建筑環(huán)境設計模擬工具包DeST

1、建筑環(huán)境設計模擬工具包DeST             摘要建筑環(huán)境設計模擬工具包DeST是基于功能的模擬軟件，用于對建筑、方案、系統(tǒng)及水力計算進行模擬，以校核設計，保證設計的可靠性。介紹了DeST的結(jié)構(gòu)、用戶界面，并結(jié)合工程實例說明了DeST的應用。 關(guān)鍵詞建筑環(huán)境模擬 模擬軟件 DeST 1 開發(fā)DeST的目的近30年來，建筑和空調(diào)系統(tǒng)的模擬被廣泛地應用在學術(shù)研究領(lǐng)域，出現(xiàn)了很多的模擬模型、模擬方法以及模擬應用工具。模擬技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但在實際設計中，采用模擬技術(shù)輔助分

2、析的仍然很少，大多數(shù)設計仍然僅考慮最不利工況，而沒有考慮全年的運行過程，這導致了諸如設備選擇不合理、過渡季無法滿足要求等問題。最近，國內(nèi)外的研究機構(gòu)和設計公司開始投入越來越多的力量以縮小模擬和設計之間的應用鴻溝。例如在國際能源組織（IEA）最近結(jié)束的研究子項ANNEX 301 "Bring simulation into application"中，設計過程中的模擬技術(shù)應用研究是其最主要的章節(jié)。雖然，采用模擬分析的手段可以提高設計的可靠性，但只有在明確了設計和模擬之間的關(guān)系之后，才能制造出在實際設計過程中能夠被有效利用的模擬分析工具。而現(xiàn)有國外幾種主流的模擬分析工具由于在開

3、發(fā)時沒有充分考慮設計過程的階段性、延續(xù)性等特點，只能用于學術(shù)研究領(lǐng)域。 設計過程是一個階段化的過程，包括初步設計、方案設計、詳細設計以及后設計階段。這是一個復雜的、不斷反饋的過程，目前是否存在一個模擬分析工具能夠服務于整個過程呢？ 目前的模擬工具可以劃分成兩大類：一類是基于功能的，以DOE為主要代表；另一類是基于模聲的，以TRNSYS，HVACSIM+,MATLAB為代表?；诠δ艿哪M工具從滿足某種功能要求（如計算建筑全年能耗）出發(fā)來設計模擬系統(tǒng)；基于模塊的模擬工具注重于構(gòu)建系統(tǒng)的靈活性，其特點是采用通用的模塊接口和統(tǒng)一的非線性求解核心。 當所有的條件都已知時，使用模塊化的模擬系統(tǒng)可以很方便

4、地建立起整個系統(tǒng)的框架并進行模擬計算，這使得它們非常適用于研究領(lǐng)域，通過模擬計算去了解在系統(tǒng)的各個部件確定后系統(tǒng)的運行狀態(tài)。但在設計過程中，尤其是在設計的初步階段，設計人員無法掌握所有的信息，某些數(shù)據(jù)是模擬的輸出而不是輸入。例如，在方案設計階段，當設計人員試圖比較不同的系統(tǒng)形式時，因為空調(diào)機組的選擇應該在方案確定之后進行，他無法了解空調(diào)機組的具體信息。為了使模塊化的模擬程序能夠運行，使用者不得不采用"缺省"的部件，選擇某種"缺省的空調(diào)機組"來構(gòu)建模擬系統(tǒng)。計算機模擬軟件一個很重要的特性是輸出嚴重地依賴于輸入。因此，模擬由諸多"缺省"的

5、部件組成的系統(tǒng)，其結(jié)果對實際的設計不具備指導意義，當其"缺省"的是后續(xù)設計的目標時，這樣的模擬計算無助于設計人員進行決策。因此，模塊化的模擬工具雖然適用于學術(shù)研究，但并不適用于工程設計。 與模塊工具相比，基于功能的模擬工具靈活性較低，但是更接近于設計人員思路，因此較容易被采用。為了把握全年的運行特性，設計人員通常用其來計算建筑物全年的能耗要求。作為其代表的DOE由建筑模擬、系統(tǒng)模擬和機組模擬三大部分組成。但其中各模塊之間的關(guān)聯(lián)存在著缺陷。例如，"在空調(diào)系統(tǒng)的模擬中，假設送風溫度是已知的。這樣的處理對于簡單的運行方式（例如已經(jīng)確定每一個時刻的送風溫度）是有效的，但對

6、于較復雜的系統(tǒng)則無法工作，需要采用前一時刻的數(shù)據(jù)，或者建筑物的模擬必須進行兩次（對于最熱控制模式和最冷控制模式）"。這意味著設計人員在方案分析階段，進行方案比較時，不得不回到概念性階段，再次進行建筑模擬計算。建筑模擬和系統(tǒng)模擬之間的聯(lián)系無法體現(xiàn)出設計過程中兩兩個階段之間的關(guān)聯(lián)。而采用房間負荷作為各個階段之間的聯(lián)系導致建筑模擬、系統(tǒng)模擬和機組模擬等各模塊過度緊密地耦合在一起，這使得DOE被限制在建筑物全年能耗分析，而不能勝任設備選擇以及管網(wǎng)系統(tǒng)校驗等工作。 由此可見，上述兩種模擬分析工具都存在著某些缺點而無法有效地應用在設計過程中。因此，制作一個適用于設計的模擬分析工具，必須充分考慮設

7、計過程的階段性；處理好各個設計階段中的已知、未知關(guān)系；設計過程應考慮全年的運行狀態(tài)，因此必須采用另一種運行方式來替代實際的小步長控制方式模擬。 作為ANNEX30的一個參加者，清華大學提出了"分階段設計，分階段模擬"的思路，在充分考慮上述3個要素的基礎上，開發(fā)出了建筑環(huán)境控制系統(tǒng)模擬分析工具包（DeST），并應用在若干實際工程中。DeST是基于功能的模擬軟件，對應設計的不同階段，提供相應的功能性模塊。其任務是在設計的整個過程中，通過建筑模擬、方案模擬、系統(tǒng)模擬、水力模擬等手段對設計進行校核，并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)結(jié)果對設計進行驗證，從而保證設計的可靠性。 2 DeST的結(jié)構(gòu)DeST

8、在設計時充分考慮了"設計的階段性"這一特點。相應于設計的不同階段，DeST由不同的功能性模塊組成，并根據(jù)階段之間的聯(lián)系在模塊之間建立其相應的關(guān)聯(lián)。圖1是DeST的整體框架結(jié)構(gòu)示意圖。矩形表示各個模塊，箭頭表示各模塊之間的關(guān)系。 圖1 DeST結(jié)構(gòu)框架示意圖 DeST所需要的氣象數(shù)據(jù)由Medpha產(chǎn)生，其基礎是20年的實測數(shù)據(jù)和隨機氣象數(shù)學模型。目前Medpha可以生成各格式的、193個中國城市的逐時氣象參數(shù)。計算機輔助建筑描述程序CABD是一個基于ACAD平臺的建筑描述界面，設計人員通過它描述建筑物的圍護結(jié)構(gòu)（幾何尺寸，熱特性參數(shù)）以及各種內(nèi)擾的變化情況。在進行詳細的建筑模

9、擬時，需要輸入各種經(jīng)驗系數(shù)（例如熱量在空間內(nèi)的分布等），這通過經(jīng)驗系數(shù)維護程序ECM完成。CABD是DeST的主控界面，它把用戶繪制的建筑物的相關(guān)數(shù)據(jù)自動傳輸給建筑分析模擬模塊BAS。BAS的任務對建筑物進行詳細的逐時模擬，其數(shù)學模型是增強的狀態(tài)空間法6，7。BAS是一個精確的多空間建筑模擬程序，它負責計算逐時的房間基礎室溫（RBT，在沒有任何空調(diào)系統(tǒng)影響下的房間溫度）。逐時的基礎室溫反映了房間在被動熱擾影響的下的熱特性。在初步設計階段，建筑師可以通過基礎室溫來比較各種因素的影響，如圍護結(jié)構(gòu)的材料、朝向、建筑物的形狀等等。當建筑設計確定之后，方案模擬程序Scheme可用來計算建筑物在各種空調(diào)方

10、案（分區(qū)，系統(tǒng)類型，運行方式）下的熱特性，在方案設計階段，設計者可以通過模擬結(jié)果對不同的空調(diào)系統(tǒng)方案進行比較取舍。在方案確定之后，方案模擬程序計算出對機組或者末端的詳細要求，通過逐時系統(tǒng)要求的送回風參數(shù)以及風量，空調(diào)機組選擇程序ACSel對選擇的設備進行全工況滿足要求，另一方面可以檢驗各設備在全年工況下是否能完全滿足需求，另一方面得到對冷熱源的水溫、水量要求。當對冷熱源的需求明確后，類似的方法可以用于冷熱源的需求明確后，類似的方法可以用于冷熱源的優(yōu)化選擇，通過冷熱源優(yōu)化程序CPO對用戶選擇的冷凍機類型、臺數(shù)和運行方式進行校核，保證機組在整個運行周期內(nèi)保持最高的能效比。通過方案模擬得到全年逐時要

11、求的風量后（對于變風量系統(tǒng)），再通過送風管網(wǎng)可及性分析DNA計算出風機全年的工況點，從而可以根據(jù)其全運行要求選擇風機，使其大部時間工作在高效率區(qū)間內(nèi)。同時，通過可及性分析也可計算出各末端要求的壓差，以此通過NLA對變風量末端進行噪聲分析。類似的策略可以用于水管分析，通過PNA來實現(xiàn)。圖2列出了設計的各階段及其對應的DeST模擬程序。 圖2 DeST各模塊及其對應的設計階段 通過這樣的結(jié)構(gòu)設計，設計人員在每一個階段都能利用相應的模擬模塊來計算不同設計中系統(tǒng)的性能（滿意度、能耗要求），并通過比較確定較佳的方案。同時，本階段模擬的一部分結(jié)果也是下一階段設計的輸入（對下一階段的需求。）作為一個服務于設

12、計者的工具，DeST根據(jù)設計者的要求進行繁復的計算，而設計得通過分析模擬結(jié)果對設計進行比較取舍。 3 對已知和未知條件的處理設計過程包含各種不同的設計階段，每個階段的已知和未知條件不同，隨著設計的展開，各階段的已知和未知條件也隨時之相互轉(zhuǎn)化，前一階段的未知因素通過設計成為本階段的已知條件。例如，在初步設計階段，內(nèi)外擾是已知條件，在這些擾運作用下建筑物的熱特性是未知的；而到了方案設計階段，建筑物的熱特性成為已知因素，設計者需要在詳細的建筑物熱特性的基礎上對空調(diào)方案進行比較、取舍，并為進一步的設備選擇提供依據(jù)。建筑物的熱特性是初步設計和方案設計之間的重要橋梁，通過設計分析，它從前一階段的未知條件變

13、為后一階段的已知條件。 在每一個設計階段，DeST采用詳細的數(shù)學模型來表述已知的部分，而"理想化"的部件來表述未知的部分。假設"理想化"的部件能滿足任何的要求（冷熱量、水量等）。這樣的處理與設計過程相當吻合，并且避免了"缺省的部件"對模擬結(jié)果的不利影響。因為有些未知的部分往往是到下一階段才能解決，無論采用何種的"缺省部件"都不能保證與下一階段最終選擇的部件一致。采用"理想化"模型具有兩個優(yōu)點： ·基于"理想化"模型的模擬結(jié)果具有可比性，因為它們采用了相同的輸入和假設

14、。 ·可以得到對下一階段的需求。"理想化"模塊的輸出便是對實際設備的要求，而"缺省設備"則無法為下階段選擇提供有益的信息。 以方案設計階段為例，表1中給出了本階段的任務、已知和未知條件。 表1 方案分析階段的任務和條件 任務選擇適當?shù)姆謪^(qū)方式、空調(diào)系統(tǒng)形式（變風量、定風量等）以及運行方式（新風利用策略等） 已知建筑物的熱特性（基礎室溫、各種熱擾對房間溫度的響應） 未知送風管道系統(tǒng)空調(diào)機組的詳細信息控制手段 方案模擬數(shù)學模型為 ，每一時間步長 式中，tk為房間 k的空氣溫度；dk為房間k的含濕量；Qk為通過風機盤管或末端再熱器投入到房間k的冷熱量

15、；Gk為房間k的送風量；tk,base為房間 k的基礎室溫；A，Aj，Bj為狀態(tài)空間法中的系數(shù)；tsupply為機組的送風溫度；d supply為機組的送風含濕量；t k,set,min，t k,set,max分別為房間 k的溫度設定最小值和最大值； k,set,min， k,set,max為房間 k的相對溫度最小值和最大值，%；G k, min，G k, max 為房間k的最小和最大送風量（變風量系統(tǒng)）；Q k, min，Q k, max 為房間k的風機盤管或者末端熱器可投入的冷熱量最小值和最大值；t out，d out 為房間k分別為室外的空氣溫度和含濕量；t return，d retur

16、n 分別為機組的回風溫度和含濕量；min：J為空氣處理室及各末端的最小能耗。 通過詳細的建筑模擬，得到了各房間的基礎室溫tk,base和空調(diào)系統(tǒng)（冷熱量）作用在房間溫度上的影響系數(shù)A和Aj。它們是本階段的已知因素。各個時刻下送風量（Gk）、送風狀態(tài)（tsupply，d supply）以及風機盤管或者末端再熱器的輸出（Qk，如果系統(tǒng)中有相應的設備）需要通過本階段的模擬來確定，其目標是使系統(tǒng)內(nèi)所有的房間都能滿足其設定值要求，所有的參數(shù)都必須滿足方程組（1）的限制。通過下列步驟，可以計算出各種空調(diào)方案下系統(tǒng)的性能： 計算每一個房間所要求的送風狀態(tài)區(qū)域（SSRk）； 由于在任一時刻，系統(tǒng)只能存在一個統(tǒng)

17、一的送風狀態(tài)，因此需要求出所有房間送風狀態(tài)區(qū)域的交集（公共的送風狀態(tài)區(qū)間，CSSR）； 以公共的送風狀態(tài)區(qū)域內(nèi)的任何一點作為送風參數(shù)，都能使分區(qū)內(nèi)所有的房間滿足其設定值要求，而不同的送風狀態(tài)點對應的空氣處理能耗是不同的，在此通過某種優(yōu)化算法計算出公共送風狀態(tài)區(qū)域中的最優(yōu)點，同時確定產(chǎn)生此最優(yōu)送風狀態(tài)點的相應的空氣處理過程： 在確定最優(yōu)的送風狀態(tài)之后，依據(jù)能耗最小的原則，可以確定系統(tǒng)的送風量及風機盤管或者末端再熱熱器投入的冷熱量。 計算出各個房間的溫濕度。 根據(jù)計算出來的逐時的各個房間的溫濕度，統(tǒng)計全年內(nèi)各房間滿足設定值要求的小時數(shù)或者比率，并以此來比較不同空調(diào)方案的性能。如果不同的方案都能滿足

18、各房間要求，則通過各方案要求能耗值來進行比較。 在此階段，空氣處理室被發(fā)作一個"理想化"的設備，假設它能夠產(chǎn)生要求的任意送風溫濕度。在進行方案模擬時，只需要確定空氣處理室的類型，而不需要確定各組成的詳細參數(shù)。圖3是一個"理想化"空氣處理室的示意圖，該空氣處理室的示意圖，該空氣處理室包括一個混合段、表冷盤管、再熱盤管以及蒸汽加濕器。t1，t2代表室外和室內(nèi)的空氣狀態(tài)，tW是冷凍水進口溫度。當空氣處理室的類型確定后，類似圖3的焓濕圖分區(qū)也隨這確定?？諝馓幚磉^程的方向受到設備類型的限制，例如加熱過程必然是一根垂直向上的線。而設備的容量是無限的（"理想

19、化"假設），空氣處理過程線的長度可以任意長。采用"理想"化的空氣處理室進行方案模擬，可以計算出全年中各個時刻對各個部件的要求。當方案確定后，對整個空氣處理室的要求隨之確定。根據(jù)逐時要求的各段空氣處理過程線，在詳細設計階段可以對機組的各個組成部件進行詳細的校核。 圖3 一個“理想化”的空氣處理室 同樣的假設也被用在送風管網(wǎng)分析上。在方案分析階段，假設送風管網(wǎng)可以提供任意要求的送風量。當方案設計完成后，也得到了要求的逐時風量分布數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)正是進行風機和管網(wǎng)的詳細校核所需要的。 4 控制和逆向計算過程通?？刂贫际且孕〔介L進行的，但在空調(diào)系統(tǒng)設計時，需要考慮建筑物和

20、系統(tǒng)全年的運行情況。如何將這兩種不同類型的過程結(jié)合在一起呢？實際上，設計可以劃分成兩個層次：空調(diào)系統(tǒng)設計和控制設計。DeST注重于解決前一層次的問題。無論選擇何種系統(tǒng)，采用何種設備，系統(tǒng)設計的目的是要產(chǎn)生一個完全可控的、能夠滿足用戶要求的系統(tǒng)。DeST對系統(tǒng)進行模擬時，以1h為時間步長進行長時間（全年）的計算。為了避免不同控制器特性的影響，沒有采用小步長的控制方法，而用逆向的計算過程。例如，在詳細設計階段，當對變風量系統(tǒng)的送風管網(wǎng)進行分析時，設計者的任務是校驗管網(wǎng)能否滿足各個時刻的風量分布要求，并選擇適當?shù)娘L機。 為解決此問題，采用傳統(tǒng)小步長控制的模擬過程是： 選擇一個風機，設定控制參數(shù)（比如

21、PID參數(shù)）； 計算管網(wǎng)各處的流量； 如果管網(wǎng)的流量與要求的流量沒，通過某種控制策略調(diào)整變風量末端； 在下一個小的時間步長內(nèi)，重復，以期達到要求的流量分布。 由于風道的慣性非常小，此模擬必須以相當小的時間步長進行計算（1s），能否達到要求的流量分布與控制策略有很大的關(guān)系，因此此方法不適用于對全年各種工況的校驗。從另一個角度考慮此問題，假想在一種理想化的控制下，各變風量末端可以滿足要求的送風量，從而可以計算出各管段上的流量；假設各房間的壓力為零，則當定壓點壓力能夠維持時，各變風量前后的壓差可以計算出來，對風機的流量和壓力要求也可以確定。相對于傳統(tǒng)的模擬過程，這是一種逆向的求解過程。因此，校驗送風

22、量分布是否能夠?qū)崿F(xiàn)，應該首先通過在各工況下地風機的要求來判斷，而不應立即著眼于確定詳細的控制策略。只要風機和管網(wǎng)能夠在理想控制下滿足要求，則必然可以通過某種具體的控制方式滿足流量分布。在設計時，應先解決"可控性"的問題，然后再解決"如何控制"的問題。圖4給出了在兩種定靜壓控制方式和一種變靜壓控制方式下風機的工況點。在此基礎上可以選擇風機以滿足全年運行，結(jié)合風機的性能參數(shù)，確定風機全年能耗，也可以根據(jù)各變風量末端的壓差計算出各個時刻下的末端噪聲。 圖4 不同靜壓控制方式下的風機工況點定壓點位于風機出口處浮動靜壓控制定壓點位于風道上距風機出口2/3處 采用逆

23、向的求解思路，避免了采用小步長的反饋控制，逆向的求解過程可以看成一種開環(huán)的"理想化"控制方法。用此方法在進行設備（例如表冷盤管）校核計算時，可以計算出已知出口和入口參數(shù)時對冷凍水側(cè)的要求。如果校核發(fā)現(xiàn)該設備無法達到要求的出口狀態(tài)，則無論采用何種控制方式，該設備都無法滿足運行的要求。從此意義上說，通過逆向的求解算法，DeST著重研究系統(tǒng)的可控制性，即： 該設備能否通過某種控制方式滿足要求？ 如果可以，該設備的最佳運行效果是什么？ 通過校核回答以上兩個問題后，設計人員可以進一步研究具體的控制方法，并通過與最佳的運行效果進行比較以確定控制方法的優(yōu)劣。 5 DeST的用戶界面DeS

24、T在WINDOWS95/98/NT下運行。所有的模塊都集成到CABD中。CABD是一個基于AutoCAD R14開發(fā)的用戶界面（見圖5）。用戶在此界面上進行建筑物的描述，通過選單調(diào)用其它模擬模塊，與建筑物相關(guān)的各種數(shù)據(jù)（材料、幾何尺寸、內(nèi)擾等）通過數(shù)據(jù)庫接口與CABD相連。采用CABD繪制如圖5所示的建筑物大約需要13h。建筑模擬所需要的逐時氣象參數(shù)，通過利用Medpha（圖6）選取相應的城市即可獲得。圖5 CABD的界面形式 圖6 Medpha(逐時氣象數(shù)據(jù)生成程序) 完成建筑物內(nèi)外擾的描述之后，BAS負責對建筑物進行詳細的模擬計算，并同步在如圖7的示的界面中顯示逐時的基礎室溫以及月平均溫度

25、。在方案模擬的進程中，空氣處理過程可動態(tài)地在焓濕圖上顯示，讓用戶了解在DeST中各種參數(shù)（送風溫度、送風量等）是如何確定的。 圖7 BAS(建筑分析及模擬程序) 各種模塊以ActiveX、DLLs通訊ARX的形式集成在一起，使得DeST成為一個高度集成化的軟件工具，其目的是最大限度地減少用戶花費在輸入數(shù)據(jù)的時間，讓設計人員將注意力集中在分析模擬結(jié)果、比較方案等創(chuàng)造性的工作中。所有的模擬結(jié)果以純文本的格式存儲，用戶可以很方便地使用其它數(shù)據(jù)處理工具（如EXCEL）進行整理和分析。通過一定的實踐，當用戶能夠熟練地使用DeST的界面后，準備數(shù)據(jù)以及運行程序所消耗的時間大概是分析所需要的時候的1/4或者

26、更少。          6 DeST能夠解決的問題下面用兩個實例來演示如何采用DeST 設計的不同階段進行分析。其一是ANNEX30案例1中1個9層的辦公樓，該樓位于德國，在模擬時采用了比利時的室外氣象參數(shù)。設計要求房間溫度全年控制在2226，相對濕度必須滿足40%60%的范圍。該案例的詳細數(shù)據(jù)參閱文獻10。圖8該建筑的標準層平面圖。另案例是位于天津的一個商業(yè)建筑。 圖8 ANNEX案例1的建筑平面圖 6.1 初步設計階段 在本階段，通過DeST計算出不同朝向下各房間逐時的基礎室溫，對該建筑物的不同朝向進行了比較

27、。圖9、10分別是不同朝向下（正面朝南：朝向一；正面朝東：朝向二）兩房間全年的基礎室溫分布。圖9 休息室1的基礎室溫分布 圖10 會議室1的基礎室溫分布 從上述結(jié)果可以看出，朝向?qū)τ陬愃茣h室1的房間沒有太大的影響，而對于類似于休息室1的房間，則有顯著的影響。朝東時該類房間要比朝南時溫度偏高許多，這說明太陽輻射對于此類房間是一個很重要的影響因素，通過此比較可對建筑的最初設計提供參 考。 6.2 方案設計：水系統(tǒng)類型比較 圖11是位于天津的一個賓館的示意圖。該樓計劃 4個朝向都采用風機盤管系統(tǒng)。為滿足客戶的要求，房間溫度必須能夠在2228之間任意調(diào)整。因此，不同的控制精工要求對于風機盤管制供水需

28、求有很大的影響，尤其在過渡季?？刂凭纫笤礁撸瑫r需要提供冷水和熱水的時間越長。 圖11 天津某商業(yè)建筑物的標準層示意圖 在模擬時，考慮了3種不同的控制精度，表2是3種不同的精度及其對應的設定值范圍。 在每一種控制精度下，DeST對該樓進行了全年的模擬，計算出各月份需要冷熱源同時提供冷水和熱水的小時數(shù)，表3是過濾季時結(jié)果。 表2 3種不同的溫度精度要求 精度房間的設定值±121±1 23±1 25±1±222±2 24±2 26±2±323±3 24±3 25±3 表3需要

29、同時提供冷熱水的運行時間/h 精度3月4月5月熱冷熱冷熱冷±1744304604450345709±2744175579204272525±366513315479288精度9月10月11月熱冷熱冷熱冷±1256684589544720149±216956957132372075±353663665366811注：“熱”，“冷”分別表示需要供熱水和冷水。 從結(jié)果可以看出，當要求的精度較高時，風機盤管需要設計成四管制以滿足各個時刻同時的冷熱水要求，否則在過渡季中將有上千h不滿足。如果要求的精度不高（如±3），則兩管制的系統(tǒng)基本可以滿足