建筑环境设计模拟工具包DeST

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1、建筑环境设计模拟工具包 DeST摘要：建筑环境设计模拟工具包DeST是基于功能的模拟软件，用于对建筑、方案、系统及 水力计算进行模拟，以校核设计，保证设计的可靠性。介绍了DeST的结构、用户界面，并 结合工程实例说明了 DeST 的应用。关键词：建筑环境模拟 模拟软件 DeST1 开发 DeST 的目的近30年来，建筑和空调系统的模拟被广泛地应用在学术研究领域，出现了很多的模拟模型、 模拟方法以及模拟应用工具。模拟技术已经相对成熟，但在实际设计中，采用模拟技术辅助 分析的仍然很少，大多数设计仍然仅考虑最不利工况，而没有考虑全年的运行过程，这导致 了诸如设备选择不合理、过渡季无法满足要求等问题。

2、最近，国内外的研究机构和设计公司 开始投入越来越多的力量以缩小模拟和设计之间的应用鸿沟。例如在国际能源组织（IEA） 最近结束的研究子项ANNEX 30i Bring Simulation into application中，设计过程中的 模拟技术应用研究是其最主要的章节。虽然，采用模拟分析的手段可以提高设计的可靠性， 但只有在明确了设计和模拟之间的关系之后，才能制造出在实际设计过程中能够被有效利用 的模拟分析工具。而现有国外几种主流的模拟分析工具由于在开发时没有充分考虑设计过程 的阶段性、延续性等特点，只能用于学术研究领域。设计过程是一个阶段化的过程，包括初步设计、方案设计、详细设计以及后设

3、计阶段2。这 是一个复杂的、不断反馈的过程，目前是否存在一个模拟分析工具能够服务于整个过程呢？目前的模拟工具可以划分成两大类：一类是基于功能的，以DOE3 为主要代表；另一类是基 于模声的，以TRNSYS4, HVACSIM+5,MATLAB为代表。基于功能的模拟工具从满足某种功能 要求（如计算建筑全年能耗）出发来设计模拟系统；基于模块的模拟工具注重于构建系统的 灵活性，其特点是采用通用的模块接口和统一的非线性求解核心。当所有的条件都已知时，使用模块化的模拟系统可以很方便地建立起整个系统的框架并进行 模拟计算，这使得它们非常适用于研究领域，通过模拟计算去了解在系统的各个部件确定后 系统的运行状

4、态。但在设计过程中，尤其是在设计的初步阶段，设计人员无法掌握所有的信 息，某些数据是模拟的输出而不是输入。例如，在方案设计阶段，当设计人员试图比较不同 的系统形式时，因为空调机组的选择应该在方案确定之后进行，他无法了解空调机组的具体 信息。为了使模块化的模拟程序能够运行，使用者不得不采用缺省的部件，选择某种缺 省的空调机组来构建模拟系统。计算机模拟软件一个很重要的特性是输出严重地依赖于输 入。因此，模拟由诸多缺省的部件组成的系统，其结果对实际的设计不具备指导意义，当 其缺省的是后续设计的目标时，这样的模拟计算无助于设计人员进行决策。因此，模块化 的模拟工具虽然适用于学术研究，但并不适用于工程设

5、计。与模块工具相比，基于功能的模拟工具灵活性较低，但是更接近于设计人员思路，因此较容 易被采用。为了把握全年的运行特性，设计人员通常用其来计算建筑物全年的能耗要求。作为其代表的DOE由建筑模拟、系统模拟和机组模拟三大部分组成。但其中各模块之间的关联 存在着缺陷。例如，在空调系统的模拟中，假设送风温度是已知的。这样的处理对于简单 的运行方式（例如已经确定每一个时刻的送风温度）是有效的，但对于较复杂的系统则无法 工作，需要采用前一时刻的数据，或者建筑物的模拟必须进行两次（对于最热控制模式和最 冷控制模式）。这意味着设计人员在方案分析阶段，进行方案比较时，不得不回到概念性 阶段，再次进行建筑模拟计算

6、。建筑模拟和系统模拟之间的联系无法体现出设计过程中两两 个阶段之间的关联。而采用房间负荷作为各个阶段之间的联系导致建筑模拟、系统模拟和机 组模拟等各模块过度紧密地耦合在一起，这使得DOE被限制在建筑物全年能耗分析，而不能 胜任设备选择以及管网系统校验等工作。由此可见，上述两种模拟分析工具都存在着某些缺点而无法有效地应用在设计过程中。因此， 制作一个适用于设计的模拟分析工具，必须充分考虑设计过程的阶段性；处理好各个设计阶 段中的已知、未知关系；设计过程应考虑全年的运行状态，因此必须采用另一种运行方式来 替代实际的小步长控制方式模拟。作为 ANNEX30 的一个参加者，清华大学提出了分阶段设计，分

7、阶段模拟的思路，在充分考 虑上述3个要素的基础上，开发出了建筑环境控制系统模拟分析工具包0eST），并应用在 若干实际工程中。DeST是基于功能的模拟软件，对应设计的不同阶段，提供相应的功能性 模块。其任务是在设计的整个过程中，通过建筑模拟、方案模拟、系统模拟、水力模拟等手 段对设计进行校核，并根据模拟数据结果对设计进行验证，从而保证设计的可靠性。2 DeST的结构DeST在设计时充分考虑了设计的阶段性这一特点。相应于设计的不同阶段，DeST由不同 的功能性模块组成，并根据阶段之间的联系在模块之间建立其相应的关联。图1是DeST的 整体框架结构示意图。矩形表示各个模块，箭头表示各模块之间的关系

8、。EJHAcmMed时弼t BCMHASSt hn 祕图 1 DeST 结构框架示意图ATSDeST所需要的气象数据由Medpha产生，其基础是20年的实测数据和随机气象数学模型。 目前Medpha可以生成各格式的、193个中国城市的逐时气象参数。计算机辅助建筑描述程 序CABD是一个基于ACAD平台的建筑描述界面，设计人员通过它描述建筑物的围护结构（几 何尺寸，热特性参数）以及各种内扰的变化情况。在进行详细的建筑模拟时，需要输入各种 经验系数（例如热量在空间内的分布等），这通过经验系数维护程序ECM完成。CABD是DeST 的主控界面，它把用户绘制的建筑物的相关数据自动传输给建筑分析模拟模块

9、BAS。BAS的 任务对建筑物进行详细的逐时模拟，其数学模型是增强的状态空间法6, 70 BAS是一个精确 的多空间建筑模拟程序，它负责计算逐时的房间基础室温（RBT,在没有任何空调系统影 响下的房间温度）。逐时的基础室温反映了房间在被动热扰影响的下的热特性。在初步设计 阶段，建筑师可以通过基础室温来比较各种因素的影响，如围护结构的材料、朝向、建筑物 的形状等等。当建筑设计确定之后，方案模拟程序Scheme】8可用来计算建筑物在各种空调方 案（分区，系统类型，运行方式）下的热特性，在方案设计阶段，设计者可以通过模拟结果 对不同的空调系统方案进行比较取舍。在方案确定之后，方案模拟程序计算出对机组

10、或者末 端的详细要求，通过逐时系统要求的送回风参数以及风量，空调机组选择程序ACSel对选择 的设备进行全工况满足要求，另一方面可以检验各设备在全年工况下是否能完全满足需求， 另一方面得到对冷热源的水温、水量要求。当对冷热源的需求明确后，类似的方法可以用于 冷热源的需求明确后，类似的方法可以用于冷热源的优化选择，通过冷热源优化程序CPO对 用户选择的冷冻机类型、台数和运行方式进行校核，保证机组在整个运行周期内保持最高的 能效比。通过方案模拟得到全年逐时要求的风量后（对于变风量系统），再通过送风管网可 及性分析DNA计算出风机全年的工况点，从而可以根据其全运行要求选择风机，使其大部时 间工作在高

11、效率区间内。同时，通过可及性分析也可计算出各末端要求的压差，以此通过 NLA对变风量末端进行噪声分析。类似的策略可以用于水管分析，通过PNA来实现。图2列 出了设计的各阶段及其对应的DeST模拟程序。图2 DeST各模块及其对应的设计阶段通过这样的结构设计，设计人员在每一个阶段都能利用相应的模拟模块来计算不同设计中系 统的性能（满意度、能耗要求），并通过比较确定较佳的方案。同时，本阶段模拟的一部分 结果也是下一阶段设计的输入（对下一阶段的需求。）作为一个服务于设计者的工具,DeST 根据设计者的要求进行繁复的计算，而设计得通过分析模拟结果对设计进行比较取舍。3 对已知和未知条件的处理设计过程包

12、含各种不同的设计阶段，每个阶段的已知和未知条件不同，随着设计的展开，各 阶段的已知和未知条件也随时之相互转化，前一阶段的未知因素通过设计成为本阶段的已知 条件。例如，在初步设计阶段，内外扰是已知条件，在这些扰运作用下建筑物的热特性是未 知的；而到了方案设计阶段，建筑物的热特性成为已知因素，设计者需要在详细的建筑物热 特性的基础上对空调方案进行比较、取舍，并为进一步的设备选择提供依据。建筑物的热特 性是初步设计和方案设计之间的重要桥梁，通过设计分析，它从前一阶段的未知条件变为后 一阶段的已知条件。在每一个设计阶段，DeST采用详细的数学模型来表述已知的部分，而理想化的部件来表 述未知的部分。假设

13、理想化的部件能满足任何的要求（冷热量、水量等）。这样的处理与 设计过程相当吻合，并且避免了缺省的部件对模拟结果的不利影响。因为有些未知的部分 往往是到下一阶段才能解决，无论采用何种的缺省部件都不能保证与下一阶段最终选择的 部件一致。采用理想化模型具有两个优点：基于理想化模型的模拟结果具有可比性，因为它们采用了相同的输入和假设。可以得到对下一阶段的需求。理想化模块的输出便是对实际设备的要求，而缺省设备 则无法为下阶段选择提供有益的信息。以方案设计阶段为例，表1中给出了本阶段的任务、已知和未知条件。表1方案分析阶段的任务和条件8任选择适当的分区方式、空调系统形式（变风量、定风量等）以及运务行方式（

14、新风利用策略等）已 知建筑物的热特性（基础室温、各种热扰对房间温度的响应）未 知送风管道系统 空调机组的详细信息 控制手段方案模拟数学模型为W）+理十）+丿區何打前W）+ S乌竹広）-疏屜 遠何=U可（绻陳-吐W）+%K）+若马応-兔）Eju回皿如纭（旷）： 邛盅0宓冷或皿込-0总 0冷哪ILSKOg兰5 W）至&5狄4卫血- 2 （也巫游min ：1%即%朋4站如山皿，痕切朋小+工g每一时间步长式中，t为房间k的空气温度；d为房间k的含湿量；Q为通过风机盘管或末端再热器投入 kkk到房间k的冷热量；G为房间k的送风量；t 为房间k的基础室温；A，A，B为状态空 kk,basej j间法中的系

15、数； t 为机组的送风温度； d 为机组的送风含湿量； t ， t 分 supplysupplyk,set,mink,set,max别为房间k的温度设定最小值和最大值；Q k , Q k 为房间k的相对温度最小值k,set,mink,set,max和最大值，%； G ，G 为房间k的最小和最大送风量（变风量系统）；Q，Q,k, mink, maxk, mink, max为房间k的风机盘管或者末端热器可投入的冷热量最小值和最大值；t , d 为房间k分 outout别为室外的空气温度和含湿量； t return， d return 分别为机组的回风温度和含湿量； min：J 为returnreturn空气处理室及各末端的最小能耗。通过详细的建筑模拟，得到了各房间的基础室温tkb和空调系统（冷热量）作用在房间温 k,base度上的影响系数A和A。它们是本阶段的已知因素。各个时刻下送风量（G ）、送风状态（t，jksupplyd ）以及风机盘管或者末端再热器的输出（Q ,如果系统中有相应的设备）需要通过本 supplyk阶段的模拟来确定，其目标是使系统内所有的房间都能满足其设定值要求，所有的参数都必 须满足方程组（1）的限制。通过下列步骤，可以计算出各种空调方案下系统的性能： 计算每一个房间所要