建筑环境设计模拟工具包DeST

建筑环境设计模拟工具包DeST是一个基于功能的模拟软件，用于模拟建筑、方案、系统和水力计算，以检查设计，保证设计的可靠性。介绍了DeST的结构和用户界面，并结合工程实例说明了DeST的应用。

关键词:DeST，建筑环境模拟软件

1.开发DeST的目的。近30年来，体系结构和空调制系统的仿真在学术研究中得到了广泛的应用，出现了许多仿真模型、仿真方法和仿真应用工具。

仿真技术已经比较成熟，但在实际设计中，利用仿真技术辅助分析的还不多见。大部分设计仍只考虑最不利工况，不考虑全年运行过程，导致设备选型不合理，过渡季节无法满足要求等问题。最近，国内外的研究机构和设计公司开始投入越来越多的努力来缩小仿真和设计之间的应用差距。例如，在国际能源署(IEA)最近结束的研究子项目“附件30 [1]将模拟应用于实践”( Bring Simulation into Application)中，模拟技术在设计过程中的应用研究是其最重要的章节。虽然通过仿真分析可以提高设计的可靠性，但只有明确了设计与仿真之间的关系，才能制造出在实际设计过程中可以有效使用的仿真分析工具。而国外的几种主流仿真分析工具，由于没有充分考虑设计过程的阶段性、连续性等特点，只能用于学术研究领域。

设计过程是一个分阶段的过程，包括初步设计、方案设计、详细设计和后期设计阶段[2]。这是一个复杂而持续的反馈过程。目前有没有可以服务于整个流程的仿真分析工具？

目前的仿真工具可以分为两类:一类是基于功能的，以DOE[3]为主要代表；另一种是基于模态音，以TRNSYS[4]、HVACSIM+[5]和MATLAB为代表。基于功能的模拟工具设计模拟系统，以满足一定的功能需求(如计算建筑物的年能耗)；基于模块的仿真工具注重构建系统的灵活性，其特点是通用的模块接口和统一的非线性求解核心。

当所有条件已知时，模块化仿真系统可以很容易地建立整个系统的框架并进行仿真计算，这使它们非常适合于研究领域。通过模拟计算，可以知道系统各组成部分确定后系统的运行状态。但是在设计过程中，尤其是在设计初期，设计人员无法掌握所有的信息，有些数据是模拟输出而不是输入。例如，在方案设计阶段，设计人员试图比较不同的系统形式时，由于空单元的选择要在方案确定后进行，所以无法知道空单元的具体信息。为了使模块化仿真程序运行，用户必须采用“默认”组件，并选择一些“默认空单元来构建仿真系统。计算机仿真软件的一个重要特点是输出严重依赖输入。因此，由许多“默认”部件组成的系统的仿真结果对实际设计没有指导意义。当“默认”是后续设计的目标时，这样的模拟计算对设计者决策没有帮助。所以模块化仿真工具虽然适合学术研究，但不适合工程设计。

与模块工具相比，基于功能的仿真工具灵活性较差，但更接近设计者的想法，因此更容易被采用。为了掌握全年的运行特性，设计人员通常用它来计算建筑物全年的能耗需求。代表性的DOE由三部分组成:建筑模拟、系统模拟和单元模拟。然而，模块之间的关系存在一些缺陷。比如“在空调制系统的仿真中，假设送风温度已知。这样的处理对于简单的运行模式是有效的(比如已经确定了每个时刻的送风温度)，但是对于更复杂的系统就不能起作用了，需要采用前一时刻的数据，或者必须对建筑进行两次模拟(对于最热控制模式和最冷控制模式)。”这意味着当在方案分析阶段比较方案时，设计者必须回到概念阶段并再次进行建筑模拟计算。建筑模拟和系统模拟的关系不能反映设计过程中两个或两个阶段的关系。但以房间负荷作为各阶段之间的纽带，导致建筑模拟、系统模拟、单元模拟耦合过紧，使得DOE仅限于建筑全年能耗分析，无法胜任设备选型和管网系统验证。

可以看出，以上两种仿真分析工具都存在一些不足，无法在设计过程中得到有效应用。因此，要制作一个适合设计的仿真分析工具，必须充分考虑设计过程的各个阶段；处理好各设计阶段已知和未知的关系；设计过程要考虑全年的运行状态，所以需要采用另一种运行方式，而不是实际的小步长控制方式模拟。

清华大学作为ANNEX30的参与者，提出了“分阶段设计，分阶段仿真”的思想。基于对上述三个要素的充分考虑，他开发了一个用于构建环境控制系统的仿真分析工具包(DeST)，并将其应用于一些实际项目中。DeST是一个基于功能的仿真软件，为设计的不同阶段提供了相应的功能模块。其任务是在整个设计过程中通过建筑仿真、方案仿真、系统仿真、水力仿真等手段对设计进行校核，并根据仿真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在设计中充分考虑了“设计阶段”的特点。根据设计的不同阶段，DeST由不同的功能模块组成，根据阶段之间的关系建立模块之间的对应关系。

DeST所需的气象数据由Medpha产生，基于20年的实测数据和随机气象数学模型。目前，Medpha可以生成各种格式的193个中国城市的每小时气象参数。CABD(Computer Aided Building Description Program)是一个基于ACAD平台的建筑描述界面，设计师可以通过它描述建筑围护结构(几何尺寸、热工特性)的变化以及各种内部扰动。在进行详细的建筑模拟时，需要输入各种经验系数(如热量在空中的分布)等。)，这是由经验系数维护程序ECM完成的。CABD是DeST的主控界面，自动将用户绘制的建筑物相关数据传输到建筑物分析与仿真模块BAS。BAS的任务是逐时详细模拟建筑物，其数学模型是增强型状态空区间法[6，7]。BAS是一个精确的多空区间建筑模拟程序，负责计算逐时房间基本室温[8](逐时基本室温反映了房间在被动热扰动影响下的热特性。在初步设计阶段，建筑师可以通过地基的室温来比较各种因素的影响，比如围护结构的材料、朝向、建筑的形状等等。建筑设计确定后，可利用方案模拟程序Scheme[8]计算建筑在各种空调制方案(分区、系统类型、运行方式)下的热工特性。在方案设计阶段，设计者可以通过仿真结果比较选择不同的空调制系统方案。方案确定后，方案模拟程序计算单元或终端的详细需求。通过系统要求的逐时回风参数和风量，空机组选型程序ACSel可以满足所选设备在所有工况下的要求。一方面可以检查全年工况下所有设备是否能完全满足要求，另一方面可以得到冷热源的水温和水量要求。当冷热源需求明确时，可采用类似方法进行冷热源的优化选择。通过冷热源优化程序CPO，对用户选择的冰箱类型、数量、运行方式进行检查，保证机组在整个运行周期内的能效比。在通过方案模拟得到全年逐时所需风量(针对变风量系统)后，通过送风管网的可达性分析DNA计算出风机的全年运行点，这样就可以根据其满负荷运行要求来选择风机，使其大部分时间都能工作在高效区。同时，通过可达性分析，可以计算出各末端所需的压差，从而通过NLA分析变风量末端的噪声。类似的策略可以用于水管分析，这是由PNA实现的。

通过这种结构设计，设计者可以在每个阶段使用相应的仿真模块，计算不同系统在不同设计中的性能(满意度和能耗需求)，通过比较确定更好的方案。同时，这一阶段的部分模拟结果也是下一阶段设计的输入(下一阶段的需求。)DeST作为服务于设计者的工具，根据设计者的要求进行复杂的计算，设计者不得不通过分析仿真结果来比较和选择设计。

3.已知和未知疾病的治疗。设计过程包括各个设计阶段，每个阶段的已知和未知条件都是不同的。随着设计的展开，每一阶段的已知和未知条件随时相互转化，前一阶段的未知因素通过设计成为这一阶段的已知条件。

比如在初步设计阶段，内外扰动是已知条件，这些扰动下的建筑热工特性是未知的；在方案设计阶段，建筑物的热特性成为已知因素，设计人员需要根据建筑物的详细热特性来比较选择空调制方案，为进一步的设备选型提供依据。建筑的热工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，已经由前期的未知条件变为后期的已知条件。

在每个设计阶段，DeST用详细的数学模型来表达已知部分，而用“理想化”的部分来表达未知部分。假设“理想化”的组件可以满足任何要求(冷热、水量等。).这种处理与设计过程相当一致，并且避免了“默认组件”对仿真结果的不利影响。因为有些未知部分要到下一阶段才能解决，所以无论采用什么样的“默认部分”，都不能保证与下一阶段最终选定的部分一致。采用“理想化”模型有两个优点:

基于“理想化”模型的模拟结果是可比较的，因为它们采用了相同的输入和假设。

可以得到下一阶段的需求。“理想化”模块的输出是实际设备的需求，而“默认设备”无法为下一阶段的选择提供有用的信息。

建筑物的已知热特性(基本室温，各种热干扰对室温的响应)

未知送风风道系统空空调机组的详细信息控制方式

①计算每个房间所需的送风状态面积(SSRK)；

②由于系统中任何时候只能有一个统一的送风状态，所以需要找到所有房间送风状态区域的交集(常用送风状态区间，CSSR)；

③取公共送风状态区域内任意一点作为送风参数，可使分区内所有房间满足设定值要求，不同送风状态点对应的空气体处理能耗不同。这里通过某种优化算法计算公共供气状态区域内的点，确定产生这个供气状态点的对应空气体处理工艺:

④在确定送风状态后，根据能耗最小的原则，可以确定系统的送风量和风机盘管或末端再热器输入的冷热。

⑤计算每个房间的温度和湿度。

根据计算出的各房间的逐时温湿度，统计全年各房间满足设定值要求的小时数或比率，比较不同空调制方案的性能。如果不同的方案能够满足各个房间的要求，那么就要对各个方案的能耗值进行比较。

在这个阶段，空气体处理室配备了一个“理想化”的设备，假设它可以产生任何所需的送风温度和湿度。在方案模拟过程中，只需要确定空气体处理室的类型，而不需要确定各部件的详细参数。方案确定后，整个空气体处理室的要求也随之确定。根据各段空天然气处理工艺线的小时要求，在详细设计阶段可对装置的各部件进行详细检查。

同样的假设也用于空气供应网络的分析。在方案分析阶段，假设送风管网可以提供任何需要的送风量。方案设计完成后，还获得了所需的每小时风量分配数据，这些数据正是详细检查风机和管网所需要的。