耗流失情況；(5)將步驟(3)、(4)所得到的建筑風環(huán)境能耗流失情況進行對比，選出能耗流失最少的方案，從而將建筑布置在最有利于減少能耗的位置。本方法對建筑風環(huán)境進行能耗的檢測與對比，從而對建筑風環(huán)境進行有效的改進和完善，得到降低區(qū)域建筑能耗流失的最佳方案。
文檔編號G06F17/50GK101872380SQ201010223058
公開日2010年10月27日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權日2010年7月9日
發(fā)明者李楊露西, 楊麗, 汪闊, 熊佳, 蔣集中 申請人:上海理工大學