【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及建筑，具體涉及一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，更具體地涉及一種基于等效電路法的考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法。
技術介紹
1、城市建筑能耗計算中完整的熱濕平衡應包括建筑層面的熱濕平衡和微氣候層面的熱濕平衡。目前已有城市建筑能耗軟件在建筑層面計算內核主要分為兩類，一種基于energyplus(例如umi，citybes，urbanopt)，一種基于等效電路法(例如citysim，simstadt，openideas，cea，teaser)。不管選用目前哪種城市建筑能耗計算內核，都僅考慮了建筑層面的熱平衡。濕平衡包括通過建筑圍護結構的熱濕耦合傳遞、室外風驅雨和室內濕源在目前城市建筑能耗模型中并沒有考慮。在單體建筑層面熱濕平衡研究已有很多，目前此領域的理論研究可概括為基于不同濕驅動勢的熱濕耦合傳遞模型研究，包括材料含濕量、水蒸氣壓力、水蒸氣密度、相對濕度、毛細管壓力等。在這些模型中，由于相對濕度的易測性使得以相對濕度為濕驅動勢的熱濕耦合傳遞模型受到廣泛青睞。例如以相對濕度為濕驅動勢的künzel模型已被廣泛應用于多款商業軟件中比如comsol、wufi和energyplus。但不管選擇哪種驅動勢，熱濕模型均為耦合的二階偏微分方程，需多次迭代求解，在單體建筑層面已經較為復雜，更不適用于大量城市建筑的熱濕耦合傳遞計算。這就可以解釋為什么基于energyplus的城市建筑能耗模擬軟件并沒有選擇考慮熱濕耦合的künzel模型而僅選擇熱平衡模型作為計算內核。風驅雨作為影響建筑圍護結構熱濕平衡和室內熱
技術實現思路
1、為了解決目前已有方法在計算城市建筑群能耗時忽略熱濕耦合效應的問題，本專利技術通過考慮建筑圍護結構的熱濕耦合傳遞、室外風驅雨、濕滲透和室內濕源的影響，提出一種基于等效電路法的考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法。所述方法包括：建立圍護結構熱濕耦合傳遞模型；基于構建的熱濕耦合模型建立熱濕等效電路；對建筑群每一棟建筑進行熱區劃分；對每一個熱區幾何信息和非幾何信息進行存儲；對每一個熱區所有建筑圍護結構構件按照構造邊界條件相似性進行聚類；對聚完類的每一類構造分別采用等效電路法熱濕模型進行等效組成一個支路；對等效完的每一個支路采用并聯方式進行連接；對每一個等效節點的外擾包括長短波輻射和室外風驅雨進行計算；對每一個等效節點建立能量守恒方程和濕守恒方程；對能量守恒方程和濕守恒方程進行數值離散；基于離散方程以及室內空調開啟策略和設定溫度求解冷熱負荷；基于空調系統cop計算建筑能耗。最終實現了復雜建成環境中大量城市建筑能耗熱濕耦合精準高效計算。
2、本專利技術的目的可以通過以下技術方案實現：
3、一種基于等效電路法的考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，所述方法包括以下步驟：
4、s1、建立圍護結構熱濕耦合傳遞模型：基于fick理論來描述水蒸氣在圍護結構中的擴散過程，基于darcy定律來描述圍護結構中液態水毛細傳導過程，最終建立以相對濕度和溫度作為驅動勢的圍護結構熱濕耦合傳遞模型，如式(1)、(2)所示。
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7、其中：
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12、s2、基于構建的熱濕耦合模型建立熱濕等效電路：基于s1所構建的熱濕耦合模型，將濕傳遞分為兩部分即溫度梯度引起的濕傳遞和相對濕度梯度引起的濕傳遞；熱傳遞也分為兩部分即溫度梯度引起的熱傳遞和相對濕度引起的熱傳遞，基于這一思想，通過4r2c模型建立如圖1所示的圍護結構熱濕等效電路。
13、s3、對建筑群每一棟建筑進行熱區劃分：根據模擬要求對建筑熱區進行劃分，一般按照建筑物理空間和空間功能來進行劃分，在城市尺度上為了提升模擬效率一般按照一棟建筑一個熱區或者一層一個熱區來進行熱區劃分。
14、s4、對每一個熱區幾何信息和非幾何信息進行存儲：以朝東方向為x軸，朝北方向為y軸，建立笛卡爾右手直角坐標系，完成s3熱區劃分后，采用國際通用標準格式geojson按照建筑-熱區-建筑面-窗/門的拓撲關系對建筑幾何信息和非幾何信息進行存儲，其中面幾何信息的存儲采用組成其的所有頂點坐標集合，非幾何信息包括圍護結構構造、人員信息、設備、照明、空調開啟策略等通過相關標準或者實際測量數據進行設置。
15、s5、對每一個熱區所有建筑圍護結構構件按照構造邊界條件相似性進行聚類：根據圍護結構構造的邊界特性，將圍護結構分為5類包括：1)外傳熱構件(屋頂、外墻、挑高地面)；2)內傳熱構件(內隔墻、地板、天花板)；3)一層地面(與土壤層接觸的地面)；4)內蓄熱體(家具、內蓄熱墻)；5)窗戶。
16、s6、對聚完類的每一類構造分別采用等效電路法熱濕模型進行等效組成一個支路：
17、s61、對于外傳熱構件類構造，考慮通過其的熱濕耦合傳遞，因此基于s2建立的熱濕等效電路法模型進行等效，并通過對流換熱換濕熱阻考慮其內外表面與室內外空氣的換熱換濕，最終建立的等效電路如圖2所示；
18、s62、對于一層地面類構造，考慮通過其的熱濕耦合傳遞，因此基于s2建立的熱濕等效電路法模型進行等效，并通過對流換熱換濕熱阻考慮其內表面與室內空氣的換熱換濕，其外部邊界條件為一恒定溫度和濕度的土壤層，最終建立的等效電路如圖3所示；
19、s63、對于室內蓄熱體類構造，無需考慮其內部的熱傳遞和濕傳遞，因此采用1r1c模型進行等效，如圖4所示；
20、s64、對于內傳熱構件類構造，僅考慮通過其的熱傳遞，忽略濕傳遞，采用4r1c模型進行等效，但由于一個熱區可能通過內墻或者樓板連接多個熱區，因此通過面積加權平均溫度來表示連接的多個熱區的等效室內空氣溫度節點，通過受控電壓源建立等效電路模型，如圖5所示；
21、s65、對于透明圍護結構類構造窗戶，采用可變電阻器進行電路等效，將室內向外部環境散失的熱量包括自然通風、機械通風、滲透以及通過透明圍護結構的傳熱等效為一個集總電阻器參數ua，如式(3)所示，將室內向外部環境散失的濕量等效為ma，建立的等效電路如圖6所示。
22、ua＝∑(utrans·atrans)+vzone·ρa·cp,a·(nvent+ninf+nmec)/3600?本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述S1建立圍護結構熱濕耦合傳遞模型方法如下：基于Fick理論來描述水蒸氣在圍護結構中的擴散過程，基于Darcy定律來描述圍護結構中液態水毛細傳導過程，從而建立以相對濕度和溫度作為驅動勢的圍護結構熱濕耦合傳遞模型。
3.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述S2基于構建的熱濕耦合模型建立熱濕等效電路方法如下：基于S1所構建的熱濕耦合模型，將濕傳遞分為溫度梯度引起的濕傳遞和相對濕度梯度引起的濕傳遞；并且將熱傳遞分為溫度梯度引起的熱傳遞和相對濕度引起的熱傳遞。
4.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述S4對每一個熱區幾何信息和非幾何信息進行存儲方法如下：以朝東方向為x軸，朝北方向為y軸，建立笛卡爾右手直角坐標系，完成S3熱區劃分后，采用國際通用標準格式GeoJSON按照建筑-熱區
5.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述S5對每一個熱區所有建筑圍護結構構件按照構造邊界條件相似性進行聚類方法如下：根據圍護結構構造的邊界特性，將圍護結構分為5類包括：1)外傳熱構件；2)內傳熱構件；3)一層地面；4)內蓄熱體(家具、內蓄熱墻)；5)窗戶。
6.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述S6對聚完類的每一類構造分別采用等效電路法熱濕模型進行等效組成一個支路方法如下：
7.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述S8對每一個等效節點的外擾包括長短波輻射和室外風驅雨進行計算方法如下：采用變壓器來表示每個等效節點的外擾包括接收的短波輻射量、與外界環境交換的長波輻射量和室外風驅雨量，采用“鄰域建筑面”法來高效計算建筑表面所接收的太陽直射輻射量；采用Pezez各向異性模型來計算接收的太陽散射輻射量；基于Gebhart輻射計算方法來計算各表面間的長波輻射量，其中各表面間角系數的計算基于面積權重法；從窗戶透射進室內的太陽輻射以及內部熱源短波輻射均勻分布在各表面上即所接收的輻射量與面積成正比；基于ASHRAE?160計算室外風驅雨量。
8.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述S9對每一個等效節點建立能量守恒方程和濕守恒方程計算方法如下：基于基爾霍夫電流定律對每一個等效節點建立能量和濕守恒方程。
9.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述S11對基于離散方程以及室內空調開啟策略和設定溫度求解冷熱負荷方法如下：對S10建立的每個節點線性離散方程聯立求解，采用LU算法求解聯立后的矩陣方程，得到每個節點溫度值和相對濕度值；通過對比空調關閉狀態下求解的室內空氣溫度與室內預設溫度，再結合空調開啟策略進行冷熱負荷計算。
...【技術特征摘要】
1.一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述s1建立圍護結構熱濕耦合傳遞模型方法如下：基于fick理論來描述水蒸氣在圍護結構中的擴散過程，基于darcy定律來描述圍護結構中液態水毛細傳導過程，從而建立以相對濕度和溫度作為驅動勢的圍護結構熱濕耦合傳遞模型。
3.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述s2基于構建的熱濕耦合模型建立熱濕等效電路方法如下：基于s1所構建的熱濕耦合模型，將濕傳遞分為溫度梯度引起的濕傳遞和相對濕度梯度引起的濕傳遞；并且將熱傳遞分為溫度梯度引起的熱傳遞和相對濕度引起的熱傳遞。
4.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述s4對每一個熱區幾何信息和非幾何信息進行存儲方法如下：以朝東方向為x軸，朝北方向為y軸，建立笛卡爾右手直角坐標系，完成s3熱區劃分后，采用國際通用標準格式geojson按照建筑-熱區-建筑面-窗/門的拓撲關系對建筑幾何信息和非幾何信息進行存儲，其中面幾何信息的存儲采用組成其的所有頂點坐標集合，非幾何信息包括圍護結構構造、人員信息、設備、照明、空調開啟策略。
5.根據權利要求1所述的一種考慮熱濕耦合效應的城市建筑群能耗高效計算方法，其特征在于，所述s5對每一個熱區所有建筑圍護結構構件按照構造邊界條件相似性進行聚類方法如下：根據圍護結構構造的邊界特性，將圍護結構分為5類包括：1)外傳熱構件；2)內傳熱構件；3)一層地面；4...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王曉宇，石邢，田帥，王超，耿躍云，
申請(專利權)人：城碳上海數字科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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