whut建筑节能1101课件汇总计算

节能建筑计算与仿真林尧林

武汉理工大学土建学院2014节能建筑计算与仿真1建筑环境与建筑能耗12节能建筑系统分析工具43建筑模拟技术与DeST发展简介14建筑动态热过程模型45地面传热处理26热桥动态传热27太阳辐射模型48各种外界因素的取值方法49实例介绍24建筑动态热过程模型4.1建筑热过程模拟的主要问题4.2DeST对建筑热过程的求解方法4.3DeST对建筑热过程的模拟分析4.4DeST模型与其它模型之间的比较4.1建筑热过程模拟的主要问题

建筑热过程模拟是一切建筑热环境及建筑环境控制系统模拟分析的基础。它的基本问题就是给出在不同的气象条件下、不同的使用状况以及不同的环境控制系统（采暖空调系统）作用下，建筑物内温度的变化情况物理模型数学模型4.1.1建筑热过程模拟的物理模型4.1.1建筑热过程模拟的物理模型对于建筑中的一个房间而言，其热过程主要包括四个方面：外扰通过围护结构的热传递过程；内扰的热传递过程；室内外通风和空调投入热量。4.1.2建筑热过程模拟的数学模型hrj

为温度为tj

的另一表面j与该表面的长波辐射换热系数，该系数的量纲与对流换热系数相同。将长波辐射换热表示成与温差的线性关系从而简化动态模拟方程求解，这种方法是热环境动态模拟中处理长波辐射问题的常用方法4.2DeST对建筑热过程的求解方法

DeST求解建筑热过程的基本方法是状态空间法。这种方法的特点是空间上差分而时间上保持连续，求解过程中，内部空间温度场不均匀的模拟对象可以差分为若干温度节点，内部空间温度比较均匀的模拟对象则单独作为一个温度节点，这些节点的温度都随时间连续变化。为了降低求解的难度，在建立建筑热过程基本方程的过程中，DeST将墙体传热简化为一维问题处理，将室内空气温度集总为单一节点处理，同时假定墙体物性不随时间变化。在此基础上，DeST对单一围护、一个房间甚至整栋建筑建立基本方程现有的室内负荷计算程序在求解墙体瞬时传热时所采用的方法各异．它们可以被分为四大类：I数值方法，II谐波法，III反应系数法，IV导热传递函数(CTF)系数法。常用求解导热问题的数值解法包括有限差分法和有限元法。数值方法可以求解线性和非线性系统两种情况，当时间步长和空间步长选择合理时能够取得较高的精度。数值方法的另一个优点在于它可以处理多维传热情况，因而常用于分析热桥对墙体动态传热过程的影响。其不足之处也是明显的，为了保证解的收敛和精度需要划分过多的节点；为了计算出最终的结果，需要求出每一个时间步长的整个空间温度分布：当边界条件改变时，必须重新开始计算所有的参数，因此数值方法在负荷计算程序中并不是一种理想的方法。空调负荷计算的发展

稳态-准稳态-动态

谐波法可以用来解边界条件呈周期变化时的导热微分方程对于一个非简谐运动的周期函数，通过傅立叶变换可以将其分解为若干个频率呈整数倍的正弦(或余弦)函数的级数形式一即谐波形式，因此室外空气综合温度变化可以用有限的傅立叶级数来近似描述，谐波法是一种较为方便的工程计算方法。但是谐波分析法的不足也是显而易见的，室外气象条件(特别是太阳辐射)的变化是随机的，它存在许多不确定因素，室外综合温度不可能成正弦函数并每天周期变化。严格的讲，谐波法只是一种简单易用的手算方法，它可以方便的计算峰值负荷，却不能作为长期的能耗分析工具动态负荷计算方法真正广泛应用于建筑负荷计算和能耗分析程序的方法是反应系数方法和导热传递函数方法。反应系数法并不要求周期性的边界条件，适用于任意扰量，这是它区别于谐波法的一个重要特点，因此反应系数法适用于全年的房间负荷计算和模拟。反应系数的收敛速度较慢，特别是对于重型墙体。为了保证室内得热计算的精确性，反应系数通常要取到五十项以上，这将造成计算的不便并占用大量的存储空间。因此在反应系数法产生后不久，人们就开始寻求对它的改进。动态负荷计算方法1971年Stephenson首次提出了用导热传递函数(CTF)来计算墙体的瞬时热流。导热传递函数方法的理论基础是线形时不变系统当前的输出可以由当前的输入和先前时刻的输入和输出值共同确定。与反应系数一样，导热传递函数系数也可以描述墙体的动态热特性，但所需要的系数项比反应系数项数少得多，使得计算时间和计算机所需的存储空间大大减少导热传递函数是反应系数的近似表达形式，它必然导致一定的误差。需要建立具有代表性的墙体和屋顶结构导热传递函数系数的数据库，在已知室内外气象参数条件下，调用数据库并对CTF系数值进行简单修正就可以近似计算出因外围护结构不稳定传热引起的室内逐时负荷。计算反应系数和CTF系数通常采用直接求根法，用直接求根法计算反应系数和CTF系数的过程是相当繁琐的。动态负荷计算方法为了避免复杂的求根过程，状态空间法首先被提出，状态空间法是建立在现代控制理论的状态空间模型基础之上的。首先，墙体子矩阵各元素分解为S幂级数形式，因此，传热、吸热s．传递函数可以以S多项式形式表达：第二，确定系统状态空间方程，计算状态传递矩阵：最后，离散连续系统，通过一系列矩阵乘积得到反应系数。采用状态空间法最大的优点在于不需要求根，但需要以长时间的迭代作为代价。状态空间法本质上亦是一种差分方法，但与一般的差分方法相比，在采取一定措施之后，状态空间法具有时间步长不影响系统稳定性的突出优点。直接求根法和状态空法都是在频域内求解傅立叶及导热偏微分方程并最终获得反应系数和CTF系数的。动态负荷计算方法4.2DeST对建筑热过程的求解方法在建立建筑热过程基本方程的过程中，DeST将墙体传热简化为一维问题处理，将室内空气温度集总为单一节点处理，同时假定墙体物性不随时间变化。在此基础上，DeST对单一围护、一个房间甚至整栋建筑建立基本方程4.2.1单一房间的基本方程1）围护结构的热平衡方程（1）围护结构的空间离散方法导热问题的数值解法如图2所示，在空间上将多层材料组成的单一围护划分为n层，保证每层物性均匀，共室内室外室内室外有n+1个温度节点，如图中实线所示，虚线将每层又平均分为两个半份，分属不同的温度节点控制由于窗户的热容较小，因此取每层玻璃的温度为均温，分别作为一个节点，忽略玻璃本身的热阻。如图3所示，一个三层玻璃的窗户分为三个温度节点

。4.2.1单一房间的基本方程1）围护结构的热平衡方程（1）围护结构的空间离散方法（2）单一围护的热平衡方程4.2.1单一房间的基本方程1）围护结构的热平衡方程（1）围护结构的空间离散方法（2）单一围护的热平衡方程a、围合房间的各个表面之间的角系数b、围护外表面对环境表面的角系数4.2.1单一房间的基本方程1）围护结构的热平衡方程（1）围护结构的空间离散方法（2）单一围护的热平衡方程窗户的热平衡方程4.2.1单一房间的基本方程1）围护结构的热平衡方程（1）围护结构的空间离散方法（2）单一围护的热平衡方程2）室内家具的热平衡方程由于家具的几何形状多样，模拟计算不可能根据实际的家具形状对其进行差分，为了简化计算，DeST将其作为一块平板处理3）室内空气的热平衡方程

4）单一房间的热平衡方程组4.2.1单一房间的基本方程4.3DeST对建筑热过程的模拟分析

实例演示计算4.4DeST模型与其它模型之间的比较

模拟房间动态热过程的数学方法主要有以下几种：反应系数法、谐波反应法、差分法和状态空间法。4.4.1各种方法对一面墙体的动态传热的处理4.4.2各种方法对房间热平衡的处理4.4.3各种方法对建筑热平衡的处理4.4.1各种方法对一面墙体的动态传热的处理

4.4.2各种方法对房间热平衡的处理

对房间热平衡的处理，关键在于各围护内表面之间的长波互辐射的处理。反应系数法和谐波反应法都先求出房间不透明围护的热特性系数，建立内外表面温度和热流的关系；然后考虑房间各围护的内外表面的热平衡，这样就可以将各围护内表面的长波互辐射考虑进去；再写出室内空气温度的热平衡方程，与各表面的热平衡方程联立求解，即可得到房间的热状况。差分法直接将房间离散为一系列节点，对每个节点列出热平衡方程，可以很方便的考虑房间各内表面之间的长波互辐射。联立求解这些节点的热平衡方程，即可得到房间的热状况。状态空间法也是首先采用与差分法类似的离散方法将房间离散为一系列的温度节点，然后求解所有节点的热平衡方程组获得房间的热特性系数，最后通过这些热特性系数以及逐时变化的热扰量获得房间逐时的温度状况。与差分法相比较，状态空间法同样也可以灵活地考虑房间各内表面之间的长波互辐射，但状态空间法并不通过逐时求解所有节点的热平衡方程组来计算各房间的逐时温度状况，而是首先计算各个房间的热特性系数，然后再求解逐时变化的热扰作用在房间上时房间的热状况，因此大大减少了计算量，提高了计算的速度。4.4.2各种方法对房间热平衡的处理

4.4.3各种方法对建