一个数值模拟工具，用于预测户外热的影响环境对对建筑能源性能的影响。外文翻译资料

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一个数值模拟工具，用于预测户外热的影响环境对对建筑能源性能的影响。

摘要

建筑物影响其周围环境，并且相反其室内环境受到其周围的影响。为了获得更准确的室内热环境预测，它需要考虑室内和室外热环境之间的相互作用。然而，仍然缺乏可用于预测之间的相互作用的数值模拟工具室内和室外微气候，考虑到室外空间条件的影响（如作为建筑形式和树形）和各种城市表面材料。本文提出了一个模拟工具，用于预测户外热环境对由若干建筑物组成的城市街区中的建筑物热性能（加热/冷却负载，室内温度）的影响，树木和其他结构。仿真工具是基于3D CAD的设计工具，这使得它成为可能以详细地再现建筑物和构造的表面材料的空间形式。室外热环境是根据外表面温度和平均辐射温度来评估的（MRT）。这些温度的模拟结果可以在彩色3D显示器上可视化。还可以模拟建筑物的加热/冷却负载和室内空气温度（内表面温度）。在这里研究，描述了模拟方法，并对木材进行敏感性分析

独立式住宅在不同的户外条件（建筑覆盖，毗邻建筑高度，周围与树木或无树）。仿真结果表明，本研究开发的仿真工具能够量化户外配置和表面材料对室内和室外环境的影响。

1.介绍

许多仿真工具，如EnergyPlus，DOE-2和TRANSYS，已被开发用于预测建筑物的热性能和能源使用。这些模拟工具的分析域几乎全部限于室内。然而，在现实中，建筑影响其周围环境，反之亦然室内环境受到周围环境的影响。提供更准确的对室内热环境建筑能量性能预测，有必要考虑室内和室外热环境之间的相互作用。然而，考虑户外空间条件（如建筑形式和树形）和各种城市表面材料的影响，仍然缺乏可用于预测室内和室外之间的小气候相互作用的数值模拟工具。

许多以前的研究集中在室内和室外热环境之间的相互作用的数值预测。在最近的一项研究中，Zhu et al。 使用a耦合城市建设能源评价体系一维冠层模型（AUSSSM）来分析城市冠层配置在室外热舒适下不同建筑覆盖的条件的影响，室内空调设定点等。然而，在这些以前的研究中，简化了建筑物的建筑材料以及空间形式。事实上，城市街区由树木，建筑物和其他结构组成其具有复杂的空间形式并且由各种材料制成。众所周知，空间形式和建筑材料影响室外和室内热环境的形成。此外，在以前的研究中使用的模拟工具没有开发用于一般设计师（建筑师，开发人员等），所以没有工具集成到工具3D-CAD系统来再现空间形式的建筑物等结构细节。

命名

a，b常数在Brunt的公式 asu太阳能吸收率

AI（i，j）房间i（i，j）中的内表面j的（m2） AF（i）roomi中的楼层面积（m2）

Amesh网格的面积（m2） AO（i）房间内表面的总面积（m2）

Asm外表面的面积（m2） AW（i，l）在室外表面m处的窗口的面（m2）

c云量 cp比热容（J /（kg K））

cpi室内空气比热容（J /（kg K）） e地面附近的水蒸汽压力（Pa）

Fi视图因子从点到面 Fsky视图因子从一个点到天空

HC对流热（W / m2） HE潜热（W / m2）

HG传导热通量（W / m2） Hi删除/需要的热量为roomi（W）（Hi是空调负载空调时，Hi = 0不是空调）

HL净长波辐射（W / m2） HS吸收的太阳辐射（W / m2）

IDR直接太阳辐射（W / m2） IRR反射太阳辐射（W / m2）

ISR天空太阳辐射（W / m2） Isum（m）外表面上的总太阳辐射（对于开口）（W）

ITR总太阳辐射在网格外表面（对开口）（W / m2）

k质量传递系数（kg /（m2）） s（kg / kg（DA））））

L墙壁或屋顶的厚度（m） mc云高度系数

室内（室内空气 家具）热容量（J / K） MRT平均辐射温度（K）

Ns周围表面的总数 NI（i）roomi中的内表面的数量

Nm外表面网格数 Nw周围建筑物和地面的数量

NWI在roomi的窗口数 Qi室内显热源i（W）

QLI（i，j）由内表面吸收的长波辐射房间（W / m2）

Qm表示由外表面吸收的辐射（W / m2）

QSI（i，j）太阳辐射被室内i的内表面吸收（W / m2）

RLa大气辐射（W / m2） RLw长波辐射从周围的建筑物和地（W / m2）

Rmesh（m，i）由网格外表面吸收的总辐射（W / m2）

Rsum（m）外表面吸收的总辐射（W）

T内部温度（K） Ta室外空气温度（K）

室内三室内空气温度（K）

Ts外表面温度（K） Tsi（i，j）室内表面j的表面温度（K）

Tsm外表面的平均表面温度（K） Tw周围建筑物的表面温度地面（K）

t时间（s） Va通气量（m3/ s）

x坐标的三个分量（m） X绝对湿度（kg / kg（DA））

aci（i，j）室i内表面j的对流系数（W /（m2K））

总传热系数（W /（m2K））（其值为假定为9.3W /（m2K））

b蒸发效率 发射率

h直接太阳辐射的入射角（rad） i潜热（J / kg）

g（i，j）在房间i中的窗口j的太阳透射率

k导热率（W /（m·K）） q密度（kg / m3）

室内空气密度（kg / m3） r Stefan-Boltzmann常数（W /（m2K4））

sl窗口的太阳能透射率下标一个大气s表面

创建一个基于3D CAD的设计工具，可用于支持室内和室外之间的相互作用的预测在城市街区的热环境中，我们开发了一种集成建筑热负荷模拟的模拟方法程序转换成3D-CAD热环境模拟器（3D基于CAD的仿真系统）。 该仿真工具已经在PC上集成到商业3D-CAD软件（VectorWorks）中，并且称为ThermoRender的日语版在日本市场上可买到。

为了证明拟议的模拟方法的有用性，本研究进行了a的灵敏度分析位于与各种各样的一个住宅区的木独立式住宅室外条件（建筑覆盖，毗邻建筑高度，周围有树木或无树木等）。 方法论仿真工具如下所述。

2.方法

模拟过程在图1中概述。模拟是使用3D-CAD模型执行（显示在左上角

图。 1）该区域的建筑物，树木和其他结构分析。如图所示。 1，三维空间形式的建筑物，树木等结构，和二维地面被分成网格。结构材料的热物理数据，例如反照率，电导率和太阳透射率被分配给网格。一个自动网格划分过程具有空间分辨率0.05-5mu;m（实际尺寸为0.1-0.4mu;m）均匀网格可以用于当前版本的工具。在本研究中使用0.2mu;m的均匀筛目尺寸。

三维辐射（太阳辐射和长波辐射）从周围环境（天空，地面和周围环境）在每个网格的热平衡计算中被考虑。传导热被假定为在一个方向上传递是网格表面的法线。以下假设是也用于热仿真。在分析时间内环境空气温度和风速均匀分布在室外空间中。室内空气温度在室内均匀。热桥的影响不考虑建筑热负荷模拟。

2.1、外表面温度模拟

每个网格表面处的能量平衡方程可以写为方程（1）。方程的左边（1）是导热网格。第一个正确的术语是网格吸收的短波（太阳）辐射。第二个右边是净长波辐射。第三个右边是来自环境空气的对流热传递。

第四个右边是蒸发的潜热。方程（1）说明了照射的三维辐射表面。表面上的短波长辐射包括直接太阳辐射，天空太阳辐射和反射的太阳辐射。反射的太阳辐射包括镜面反射和各向同性漫反射。第一次反射的太阳辐射在计算中考虑。在照射表面上的长波辐射中考虑来自周围环境的大气辐射和长波辐射。天空太阳辐射和大气辐射从天空视图因子计算每个网格。通过从网格向多个半球方向的多跟踪模拟来计算天空视图因子。建立跟踪方向以使跟踪密度（间隔）具有相同的形状因子。

天空视图因子通过计数到达的示踪剂的数量来估计边界表面。计算反射的形状因子来自周围环境的太阳辐射和长波长辐射，通过在估计中使用的相同方法来确定天空视图因子。计算方法的详细描述可以在Asawa等中找到。对流热传递计算的假设环境空气温度和风速在分析时均匀分布在室外空间中。这个假设在低风速的天气条件下有效。对流系数被认为是风速的函数，和由Jurges公式给出。每个网格内的非稳态一维传导方程由等式（2）表示。外部和内部每个网格的表面温度可以通过求解来确定方程（2），使用方程（1）和（3）作为外界的边界条件表面和内表面。边界条件内部表面是建筑物的室内空气温度和地下温度。

建筑物同一楼层的客房假设为单人间房间，因为内部分区的影响不被采纳考虑。假设室内空气温度在分析时间是均匀的，并且其每小时数据给出如下。对于第一计算，假设室内空气温度以等于非空调或空调时段的环境空气温度或设定点温度。等式（3）是内表面的边界条件。在内表面处的能量交换被认为是辐射的与室内空气的对流交换，其中组合热使用传递系数ao并假设为常数9.3W /（m2K）。在第二次计算中，室内空气温度由建筑热负荷计算的结果如下面所描述的并给出输入数据。地下温度在一个深度0.6 m被认为在白天是恒定的。

后向差分法用于求解非稳态热传导方程（方程（2））。本研究中使用的计算时间步长为5分钟。树形被建模为3D-CAD模型，冠是由包含太阳透过率数据的网格组成。太阳能透射辐射随着其穿过树网模型而减小。如图2所示，这个网格模型使它成为可能以量化阳光的位置和距离的影响在太阳能传输的冠上的通道。树冠的表面温度通过从实验数据导出的经验公式计算，并且可以表示为a入射到表面上的太阳辐射的函数，环境空气温度和风速。

2.2、建筑热负荷模拟

由外部建筑物表面吸收的总辐射可以从上述表面温度模拟计算并由Qm表示。给出了表面的热平衡方程(4)的左边是表面处的导电通量。建筑物墙壁或屋顶内部的热传导可以由等式（5）在与等式1相同的等式中表示。（2）这是一个非稳态一维方程，其中的热存储考虑建筑材料的影响。内置的表面温度可以通过求解方程（5），使用外表面的边界条件（方程（4））和内部表面（方程（6））。为了求解方程（5），后向差方法，计算时间步长设置为15分钟。式（6）表示内表面（表面）处的热交换j），其中左项是内部的传导热通量表面。在方程（6）的第一个右边，太阳辐射通过考虑通过窗口，其中假设一半的太阳能透射被地板吸收其他一半被墙壁和天花板吸收。在方程（6）的右边，第二项是长波辐射增益周围表面，第三项是长波辐射，第四项是对流增益从室内空气。内表面之间的长波辐射是使用Gebhart吸收法计算的。室外热模拟方程（方程（1） - （3））

空调负荷（Hi）和室内空气温度（Tri）

通过求解方程（7），使用Ishida和Udagawa的方法计算。求解方程的基本计算方法。（7）也可以在参考文献[18]中找到。等式（7）是室内空气的热平衡方程，其中第一个右边项是从内部表面（墙壁，地板，天花板）的对流热增益，第二个右边项是通风热增益，第三个右边项是来自内部热源的对流热，第四个右边项是被去除/需要的热量（称为感知热量）冷却/加热负荷）以保持内部空气当房间空调时的设定点的温度。室内空气计算温度被用作内部边界根据上述计算处理的外表面温度的第二计算的条件。

2.3、模拟输出

作为模拟的输出，可以在3D模型上预测和可视化所有外部表面的温度（参见图的左下角。 1）从表面的计算结果温度，一点处的平均辐射温度（MRT）由式（8）估计。一个点的平均辐射温度为定义为假想围墙的均匀温度来自人体或物体的辐射热传递等于到实际非均匀外壳中的辐射热传递。在本研究中，使用地面以上1.5米高度的MRT来评估室外人类活动空间的热舒适度。此外，室内空气温度的日变化，内表面温度和加热/冷却负荷也可以获得。

3.比较研究

为了比较所提出的模拟方法与其他模拟方法的仿真结果，比较利用建筑能量模拟工具进行了研究（SMASH）。 SMASH是最标准的实用型号在日本，其可靠性已通过认证。一个两层分离房子如图所示。 3用于比较分析，这是由AIJ（日本建筑学会）提出的用于模拟模型测试目的的标准模型房子。墙，屋顶，天花板和地板如图1所示。 4.模拟中使用的建筑材料的热物理性质在表1中给出。建筑物描述和模拟条件在表2中给出。墙壁由六层组成，厚度为131mm。最外层表面覆盖有砂浆。将50mm厚的绝缘材料（玻璃棉）夹在壁中。倾斜的屋顶覆盖着石板砖10mm厚。屋顶下有一个阁楼空间， 2层的天花板用100mm的玻璃棉绝缘厚度。

一个典型的阳光灿烂的夏天（8月5日）的每小时气象数据在东京用作模拟的输入天气条件。

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