導(dǎo)語(yǔ)：住宅建筑環(huán)境模擬管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了由清華大學(xué)開發(fā)的住宅建筑熱環(huán)境模擬軟件DeST-h，包括該軟件的用途、基本算法等，并與國(guó)外的類似軟件DOE-2在算法上進(jìn)行了較為詳細(xì)的比較，闡述了DeST-h在住宅建筑模擬方面的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：住宅建筑DeST模擬狀態(tài)空間法

1前言

模擬分析方法自從應(yīng)用于建筑技術(shù)的研究領(lǐng)域，已經(jīng)表現(xiàn)出極大的應(yīng)用價(jià)值，建筑能耗的模擬分析就是這種應(yīng)用的典型代表。建筑能耗的模擬分析使人們?cè)趯?duì)建筑物進(jìn)行研究分析的時(shí)候獲得了一個(gè)非常有力的輔助工具，這一工具使得反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、多角度的分析成為相當(dāng)容易實(shí)現(xiàn)的過程，豐富的數(shù)據(jù)結(jié)果為人們的分析工作提供有力的支持，人們只需設(shè)計(jì)模擬分析的模式和實(shí)例，借助模擬分析軟件的幫助，就能獲得極具價(jià)值的研究材料，這無疑大大縮短了研究成果的產(chǎn)生周期，也解除了實(shí)驗(yàn)對(duì)于科學(xué)研究的諸多限制。

在住宅建筑的研究領(lǐng)域，由于住宅建筑本身的特點(diǎn)，建筑本體熱特性的研究始終是非常重要的內(nèi)容，然而由于建筑的復(fù)雜性，建筑熱特性的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)測(cè)研究都是異常困難的，人們很難期望通過實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)獲得十分準(zhǔn)確并有普遍意義的結(jié)果。

模擬分析方法在住宅建筑研究領(lǐng)域的應(yīng)用給人們帶來了新的希望，借助這一工具，人們能夠從本質(zhì)上把握建筑本體的熱特性，能夠從多角度研究影響建筑熱狀況的各種因素，也能夠在計(jì)算機(jī)上實(shí)驗(yàn)建筑物對(duì)于各種外界因素的響應(yīng)特性，從而拓寬住宅建筑的研究視野并推動(dòng)住宅建筑的研究向縱深發(fā)展。

住宅建筑熱環(huán)境模擬工具包（簡(jiǎn)稱“DeST-h”）為國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“住區(qū)微氣候工程熱物理問題研究”編號(hào)59836250的子課題，是在清華大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備研究所十余年的科研成果的基礎(chǔ)上，由清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系研制開發(fā)的面向住宅類建筑的設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)及評(píng)估并集成于AutoCAD上的建筑熱特性模擬計(jì)算軟件。

DeST-h主要用于住宅建筑熱特性的影響因素分析、住宅建筑熱特性指標(biāo)的計(jì)算、住宅建筑的全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算、住宅室溫計(jì)算、末端設(shè)備系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析等領(lǐng)域。

2基本算法

DeST-h的基礎(chǔ)算法是基于清華大學(xué)江億院士在80年代初提出的用于分析建筑熱狀況的狀態(tài)空間法[1]，該算法是對(duì)建筑各個(gè)熱工部件建立熱平衡方程的基礎(chǔ)上，在空間上將其離散，時(shí)間上保持連續(xù)的一種求解方法。通過該算法，可以對(duì)建筑的熱狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬，反映出建筑熱狀況隨著時(shí)間的變化過程。

影響建筑物內(nèi)熱狀況的因素有室外氣象條件、室內(nèi)發(fā)熱以及采暖和空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行方式。除去運(yùn)行方式外，DeST-h將房間熱力系統(tǒng)的擾量可歸納為外擾和內(nèi)擾兩大類。各影響因素如圖1所示。

外擾系指室外空氣的溫度，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，風(fēng)速和風(fēng)向，以及鄰室的空氣溫度。它們可以通過兩種形式影響房間的熱狀況：熱交換和空氣交換。

熱交換是指周圍空氣以及太陽(yáng)輻射，通過不透明的板壁和半透明的門和窗玻璃等，與房間進(jìn)行傳熱量交換，太陽(yáng)輻射透過半透明玻璃向房間射入的輻射熱等即屬此種熱交換。

圖1DeST-h熱模型示意圖

空氣交換是指通過門窗縫隙，室內(nèi)、外空氣進(jìn)行一定數(shù)量的交換，即所謂空氣滲透，以及通過空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)人為地向房間送入或從房間排出一定數(shù)量的空氣。伴隨室內(nèi)外的空氣交換，外界的熱量將直接影響房間空氣的熱狀況。內(nèi)擾系指照明裝置、設(shè)備和人體的散熱。它們都將以對(duì)流和輻射兩種形式向房間進(jìn)行熱濕交換。

DeST-h將建筑的各個(gè)構(gòu)件，如墻體、窗、門等，分為許多小份，每個(gè)小份用一個(gè)節(jié)點(diǎn)代替，房間空氣溫度也作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。針對(duì)這些節(jié)點(diǎn)分別建立熱平衡方程，通過數(shù)學(xué)處理[2]，可以得到如下的方程：

方程中，反映各個(gè)節(jié)點(diǎn)所代表的建筑構(gòu)件的物理特性，為各個(gè)熱擾的擾量大小，包括外溫、太陽(yáng)輻射、人員、燈光、設(shè)備發(fā)熱等等，則為各個(gè)熱擾對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的影響系數(shù)。

通過該方程，可以嚴(yán)格求解建筑的室溫以及在控制溫度（范圍）下需要投入的冷（熱）量。具體的內(nèi)容可參見DeST-h相關(guān)文獻(xiàn)。

3基本模塊

DeST-h主要包括四個(gè)基本模塊：建筑熱物理性能求解模塊、房間溫度計(jì)算模塊、房間負(fù)荷計(jì)算模塊和住宅常見空調(diào)（供暖）方式的能耗計(jì)算模塊。

3.1建筑熱物理性能求解模塊

該模塊的核心是建筑物分析和模擬程序BAS，它的任務(wù)是對(duì)建筑物熱物性進(jìn)行詳細(xì)的逐時(shí)模擬，負(fù)責(zé)計(jì)算逐時(shí)的房間基礎(chǔ)室溫。逐時(shí)的基礎(chǔ)室溫反映了房間在被動(dòng)熱擾影響下的熱特性，在初步設(shè)計(jì)階段，建筑師可以通過基礎(chǔ)室溫來比較各種因素的影響，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料、朝向、建筑物的形狀等等。同時(shí)，基礎(chǔ)室溫也是房間溫度計(jì)算模塊的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

3.2房間溫度計(jì)算模塊

房間的溫度等于其各種熱擾（包括非空調(diào)熱擾和空調(diào)熱擾）對(duì)其歷史上的作用、本時(shí)刻投入該房間空調(diào)擾量的作用以及相鄰房間通過導(dǎo)熱和串風(fēng)的作用的累加。該模塊的任務(wù)即計(jì)算出房間在定義好的建筑物及其環(huán)控系統(tǒng)下的溫度，這一溫度體現(xiàn)的是房間的即時(shí)熱狀況；

3.3房間負(fù)荷計(jì)算模塊

房間負(fù)荷指該房間在某一時(shí)刻達(dá)到要求的溫度狀態(tài)所需投入的冷熱量，該模塊的任務(wù)即計(jì)算出房間在定義好對(duì)房間溫度的控制要求時(shí)的逐時(shí)負(fù)荷，這一負(fù)荷體現(xiàn)的是要達(dá)到一定的房間溫度控制要求所需要投入的冷量或熱量；

3.4住宅常見空調(diào)（供暖）方式的能耗計(jì)算模塊

該模塊用于計(jì)算住宅常見的幾種空調(diào)（供暖）方式的能耗，這一模塊是對(duì)房間負(fù)荷估算模塊的深化，負(fù)荷是形成能耗的基本因素，但能耗的大小還受系統(tǒng)形式的影響，該模塊所計(jì)算的能耗即是考慮了幾種住宅類建筑常見的空調(diào)（供暖）方式所得到的。

4技術(shù)特色

在國(guó)內(nèi)，目前還沒有與DeST-h相類似的軟件，國(guó)外的一些模擬軟件，如DOE-2、BLAST、EnergyPlus，日本的HASP，英國(guó)的ESP-r等，在功能上和DeST-h有許多相似之處，下面以DOE-2為例說明DeST-h在技術(shù)上的一些特點(diǎn)。

在計(jì)算原理上DeST-h是將各種擾量的影響處理為對(duì)房間溫度的影響，而DOE-2是處理為在一定溫度下對(duì)房間負(fù)荷的影響。

DOE-2采用的是運(yùn)用反應(yīng)系數(shù)法預(yù)算各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)系數(shù)（ResponseFactor），即預(yù)先計(jì)算出對(duì)于特定圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在某一確定溫度狀況下，各種擾量（例如外溫、太陽(yáng)輻射、室內(nèi)熱擾、空調(diào)送風(fēng)等）對(duì)房間負(fù)荷的影響，然后根據(jù)疊加原理（線性化假設(shè)）疊加成房間空調(diào)供暖的負(fù)荷，類似我們現(xiàn)在常用的冷負(fù)荷系數(shù)法。

DeST-h采用的是狀態(tài)空間法對(duì)建筑整體直接求解，列出建筑各個(gè)構(gòu)件（墻、樓板、窗、室內(nèi)空氣等）的熱平衡方程，然后通過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，求解出各個(gè)房間中各種擾量（例如外溫、太陽(yáng)輻射、室內(nèi)熱擾、空調(diào)送風(fēng)等）對(duì)于房間室溫的影響系數(shù)。然后根據(jù)疊加原理（線性化假設(shè)）把各個(gè)擾量計(jì)算疊加成房間沒有空調(diào)供暖時(shí)的溫度以及需要的空調(diào)供暖負(fù)荷。

因?yàn)橛幸陨喜煌?，因此DeST-h具有以下技術(shù)特色：

4.1精確模擬建筑中各房間的室溫狀況

DeST-h是通過將各個(gè)擾量疊加得到房間溫度的，除去空調(diào)熱擾外所有擾量的疊加就是房間的自然室溫（無空調(diào)采暖下的房間溫度），在此基礎(chǔ)上根據(jù)用戶設(shè)定的房間溫度計(jì)算出房間的負(fù)荷；而DOE-2在計(jì)算過程中是固定房間的溫度，把各種擾量的影響通過反應(yīng)系數(shù)疊加起來得到房間的負(fù)荷，計(jì)算的前提是由用戶給定房間的溫度，因此DOE-2無法給出在無空調(diào)采暖情況下的房間溫度情況，對(duì)于房間溫度事先無法確定的情況也難以處理。DOE-2通過不斷的試算、迭代，也可以找到滿足各種擾量下的房間溫度，但計(jì)算的時(shí)間是無法接受的。

4.2精確模擬夜間通風(fēng)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響

在冬季或是夏季的白天，通風(fēng)會(huì)給房間溫度帶來不利的影響，因此人們一般不會(huì)主動(dòng)地進(jìn)行通風(fēng)，此時(shí)DeST-h和DOE-2計(jì)算通風(fēng)帶來的負(fù)荷結(jié)果是相同的。但是，在夏季夜間，通風(fēng)對(duì)建筑的熱狀況會(huì)有很大的改善。實(shí)際情況下，特別是在住宅建筑中夏季夜間主動(dòng)通風(fēng)十分普遍和重要，而此時(shí)空調(diào)一般是不開啟的，也就是說無法事先確定房間的溫度，對(duì)于DOE-2來說，這種情況就非常難于處理，如前面所述，它只能固定房間的溫度進(jìn)行計(jì)算，因此它無法對(duì)夜間通風(fēng)對(duì)建筑熱狀況的影響作出很好的模擬；而DeST-h是通過各種擾量（包括通風(fēng)）疊加得到房間溫度的，因此可以很方便地得到房間在各種通風(fēng)情況下的溫度，體現(xiàn)出夜間通風(fēng)對(duì)白天房間溫度的影響，因此它對(duì)夜間通風(fēng)可以做精確的模擬。

4.3精確模擬鄰室傳熱對(duì)各房間熱環(huán)境的影響

目前我國(guó)正在進(jìn)行供暖改革，由原來的按面積收費(fèi)改為分戶調(diào)節(jié)計(jì)量收費(fèi)，鄰室傳熱問題成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)之一。DOE-2在處理這個(gè)問題時(shí)，只能計(jì)算出相鄰兩個(gè)房間的室溫固定時(shí)的傳熱情況，而實(shí)際上引起鄰室傳熱問題的原因是某房間供暖而另一房間不供暖，此時(shí)不供暖房間的溫度無法確定，因此DOE-2事實(shí)上難以計(jì)算。由于DeST-h在計(jì)算中是列出了整個(gè)建筑的熱平衡方程，因此對(duì)由鄰室傳熱帶來的各房間負(fù)荷、溫度影響都可以進(jìn)行精確的模擬。

4.4精確模擬間歇空調(diào)啟停對(duì)于裝機(jī)容量和運(yùn)行能耗的影響

對(duì)于間歇空調(diào)，在空調(diào)關(guān)閉期間，房間的溫度是不固定的，如前所述，DOE-2難以處理，無法得到在這種情況下的房間溫度以及由于間歇運(yùn)行帶來的裝機(jī)容量和運(yùn)行能耗的變化。DeST-h則可以由用戶隨意設(shè)定空調(diào)的開停時(shí)間，當(dāng)空調(diào)關(guān)閉時(shí)，在計(jì)算中就去掉空調(diào)擾量的影響，只考慮其它擾量和歷史因素的影響，可以得到房間實(shí)際的溫度，等空調(diào)開啟時(shí)，間歇空調(diào)對(duì)房間負(fù)荷的影響也可以通過歷史房間溫度的變化體現(xiàn)出來，從而可以得到準(zhǔn)確的空調(diào)裝機(jī)容量和運(yùn)行能耗。

4.5精確模擬內(nèi)外保溫對(duì)于空調(diào)供暖負(fù)荷的影響

內(nèi)外保溫對(duì)于間歇空調(diào)而言影響是非常大的，內(nèi)保溫與外保溫相比，在空調(diào)間歇運(yùn)行時(shí)，房間溫度的變化比較快，更能滿足人的舒適性要求，能耗上也有一定的差別。基于上面所述的理由，DeST-h在模擬分析這種情況下的建筑時(shí)，也具有很大的優(yōu)勢(shì)。

在住宅類建筑中，夜間通風(fēng)、鄰室傳熱、間歇空調(diào)以及內(nèi)外保溫等情況都是普遍存在而且對(duì)建筑熱狀況有較大影響的，同時(shí)對(duì)于一些不空調(diào)采暖的地區(qū)或建筑而言，房間的自然室溫?cái)?shù)據(jù)有著很重要的意義，通過上面的介紹可以看出，DeST-h在上述這些方面，都擁有DOE-2難以比擬的優(yōu)勢(shì)。

DeST-h是專門針對(duì)住宅類建筑設(shè)計(jì)開發(fā)的，考慮了我國(guó)大多數(shù)地區(qū)住宅建筑的特點(diǎn)，并作了大量的案例分析和理論驗(yàn)證，在用戶輸入、結(jié)果輸出方面都針對(duì)住宅建筑做了很多的優(yōu)化，因此非常適合于住宅類建筑的熱狀況模擬。

5應(yīng)用前景

由于DeST-h是全工況模擬分析的工具，運(yùn)用DeST-h輔助設(shè)計(jì)可以對(duì)設(shè)計(jì)的質(zhì)量有全年總體的量化的把握，可以分析小區(qū)布局、建筑幾何結(jié)構(gòu)、構(gòu)件材料等因素對(duì)建筑能耗的影響，從而在整體上優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約初投資及運(yùn)行費(fèi)用。另外，DeST-h可以根據(jù)建筑情況模擬計(jì)算得到建筑的能耗，因此還可以作為建筑能耗的評(píng)估工具。目前，采用DeST-h模擬計(jì)算過的建筑已超過100萬平米。

DeST-h集成了暖通空調(diào)行業(yè)的諸多先進(jìn)科研成果，運(yùn)用科學(xué)的模擬思想和方法，開創(chuàng)了該行業(yè)模擬技術(shù)應(yīng)用的嶄新局面，最終將會(huì)推動(dòng)行業(yè)健康發(fā)展，改革我國(guó)暖通空調(diào)行業(yè)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，為行業(yè)現(xiàn)代化做出貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]JiangYi,Statespacemethodforanalysisofthethermalbehaviorofroomsandcalculationofairconditioningload,ASHRAEtransactions,1981,Vol.88,p122~132；

[2]吳琪，慕春棣．自動(dòng)控制原理(上)．清華大學(xué)出版社；