节能立面开口设计的综合模拟方法

尤 伟 秦孟昊 丁沃沃

(南京大学建筑与城市规划学院, 南京 210093)

节能立面开口设计的综合模拟方法

尤 伟 秦孟昊 丁沃沃

(南京大学建筑与城市规划学院, 南京 210093)

针对建筑外立面开口形式设计的分析需要,探讨了适合方案阶段建筑围护结构优化的采光、传热及自然通风综合分析方法.通过采用设计案例分析的方法,对现有采光及自然通风模型的模拟性能(精度、速度、建模难度)进行了比较.结果表明,采光系数模型以及空气流动网络模型比较适合于方案阶段的采光及自然通风综合分析;在反映开口设计形式变化的影响规律方面,相比目前应用广泛的Radiance采光模型以及CFD(computational fluid dynamics)软件通风模型,Energyplus模型计算的采光量、通风量及能耗误差均在10%以内.此外,在利用空气流动网络模型进行自然通风计算时,需要采用非均匀风压系数边界条件以准确反映开口位置变化的影响.

建筑外立面开口;天然采光;传热;自然通风;综合模拟技术

建筑外立面开口(围护结构透明部分)形式不仅对建筑外形影响较大,而且其构造尺寸的变化还会同时影响房间的天然采光、传热以及自然通风,因此需要探索出一种适合于建筑方案阶段的综合分析方法，以帮助建筑师在设计初期进行综合判断.

计算机软件模拟技术(如Energyplus[1],TRNSYS[2]等软件模拟计算)是一种进行建筑外立面开口设计综合分析的有效分析方法.为了提高软件的分析性能,一些研究人员发展出不同软件联合模拟的方法[3-4].但这些研究多偏重于纯技术层面,注重对模拟精度的改进,而较少从设计操作层面评估模拟方法的性能.由于建筑几何形态受多种因素的制约因而存在较大的不确定性,方案设计并不追求绝对精度,更主要关注模型能否准确地反映设计变化的相对影响规律.另一方面,方案阶段一般时间都比较有限,因此对计算速度、建模难度及操作性都有一定的要求,而目前较少有研究从综合层面针对方案阶段的设计需求进行建筑天然采光、传热及自然通风综合模拟方法的探索.

本文通过对目前常用的2种天然采光模型以及2种自然通风模型应用于建筑典型空间单元立面开口形式的天然采光、传热及自然通风综合分析比较,探索适用于建筑方案阶段外立面开口形式设计的高效模拟方法.

1 面向方案设计的模型综合策略分析

在天然采光领域,目前常用计算模型有Radiance[5]模型及采光系数(daylight factor)模型,在自然通风计算领域,常用模型有CFD(computational fluid dynamics)软件模型以及空气流动网络模型(airflow network model).由于这些模型在建模难度、计算精度和计算速度方面存在较大的差异,因此根据不同的研究内容需要进行仔细比较和选择.

1.1 天然采光模型

Radiance模型计算精度较高[6]，在与能耗软件联合计算过程中,由于2种软件模型定义方式不同,需要在软件间手动进行数据的处理和传递,因而建模较为复杂,此外,Radiance采用的光影跟踪算法是进行全局光照度计算,计算较为费时,这些对方案阶段的分析均较为不利.采光系数模型(如Energyplus)经常被作为计算模块内置于能耗计算软件中,建模较为方便，但就计算精度而言,采光系数模型要低于Radiance模型.根据Yun等[7]的试验研究表明,2种模型在室内光照分布的计算上存在较大的差距.

1.2 自然通风模型

CFD软件模型可以反映流场内各个位置上基本物理量(如速度、温度等)的分布,具有较高的计算精度.但该方法也存在一些局限,在利用CFD软件模型进行通风计算时需要在计算区域内划分足够细的网格,计算十分耗时.同时,在与能耗软件联合计算时,不同软件需要在每一步计算步长下相互提供边界条件而进行收敛计算,因而建模十分复杂.空气流动网络模型与采光系数模型相似,也经常作为计算模块内置于能耗软件中,建模相对容易,计算速度较快.对空气流动网络模型准确性的实验研究[8]表明,该模型由于假设空气完全均匀混合而给模拟结果带来了一定误差,此外,模拟精度与一些系数(比如风压系数)设定有关.

2 建筑空间分析模型设定

建筑空间分析模型的设定包括计算房间的外部环境(周边建筑、外立面添加物)、房间及立面尺寸构造以及内部功能(人员、设备).由于本研究关注的是不同模型对于立面开口形式变化应用的分析,探讨有效的模拟方法,因此对于外部环境、墙体构造以及内部人员设备的设定均简化考虑,仅作为初始条件参与计算.假设模拟对象位于一个平坦的空旷场地中,不考虑周边建筑及外立面添加物的影响.建筑功能以办公建筑为例讨论,墙体构造采用目前常用的公共建筑墙体做法,室内热扰为常见的人员、照明(灯)以及设备(电脑)共3项.

2.1 建筑几何形态

2.1.1 计算房间及朝向

建筑的房间形状及尺寸对室内光照及风场分布均有较大影响,但在设计过程中,建筑师往往更多地是从功能、结构等方面着手设计.本研究以矩形平面空间作为模拟计算的房间单元,这种空间形状使用方便,在建筑设计中应用广泛.计算房间为南向和北向2个房间组成的两区域空间,2房间通过门相连,这种空间特点可以表达典型的南向及北向建筑空间采光及多区域自然通风特性,对于房间单元尺寸的设计参考了住宅、旅馆、板式办公楼等常见民用建筑的常用尺寸,开间、进深及层高分别设定为3.6,4.5,3.6 m.

2.1.2 外立面开口尺寸及位置

在立面开口设计过程中,需要考虑规范、结构、使用习惯等方面,如办公建筑的办公室、接待室等房间的窗地面积比应不小于1∶6[9].窗体的位置需要避让结构梁,可开启窗扇位置不宜过低,否则窗扇开启不便且物体易从窗洞口坠落.

建筑外立面开口形式变化包括面积、形状及位置3方面,本文选择位置变化作为模型性能分析的比较内容.这主要是由于位置变化不仅与立面形式关系密切,而且会影响室内空气流场和光照度分布特征,能有效地反映模型的模拟能力.图1为研究设定的9种设计变化(Aa,Ab,Ac,Ba,Bb,Bc,Ca,Cb,Cc),南北向外墙立面开口均为矩形窗体,窗洞口宽1.2 m,高2.1 m,窗台高0.9 m.窗扇类型包括可开启窗扇和固定窗扇2类,可开启窗扇采用常用的推拉窗,开启窗扇单扇宽0.6 m,高1.6 m,固定窗扇宽1.2 m,高0.6 m.南侧立面窗体位置考虑居左、居中、居右3种典型的位置,如图1(b)～(d)所示.北侧立面窗体为居中方式不变.为充分反映设计变化对房间内空气流场以及光照分布的影响,在南侧立面窗体居左、居中、居右3种情况下分别同时考虑内墙门居左、居中、居右3种变化.

2.2 材料及构造

表1是研究中采用的围护结构材料及主要构造,这些构造参考了目前我国建筑工程实践中常用的建筑材料及构造方式.

(a) 计算房间及尺寸

(b) 南立面窗口居左布置

(c) 南立面窗口居中布置

(d) 南立面窗口居右布置

表1 材料构造做法

2.3 室内人员及设备

我国现行的《公共建筑节能设计标准》针对不同的建筑类型中室内照明、人员及设备进行了详细的规定[10].本文以办公建筑的办公室为例进行设定,其热扰量分别为11,4,20 W/m2.

3 模拟方法

采用Energyplus,Daysim/Radiance[11]以及Airpak/CFD[12]作为模拟工具.Energyplus是美国能源部开发的动态能耗模拟软件.Daysim/Radiance是加拿大国家实验室在Randiance的基础上开发的动态采光计算工具.Airpak/CFD是美国Fluent公司开发的通风模拟工具,其计算内核为专业CFD求解器Fluent.

模拟过程分为2步:① 根据建筑空间分析模型的设定，分别建立Energyplus模型、Daysim-Energyplus联合计算模型以及CFD-Energyplus联合计算模型,模拟对象位于夏热冬冷地区典型城市南京(N32, E118).气象数据采用中国标准气象数据(Chinese standard weather data, CSWD)[13].为方便不同模型在计算中对数据的提取和传递,采用Matlab软件编写了数据自动提取和处理程序.② 对不同模型应用于立面开口形式进行分析和有效性比较.在模型的有效性比较中,研究分为Energyplus与Daysim-Energyplus在天然采光模拟方面的性能比较,以及Energyplus与CFD-Energyplus在自然通风模拟方面的性能比较两类.

对于天然采光分析,研究采用动态采光参数DA(daylight autonomy)和UDI(useful daylight illuminance)作为评价指标[14].DA表示的是全年工作时间范围内室内工作面参考点完全由天然采光满足设计要求的时间百分数.UDI是指全年工作时间范围内室内工作面参考点的天然采光量达到有效范围的时间百分数.根据Nabil等[14]的研究建议,室内光照度的有效范围为100～2 000 lx,据此UDI可分为UDI<100,UDI100～2 000,UDI>2 000三部分,分别表示低于下限值(<100 lx)、达有效值(100～2 000 lx)以及高于上限值(>2 000 lx)的全年光照时间百分数.

3.1 Energyplus模型

研究中采用的Energyplus计算模型主要包括建筑能耗模拟基本模块、天然采光模块以及自然通风模块,各计算模块的主要设定内容见图2.

图2 Energyplus采光、传热及自然通风模拟主要设定参数

1) 建筑能耗模拟基本模块是Energyplus进行基本的传热分析设定的模拟参数,项目较为繁杂,包括总体模拟控制、建筑围护结构描述、室内热扰设定、空调系统设定等多个部分.建筑围护结构内外表面换热及热平衡方程分别选择采用“Detialed”模型和“ConductionTransferFunction”模型.对于维护结构边界条件,外墙采用室外(outdoor)边界条件,内墙采用表面(surface)边界条件.窗体与所属立面墙体边界条件一致.HVAC (heating, ventilating and air conditioning)系统设定是Energyplus较为复杂的一项设定,但由于HVAC系统不是研究的重点,故选择了较为简单的理想空调系统(ideal loads air system),采暖及空调控制温度分别为18和26 ℃.

2) 天然采光模拟采用Daylighting/Detialed模块,该模块主要由天然采光控制项(daylighting:control)进行设定,包括房间计算点、照明设备功率、照明控制方式等参数的设定.南向房间和北向房间各分别设定2个计算点,所有计算点位于房间的中轴线上,一点距离房间外墙1 m,另一点距离房间内墙1 m,高度0.9 m,从南向北各参考点依次设定为P1,P2,P3,P4.室内工作面光照度要求设定为300 lx.照明设备控制的模式设定为连续渐变模式(continues dimming control).

3) 自然通风模拟采用了空气流动网格模块,该模块设定参数包括模拟控制、通风口大小位置、外部计算参考节点、风压系数等几个子项.在窗开启模式上,Energyplus提供了多种控制模式.在温度控制模式下,当室内空气温度大于室外空气温度且室内空气温度大于设定温度时,建筑门窗自动开启通风.在连续通风模式下,门窗始终保持开启.本研究在计算全年采光及自然通风条件下的总能耗时采用温度控制模式,调用HVAC系统模块计算能耗,气象数据采用CSWD的EPW (Energyplus weather file)全年数据.在比较不同通风模型应用于开口设计的通风性能时,为保持窗体始终开启通风,采用连续通风模式,且不调用HVAC系统模块,气象数据采用CSWD的DDY(design conditions design day data file)夏季设计日参数(7月21日),最高温度为30 ℃,温差变化范围为6.6 ℃,风向为南偏东30°.风压系数是窗体节点的重要边界条件,目前Energyplus默认设定为表面平均风压系数,该设定采用的是整个立面的风压系数平均值,在反映开口位置变化时存在一定的局限,因此研究探讨采用非平均风压系数来反映开口位置对自然通风影响.南侧立面窗洞口位于左、中、右时,采用非平均风压系数分别设定为0.37,0.76和0.97,采用平均风压系数均设定为0.65.

3.2 Radiance与Energyplus联合采光模拟

在Daysim/Radiance与Energyplus软件进行联合计算中,Radiance首先计算参考点的采光因数(daylight coefficient),再通过利用天空模型计算逐时的室内光照度,在此基础上通过不同的照明控制策略计算照明设备的照明能耗.该照明能耗为能耗软件的室内照明热扰提供了参数设定依据,如图3所示.Daysim/Radiance采用的是Perez全天空模型进行计算全年采光量,其参数通过CSWD气象数据文件提供.Radiance模拟计算精度控制参数设定参见Daysim用户使用导则[11],照明控制方式为光感器控制连续渐变模式(photosensor controlled dimming system),计算参考点及维护结构边界条件设定方式与Energyplus采光模块一致.

图3 Daysim/Radiance与Energyplus联合计算策略

采光结果数据可以从Daysim/Radiance的模拟结果中提取,包括逐时的天然采光量以及在此基础上的照明负荷表.通过提取照明负荷表(internal gain file)数据获得照明负荷并将该数据导入Energyplus室内照明设备进度表.

3.3 CFD与Energyplus联合通风模拟

CFD与能耗软件的联合计算采用Wang等[15]发展的一种外部静态耦合方法.图4为Airpak/CFD与Energyplus联合计算策略,Energyplus提供CFD软件围护结构的表面温度以及开口压力边界条件.将CFD计算的室内空气平均温度与Energyplus的计算结果进行比较,保证每一时间步长的计算误差可以满足下一步的传热计算要求.当计算误差较大(>1 ℃)时,将CFD软件计算的内表面换热系数返回Energyplus，重新设定围护结构的换热参数，并将再次计算温度等参数提供给CFD软件,这样反复计算直到误差范围满足要求.内表面换热系数可以通过Energyplus的高级表面概念模块(advanced surface concept)设定.

图4 Airpak/CFD与Energyplus联合计算策略

Aripak/CFD模型参数参考AIJ(architectural institute of Japan)导则[16]设定,求解的湍流计算模型选择为RNG模型,计算网格划分数为70 707,收敛次数及精度控制分别为10 000和0.001.

4 模拟结果

4.1 天然采光条件下立面开口位置变化的影响

图5(a)～(d)为不同开口位置对南向房间计算点(P1,P2)的DA及UDI影响,从图中可以看出,外窗位置的变化对采光量影响较为明显,内门位置的影响较小.当窗体居中时,房间中部获得更多的直射光和漫射光,P1点光照量明显上升,以Aa和Ba采用Daysim模型模拟结果为例,在全年工作时间范围内DA由78%上升至86%,UDI>2 000则从35%上升至55%.不同的天然采光模型反映的设计变化规律总体相似,以Ba和Ca为例,采用Radiance模型和Energyplus模型计算P1点的DA变化幅度分别为8%和6%,UDI100～2 000的变化幅度分别为18%和23%.2种采光模型之间的计算误差分别为2%和5%.Radiance模型更为精确,除可以反映外窗位置的变化,还能反映内门位置变化的影响.其误差可能主要来自于2种模型采用的不同光照度计算方法.

(a) 开口位置变化对计算点DA值的影响

(c) 开口位置变化对计算点UDI100～2 000的影响

(d) 开口位置变化对计算点UDI>2 000的影响

(e) 开口位置变化对房间照明能耗El的影响

(f) 开口位置变化对房间总能耗Etot影响

图5(e)、(f)为在天然采光条件下不同开口位置对南向房间照明能耗El及总能耗Etot(照明、采暖、空调)的影响.从图中可以看出,当窗体居中时,南向房间照明负荷及总负荷均有所下降,采用Energyplus模拟变化幅度分别为6%和1%,采用Daysim-Energyplus联合模拟变化幅度为13%和2%.总负荷变化幅度相对较小,这主要是由于房间冷、热负荷主要是由墙体以及窗体传热作用决定.2种模型在反映开口位置变化对照明负荷及总负荷的变化规律上，计算误差分别为7%和1%.

4.2 自然通风条件下立面开口位置变化的影响

本文模拟耦合计算了08：00—17：00的逐时数据,不同开口位置对自然通风的影响规律在不同时刻基本一致.图6(a)、(b)为上午08：00时在平均以及非平均风压系数下不同开口位置对室内平均通风量Va的影响图,从计算结果可以看出,影响室内新风量的主要因素是外部风压,随着开口处风压系数的提高,房间通风量明显提高.以Aa和Ca为例,采用Energyplus以及CFD-Energyplus模拟结果分别提高了52%和59%,二者变化趋势一致.在反映设计变化影响规律上，2种模型之间的计算误差为7%.在平均风压系数设定下,室内通风量总体变化不大.由内门水平位置变化引起的室内流场分布变化对通风量存在一定影响,但相比外部风压系数,影响作用较小.

(a) 非平均风压系数条件下开口变化对室内平均通风量Va影响

(b) 平均风压系数条件下开口变化对室内平均通风量Va影响

(c) 非平均风压系数条件下开口变化对室内平均温度Ta影响

(d) 平均风压系数条件下开口变化对室内平均温度Ta影响

图6(c)、(d)为08：00时在平均以及非平均风压系数下不同开口位置对室内平均温度Ta的影响.从图中可以看出，影响室内平均温度的主要因素为外部空气温度、太阳辐射条件等热环境因素,自然通风效果影响因素(风压、流场分布)相对作用要小.风压与流场相比,风压因素影响要大.随着开口处风压系数的提高,房间室内的平均温度呈降低趋势.Energyplus与CFD-Energyplus联合计算的模拟结果相比,前者计算结果明显偏低,这可能是由于前者假设空气完全混合所致.

5 结语

通过对目前常用的2种天然采光模型以及2种自然通风模型应用于建筑外立面开口位置变化的比较分析,认为采光系数模型和空气流动网络模型较适合于方案阶段的采光及自然通风综合模拟.尽管这2种模型计算精度比Radiance模型和CFD软件模型略低,但可以较准确地反映立面开口形式变化对天然采光及自然通风的相对影响规律,2种模型之间的最大误差为7%.另一方面,采光系数模型和空气流动网络模型具有较快的计算速度,且建模相对方便,如Energyplus模型,这些对于方案阶段的设计分析都十分有利.

在利用空气流动网络模型进行建筑外立面开口形式的分析时,需要采用非均匀的立面风压系数作为立面通风口处的边界条件,以准确反映立面开口位置的变化影响.目前的能耗软件关于风压系数边界条件的设定较为简单,对于开口形式变化分析存在较大的局限,因此需要发展现有的参数设定方法,如CFD法.这对于分析具有很强不确定性的建筑方案设计具有深远的意义.

References)

[1]Crawley D B, Lawrie L K, Winkelmann F C, et al. Energyplus: creating a new-generation building energy simulation program [J].EnergyandBuildings, 2001, 33(4): 319-331.

[2]Klein S A, Beckman W A, Mitchell J W, et al. TRNSYS 17—a transient system simulation program [EB/OL]. (2013-02)[2014-02-10]. http://sel.me.wisc.edu/trnsys.

[3]Bodart M, de Herde A. Global energy savings in offices buildings by the use of daylighting [J].EnergyandBuildings, 2002, 34(5): 421-429.

[4]Zhang R, Lam K P, Yao S C, et al. Coupled energy plus and computational fluid dynamics simulation for natural ventilation [J].BuildingandEnvironment, 2013, 68: 100-113.

[5]Ward L G, Shakespeare R.Renderingwithradiance:theartandscienceoflightingvisualization[M]. San Francisco, USA: Morgan Kaufmann,1998.

[6]Mainini A G, Poli T, Zinzi M, et al. Spectral light transmission measure and radiance model validation of an innovative transparent concrete panel for façades[J].EnergyProcedia, 2012, 30: 1184-1194.

[7]Yun G, Kim K S. An empirical validation of lighting energy consumption using the integrated simulation method [J].EnergyandBuildings, 2013, 57: 144-154.

[8]Zhai Z Q, Johnson M-H, Krarti M. Assessment of natural and hybrid ventilation models in whole-building energy simulations [J].EnergyandBuildings, 2011, 43(9): 2251-2261.

[9]方子晋, 徐延峰,陈政恩，等.JGJ 67—2006 办公建筑设计规范 [S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2007.

[10]郎四维，林海燕,涂逢祥,等. GB 50189—2005 公共建筑节能设计标准 [S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2005.

[11]Reinhart C F. Tutorial on the use of daysim smulations for sustainable design [R]. Cambridge, MA, USA： Harvard University Graduate School of Design, 2010.

[12]Fluent Inc. Airpak 2.1 tutorial guide [EB/OL]. (2011-02-17)[2014-02-10]. http://www.docin.com/p-126568255.html.

[13]U.S. Department of Energy. Energyplus energy simulation software: weather data [EB/OL]. (2013-08)[2013-10-18]. http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data2.cfm/region=2_asia_wmo_region_2.

[14]Nabil A, Mardaljevic J. Useful daylight illuminance: a new paradigm to access daylight in buildings [J].LightingResearchandTechnology, 2005, 37(1): 41-59.

[15]Wang L P, Wong N H. Coupled simulations for naturally ventilated rooms between building simulation (BS) and computational fluid dynamics (CFD) for better prediction of indoor thermal environment [J].BuildingandEnvironment, 2009, 44(1): 95-112.

[16]Tominaga Y, Mochida A, Yoshie R, et al. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings [J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics, 2008, 96(10/11): 1749-1761.

Integrated simulation technology for energy-efficient building’s facade opening design

You Wei Qin Menghao Ding Wowo

(School of Architecture and Urban Planning, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

According to the analysis demand of the building façade opening design, an integrated simulation method of day-lighting, thermal performance and natural ventilation is explored, which is suitable for the building envelope optimization in the design process. Through the method of analyzing design cases, the simulation capabilities (precision, calculation speed, and modeling difficulty) of existing day-lighting and natural ventilation modules are compared. The research results indicate that the daylight factor model and the multi-zone network model are more suitable for the integrated day-lighting and natural ventilation simulation in the schematic design phase. Compared with Radiance model and CFD (computational fluid dynamics) software model, the calculation errors of day-lighting quantity, air flow rate and energy consumption of the Energyplus model are all less than 10% in reflecting the influences of the opening design changes. Furthermore, when the multi-zone network model is used to calculate the natural ventilation, the surface non-averaged wind pressure coefficients are needed to accurately reflect the influence of the opening form and position changes.

building exterior opening; day-lighting; thermal performance; natural ventilation; integrated simulation technology

2014-06-20. 作者简介: 尤伟(1981—),男,博士,助理研究员;丁沃沃(联系人),女,博士,教授,博士生导师,dww@nju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51078177)、高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120091110055).

尤伟,秦孟昊,丁沃沃.节能立面开口设计的综合模拟方法[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(1):196-202.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.01.034

TU242

A

1001-0505(2015)01-0196-07