一种快速计算建筑遮阳节能效果软件的开发.pdf

圃 D 一t - b 一种快速计算建筑遮阳节能效果软件的开发 张华上海市建筑科学研究院( 集团) 有限公司 摘要：遮阳技术是建筑节能技术的重要组成部分，建筑遮阳在推广应用中存在节能评估方法不完善及相应的节能计算方 法和数据缺乏等问题。上海市建筑科学研究院( 集团) 有限公司借助E n e r g y p l u s 的内核开发了一款专门针对窗户及遮阳设施的、可 快速计算遮阳节能效果的中文模拟软件。本文详细介绍了S h a d i n g p l u s 软件开发的设计思路、算法结构、节能量和遮阳系数的算 法、计算软件的界面组成。以及各部分的功能和软件的使用方法。 关键词：建筑遮阳；快速；计算软件；算法 A b s t r a c t ：B u i l d i n gs h a d i n gi s a ni m p o r t a n tp a r to fb u i l d i n ge n e r g ye f f i c i e n c y I nt h ep r o m o t i o na n da p p l i c a t i o no fb u i l d i n g s h a d i n g ，e n e r g y s a v i n ga s s e s s m e n tm e t h o d sa r en o tp e r f e c t ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge n e r g ys a v i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d sa n dd a t a l a c k S h a n g h a iR e s e a r c hI n s t i t u t eo fB u i l d i n gS c i e n c e sG r o u p ) C o ，L t d d e v e l o p e das p e c i a lC h i n e s es i m u l a t i o n s o f t w a r ef o rw i n d o w sa n d s h a d i n gf a c i l i t i e s ，w h i c hc a nq u i c k l yc a l c u l a t et h ee f f e c t o fs h a d i n gf a c i h t yw i t ht h eh e l po fE n e r g y p l u s k e r n e l T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e d e s i g ni d e a so fS h a d i n g p l u ss o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，a l g o r i t h ms t r u c t u r e ，e n e r g ys a v i n ga n ds h a d i n gc o e f f i c i e n ta l g o r i t h m , a n dt h ei n t e r f a c e c o m p o s i t i o no ft h ec a l c u l a t i o ns o f t w a r e ，a sw e l la st h ef u n c t i o no fe a c hp a r ta n dt h eu s eo fs o f t w a r e K e yw o r d s ：b u i l d i n gs h a d i n g , f a s t ，e n e r g y s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a l g o r i t h m 1 引言 遮阳技术是建筑节能技术的一个重要组成部分，科学合 理地运用遮阳技术能够防御炎热地区民用建筑的室内环境过 热，控制围护结构室外综合温度，从而降低空调使用能耗【l l 。目 前这项技术越来越被人们所重视和接受，在发达国家尤其是 欧洲城市几乎家家户户都会根据不同的需求安装各种遮阳 设备，建筑遮阳已经成为建筑中不可缺少的部分。近年来，在 政府的推动下我国的遮阳行业也取得了快速发展，自2 0 0 7 年起住房和城乡建设部先后下达了3 0 余项遮阳产品相关标 准的编制计划，包括产品标准、方法标准以及工程技术规范。 在江苏、上海等地，建筑遮阳正在大力推广应用。 评价门窗和遮阳设施的性能最主要的手段就是采用指标 量化其性能，例如S H G C ，S C 等，但是指标评价存在很大的局 限性。对于S H G C 的测定，N F R C 规定太阳光入射角必须不大 于5 0 ，但是某些窗玻璃对太阳光的透射及吸收性能会随太阳 光入射角的变化有很大的不同，因此仅用S H G C 评价这类玻 璃是不准确的。如果用能耗模拟软件，例如E n e r g y p l u s ，其天气 参数有逐时的太阳辐射强度和入射角，并且用户可以设定玻 璃的光谱特性能够比较准确的模拟出特性窗户和遮阳设施 的节能效果用节能量来衡量，这就解决了指标评价的不足之 处，但是能耗模拟的建模过程却是很繁琐的。基于此，本文借 助E n e r g y p l u s 的强大计算功能，在其基础之上开发一款专门针 对窗户及遮阳设施的快速计算遮阳节能效果的中文模拟软 件( 命名为S h a d i n g p l u s ) 。 2E n e r g y p l u s 简介 E n e r g y p l u s 由美国劳伦斯伯克利实验室( L B N L ) 开发，是 一个建筑全能耗分析软件，功能强大，具有其他软件所没有的 很多优点和功能。由四个主要模块构成：负荷模块、系统模块、 设备模块和经济模块。E n e r g y p l u s 内涵计算遮阳性能的模块， 但是其最强大的功能在于计算建筑的整体能耗，因此可以通 过能耗的高低判断窗户及遮阳设施性能的优劣。E n e r g y p l u s 的 气象参数是逐时的，采用各向异性的天空模型以改进倾斜表 面的天空散射强度因此可以逐时模拟窗户及遮阳设施对太 阳辐射的作用，这是W I N D O W 等软件不具备的功能田。虽然 E n e r g y p l u s 具备强大的计算引擎，但是其用户界面十分不友 好，如图1 所示，常常需要借助第三方软件来完成建筑模型的 建立，另外，其参数的输入也十分繁琐，因此在实际的商业工 程应用中不是很广泛。 伊霾 卜一 。氍篓型蠡蠢l 譬誊 舅嗣。餐莲囊喜妻l 羹蕊 I 9 I 删l g g 誊薹 i l l tg i 杀| 一 “c _ 8 辩 j p l i d c E 姆“，对n h 山髓嚣蕊蠡翳翳S 蠹 Il ；4 槲* 目“岫岫m 噼薛曩鞲馨嚣溺l i 辑 l 一lH “ B 自h 椭 ”、。、。 刚麓芦瑚熹一 H 器：器 图1E n e r g y p l u s 输入参数编辑器界面 3S h a d i n g p l u s 的算法设计 3 1 程序设计思路 S h a d i n g p l u s 设计目标是借助E n e r g y p l u s 的计算内核完成 对目前常用遮阳模式的模拟计算，成为一款专门计算各类遮 阳设施的节能性能及指标的计算软件输入及输出变量全部 为中文。采用相对成熟稳定且简单的V i s u a lB a s i c 来编写。 S h a d i n g p l u s 是计算引擎。其输入参数以X M L 格式存储。 3 2 用户需求分析 本软件开发的程序主要是用来计算评价遮阳设施的节能 效果，需要解决的关键问题见表1 。 2 0 1 6 0 84 1 万方数据 表1软件解决的关键问题列表 序号问题解决方案 评价不同遮阳设备的节能效果：初步 1 适用情况 设计阶段选用合适的遮阳设备。 遮阳性能 遮阳模型和基准模型相比的动态节能 2 量，节能量用空调负荷及空调耗电量来体 评价方法 现；陛能指标，S H G C 、S C 。 固定遮阳：水平遮阳、竖直遮阳、综合遮 阳、挡板遮阳、水平翻板遮阳、竖直翻板遮 3 遮阳种类阳；活动遮阳：百叶遮阳、卷帘遮阳、平推 式曲臂遮阳篷、摆转式曲臂遮阳篷、折叠式 曲臂遮阳篷、斜伸式曲臂遮阳篷。 影响遮阳 遮阳所在地区、房间概况；窗户特点、 4 玻璃材料；遮阳形式、材料及控制方式； 的因素 照明强度及控制方式。 3 3 算法结构 S h a d i n g p l u s 的算法结构如下：首先S h a d i n g p l u s 读取X M L 文档中存储的数据，经过计算及格式转换，生成I D F 文件，然 后调用E n e r g y p l u s e x e 进行模拟计算，并得到计算结果，最后 S h a d i n g p l u s 对E n e r g y p l u s 计算结果数据进行简化处理，得到用 户易于理解的数据并报告。 S h a d i n g p l u S 具备的功能主要是计算遮阳设备的动态性能 和静态指标，分别是通过节能量和遮阳系数来反应的。对于 节能量的计算，需要有比较基准，将遮阳模型和基准模型进行 对比得到节能量。因此可以看到图2 中有两个I D F 文件，一 个对应的是遮阳模型，另一个则对应基准模型，这两个模型建 立完成后，分别进行模拟计算，最后S h a d i n g p l u s 读取计算出的 结果数据，进行处理后再输出。 图2S h a d i n g p l u s 算法结构 根据上述分析。将S h a A i n g p l u s 的算法分为四大模块，如图 3 所示其中“数据格式转换”模块是最重要，也是最复杂的，下 文将选取该模块中的主要程序的算法做详细介绍。 S h a d i n g p l u s 图3S h a d i n g p l u s 内部算法模块 3 4 节能量计算算法 3 4 1 建筑模型 建筑模型的确定有两种方式：自定义建筑模型和典型建 筑模型。 a ) 自定义建筑模型 自定义建筑模型，即用户自行定义建筑的几何尺寸及内 部系统使用情况。在E n e r g y P l u s 中，通过定义每个围护结构平 面的坐标确定整个建筑的几何形状，这是一项很繁琐的工作， 大多数用户会选择使用第三方软件( 如D e s i g n B u i l d e r ， S c k e t c h U p 等) 直接画出几何模型。对于遮阳计算，建筑外形对 遮阳节能效果的影响很小，因此在本算法中使用简单的单房 间建筑。用户只需简单地输入长、宽、高，即可确定房间的几何 外形，如图4 所示。 图4 几何模型建立示意图 b ) 典型建筑模型 典型建筑模型即是对实际建筑的简化模型，但是能反映 同一类建筑的普遍特性，在这里用建筑中人员、照明、设备以 及空调系统的使用情况来反映。不同类型建筑的内部负荷不 同，其对遮阳的选择及运行策略存在比较大的影响。例如一般 办公楼建筑，通常是夏季制冷、冬季供热，因此夏季需要使用 遮阳装置来削减太阳辐射，冬季应尽可能增加太阳辐射来降 低供热能耗：但是对于商场建筑，由于其内部热负荷很大，在 冬季部分时间仍需制冷，因此其遮阳策略需要进行调整。 目前，S h a d i n g p l U S 可以模拟办公楼、商场、旅馆、住宅这四 类建筑类型。对于每一类典型建筑模型，本软件已经内置了各 个类型建筑的空调系统，不需要用户自行输入。例如办公楼， 根据一般办公楼的使用时间，设置了一天内空调的开启时间； 根据各地区的相关标准设置了空调温度；并且按照各地气候 特征分别设置了制冷和采暖的切换时间；另外，对人员、照明 和设备的情况同样进行了相应的设置，能够反映出不同建筑 类型的使用特征和空调负荷特征。表2 列出了上述四种建筑 的空调、人员、照明密度和设备密度设置。 表2 典型建筑模型参数设置 建筑 空调温 空调开启人员照明设备 度设置 类型 时间 ( m 2 人)( W ，m 2 )( W m 2 ) ( ) 办公楼 2 4 ，2 08 ：0 0 18 ：0 0581 3 商场 2 4 2 0 9 ：0 0 2 2 ：0 0 31 59 酒店2 4 2 0全天 1 51 09 1 8 ：0 0 次日 住宅 2 6 1 82 0 71 2 8 ：0 0 3 4 2 遮阳模型 S h a d i n g p l u s 目前支持六类固定遮阳和六类活动遮阳，见 表1 。下面分别以水平遮阳和平推式曲臂遮阳篷为例说明遮阳 4 2 2 0 1 6 0 8 万方数据 模型的建立。 a ) 水平遮阳 图5 为水平遮阳的示意图，需要用户输入的参数为：遮阳 板到窗户上沿的垂直距离口遮阳板左边缘到窗户左边缘的距 离b ，窗户右边缘到遮阳板右边缘的距离c 遮阳板的长度d 。此 时窗户的四个顶点坐标已知，假设左下角点的坐标为( x ，Y ，z ) ， 则通过简单的几何计算，就可以得到遮阳板的坐标。 图5 水平遮阳示意图 b ) 平推式曲臂遮阳篷 图6 平推式曲臂遮阳篷示意图 图7 平推式曲臂遮阳篷模型简化 图6 所示为平推式曲臂遮阳篷的示意图，其运动轨迹为 曲臂推动连杆使引布杆发生平推运动从而实现伸展和收回 的曲臂遮阳篷。需要用户输入的参数为：遮阳板到窗户上沿的 垂直距离，遮阳板左边缘到窗户左边缘的距离b 窗户右边缘 到遮阳板右边缘的距离c 。遮阳板的长度d 遮阳篷与垂直墙面 的角度以及遮阳篷的展开率时间表( 即在某个时间段其帘布 的展开比例) 。结合以上参数和窗户坐标，可以很容易的得到 遮阳篷在全部撑开时的模型。但是遮阳篷是活动的，可以随使 用者的意愿随意展开篷布如何根据用户设置的使用时间表 来模拟出遮阳篷展开或( 部分) 收起状态，是重点需要解决的 问题。对于上述问题，本算法采用类似于“有限差分法”的解决 方法。将遮阳篷分成1 0 个面积相等的子帘布，如图7 所示，分 别建立1 0 个子帘布的几何模型。根据用户在时间表中设置 的展开率，改变相应帘布的穿透率，可以近似实现帘布的动 态效果。 3 4 3 节能量计算 对于遮阳设备的节能效果，最直观的反应是其对削减空调 系统能耗作用的大小因此E n e r g yP l u s 中的I d e a l L o a dA i r S y s t e m 模块被用来测算建筑负荷并折算成耗电量，以此作 为衡量指标。I d e a l L o a dA i rS y s t e m 是专门用来计算建筑 负荷的，不考虑冷机、风机、水泵等的损耗。在S h a d i n g p l u s 中，可以输出遮阳建筑模型和基准建筑模型的全年逐时、 逐日、逐月的空调负荷、窗户得热量，分析遮阳设施对建 筑的动态影响。 3 5 遮阳系数计算算法 遮阳系数是由太阳辐射得热系数经过简单计算得到的。 太阳辐射得热系数是指通过门窗进入室内的太阳辐射得热量 与太阳直射辐射的比值。太阳辐射得热量包括直接透过门窗 的太阳辐射量以及被门窗吸收后通过辐射、导热、对流等方式 进入室内的热量。E n e r g y p l u s 本身只能计算窗户模型( 不包括 遮阳设备) 的太阳辐射得热系数( S H G C ) ，并且不具备计算遮 阳系数( s c ) 的模块。N F R C2 0 1 2 0 1 0 是美国门窗热效评级委 员会编写的关于测试太阳辐射得热系数( S H G C ) 的指导手册， 测试对象包括玻璃门窗及其遮阳系统。手册中规定了实验工 况并且给出了测量S H G C 的多种方法，其中最常用的是热箱 法，实验设备如图8 所示 3 1 。 动房问( 可推开) 压缩一冷凝机组 图8 热计量箱设备示意图 由于E n e r g y P l u s 可以建立各种建筑模型。其围护结构性 能可以随意改变，甚至模拟各种极端隋况，比如绝热。另外，用 户可以修改其天气参数。根据上述特点，笔者认为可以通过用 E n e r g yP l u s 模拟N F R C 规定的实验工况来计算各类门窗系统 的遮阳系数，而不用通过实际测量。 窗户 墙壁( 绝热 图9 “计算遮阳系数”模型示意图 根据N F R C 规定工况，本软件对E n e r g y p l u s 做了如下设置 2 0 1 6 0 8 万方数据 和改动来模拟计算S H G C ，建筑模型如图9 所示窗户设在顶 部，窗墙比接近1 0 0 。房间温度采用E n e r g yP l u s 特有的理想 空调系统( I d e a lA i rL o a dS y s t e m ) 控制在2 4 。最后模型输出 的变量为9 月2 3 日1 2 ：0 0 1 3 ：0 0 的投射到窗户系统外表面的 太阳直射辐射量和窗户得热量。 E n e r g y P l u s 无法直接输出“太阳辐射得热”变量但是可以 得到“窗户得热量”。根据公式( 1 ) 和( 2 ) ，分别计算有无太阳直 射辐射情况下的窗户得热量，两者相减即为太阳辐射得热量朗。 通过上述模拟设置，可以得到： S H G C ：蘧皇堡垫量( 查直塾塑塾) ；：堡宝堡垫量( 歪直盟塑挝) 太阳直射辐射量 ( 1 ) S C = S H G C O 8 7 ( 2 ) 4 S h a d i n g p l u s 的用法简介 S h a d i n g p l u s 是一款专门计算各类遮阳节能效果的计算引 擎。如上文所述，评价遮阳性能主要有两种手段，分别是利用 指标( S H G C ，S C 等) 和建筑能耗来评价。S h a d i n g p l u s 的主要功 能分两部分，分别是计算节能量和计算遮阳系数。下面以节能 量为例介绍S h a d i n g p l u s 的用法。 4 1 计算节能量 该模块能够计算位于指定气候区，指定遮阳系统全年的 节能量。输出频率可自定义，方便分析遮阳设备在全年范围内 的动态节能特性。 如图1 0 所示“计算节能量”有6 个设置选项卡，分别为 “窗户遮阳”、“材料设置”、“遮阳控制”、“围护结构”、“照明采 光”和“输出”。从界面设置即可看出，该软件计算遮阳设备的 节能量是依托建筑进行的，通过分析有无遮阳的建筑的冷热 负荷变化来衡量节能与否，这里采用的基础建筑是简单的单 * 嚣秣l 警爨、啦| 瞄h 瓣”簪豫尊牡强薯秘。 ”“i 强瓣；豫辩嚣誊l I 。| 童譬鼍涮删 、* * ，艘姆o _ f 雕 蠢氢随睡霸妊# 喜舞姻睡馥鋈霪誊翱鳙箍 图1 0 计算节能量界面 4 。2 面户迟阳 在“窗户遮阳”选项卡中用户首先需要设置窗户的材料 和形式窗户朝向可以选择东向、南向、西向、北向、上部。窗户 性能提供3 种选项分别为“3 m m 白玻”、“满足当地公建”和 “自定义”。若窗户需要考虑窗框及隔条的影响，还需要设置窗 框和隔条。 窗户设置完成后就可以开始选择对应的遮阳设施，该软 件目前支持6 类固定遮阳和6 类活动遮阳，同一个窗户最多 可设置两种遮阳形式。以“百叶遮阳”例，安装位置可以选择 “外百叶”、“内百叶”或“中置百叶”。 4 3 遮阳材料 在“遮阳材料选”项卡中，用户可以设置与窗户及遮阳相 关的玻璃、气体、百叶及卷帘的性能参数。 4 4 遮阳控制 遮阳控制选项卡是关于时间表的设置所谓“时间表”即 认为设定在一年中某段时间及一天中某段时间内被控对象处 于什么状态。其编辑方式与“遮阳材料”选项卡类似。 4 5 围护结构 该选项卡是设置遮阳窗户所在的基础建筑。 a ) 自定义，用户自行设定遮阳设备所在房间的长、宽、 高，窗户的尺寸等内容( 也可选择默认值) ，这比较适用于评价 单个遮阳设备的性能；这时界面右侧的空调设置可以使用，用 户可以设置任意制冷、供热时段及不用时段内的制冷、供热设 定温度。 b ) 选择内置在计算引擎中的典型建筑模型，目前已有的 建筑类型包括办公、商场、住宅、旅馆。所谓典型建筑模型，是 指该模型能够基本反映出该类建筑的实际使用情况以及能耗 特征的建筑模型，这一功能适用于评价不同建筑类型适用的 遮阳系统。 4 6