城市建筑能耗模拟平台开发

摘 要：本文通过提供了一个基于DU建模技术的城市建筑物能耗仿真平台研究，完成了由城市地面三維几何数据到城市建筑物内部的DU建模的自动生成过程，系统分析了城市天气的空间差异及其对建筑物耗冷热量的影响，以及探讨了城市建筑物、建筑设备和辅助系统的能耗仿真方式从而阐述了整体仿真策略方案。

关键词：能耗模拟;城市建筑;模型设计

建筑能源在人们所运用的总能源中占据较大比重，因此城市区域建筑物能耗情况需要高度重视。在中国建筑热能占社会总能源高达五分之一，其中二氧化碳排放量又占总排放量的五分之一。而城市建筑能源仿真则是指通过对建筑物内与周围的热能和质量流动模型可以预测整个建筑群的能源状态与室内外环境，并通过对一个建筑能源模拟的"自下而上"的方法，仿真由小区到县城各种规模的建筑群能源状态。对一个建筑进行能源仿真已具有了较多的研究基础，在整个建筑生命周期内的设计、运用、评价与改进等诸多环节中已获得了较普遍的运用经验。不过，由于城市能源体系是一种复杂的有机体，城市建筑间﹑以及城市与周围自然环境之间的相互作用显著影响着建筑能源特性。所以，在城市环境中进行区域的能源建模会比较精确地体现建筑的性能表现。

一、城市建筑物能耗模拟平台架构

通过对上述问题的认识，利用本文所提供的都市建筑物能源仿真数据分析平台框架，使用都市三维的几何数据与气象数据作为输入，自动形成了都市建筑物的DU能耗模式，并通过对都市中各类建筑物的冷热耗用、能源等展开并行化仿真运算，进而实现了对仿真运算的结论导出和可视化，并完成了未来数据分析。

二、建筑物的能耗模拟

建筑物模拟的方法可以分为热平衡法﹑权系数法和热网法。前二个技术也被用来进行温度的估算，并使用了不同的操作步骤。热平衡方法主要是为了确定在每一范围内的所有热能流是均匀的。热平衡方法要同时解决大量的方程问题，如对空气区域中，每一层墙壁的内部表面，以及顶棚、地面上的各种热量方程的求解。其中能量平衡方程和空气通过墙壁与顶棚之间的瞬时热传导的过程，和室外干球温度﹑湿球温度、阳光的放射性强度等气象数值密切相关。

三、中央制冷以及制热设备的模拟

中央冷却和制热装置的仿真，必须充分考虑到环境要求和负载变化对装置工作效能的影响。而对于不同种类的中央制热和冷却装置来说，一个最简便实用的仿真方式就是通过使用额定或满负荷输入功率和额定容积，将输入功率与机械设备容积实行回归化。构成这种归一化处理曲线必须了解部分负载条件的装置性能参数，中央制冷和制热装置的仿真必须考虑到工作环境要求，以及负载条件对装置工作效能的影响。因此对于各种种类的中央制热和制冷装置来说，一个最简便实用的仿真方式就是通过使用额定或满负荷输入功率和额定容积，将输入功率与机械设备容积实行回归化。而构建这种归一化处理曲线则必须了解部分负荷条件的设备工作性能参数。

另外，还有针对很多冷水机组、水源热泵、锅炉和冷却塔等设备建立的较为复杂的模型，但是这些模型的参数是建立在估算的基础上。和归一化模型相比，这种方法建立的模型允许在产品目录参数范围外进行插值计算，还允许对模型的参数进行实质上的检查。

四、技术方法研究

（一）城市建筑的DU能耗模型生成算法

本文通过城市几何构造设计、建筑遮挡计算、城市基本信息设定等过程，得出了城市规划建设中的DU能耗模式。能耗模型生成算法，主要分为建模分析、几何建模、基础设定以及遮挡计算四个板块。首先获得了城市建筑的基本信息，利用几何数据，可以自动生成DU模型进行初步分析，设定相关参数模拟真实建筑情况，最后计算建筑内外被遮挡的面积比例系数，进一步优化结构。

（二）建筑环境信息采集流程

将无人机所采集影片的数据和数码照相机摄像的同名点位坐标作为二组数据信息源的影像配对，并根据设定连接点和控制点定位，构建纠偏方程组，从而提升影片信息匹配准确度。模型工作过程将手动配对各方位或各个角度上的最佳影片，并对其实行特征点配对，形成不规则的三角网格，建立模型，从而手动实现纹理映射。通过使用SMF算法实现特征定点对应，以F（I）描述在图像I附近的所有特性点，对各像素比对I和J，并考虑为每一种特性找到最近相邻的特征向量。

优化匹配的特征点，建立模型进行采集，把建筑景观图像信息中的色彩和图像信息反映在建模中，从而形成真三维模型。

五、结论

处于设计阶段的建筑物，能耗模拟一般仅用于备选方案的比较并预测趋势。一些未知因素常常会影响对运行费用的精确预测，这些因素包括未来的天气情况以及一些很难精确预测的参数，如冷风渗透率等。对于正在使用的一些建筑物则可以通过修正建筑物模拟模型来大大提高计算的准确性。

随着数字城市化、智能城市建设的深入，城市交通大数据分析可获得性进一步提升，运用城市多源分析城市的能源状况发展前景巨大。城市建筑能源模拟与城市气候、交通运输、个人行为等多种影响因素密切相关，需要跨学科的知识。在今后科学研究中，城市建筑能源模拟还将从考虑建筑物内部能源之间的相互作用，以及城市规模下人员活动，与城市内部能量供给的协同等方面展开研究。

参考文献

[1]  赵承明.浅议建筑施工技术与建筑耗能[J].门窗，2016（11）：44

[2]  周云，邓雪松，吴从晓.高层建筑耗能减震新体系概念与实现[J].工程抗震与加固改造，2007（06）：1-9.

作者简介：杜秋梅（2001—），女，四川省绵阳市三台县人，本科，研究方向：建筑环境与能源应用工程。