PDF《建筑环境设计模拟分析软件 DeST》

-

1 - 建筑环境设计模拟分析软件 DeST

第三章、建筑热环境动态模拟结果的验证 清华大学 张晓亮 谢晓娜 燕达江亿张晓亮,男,1981 年7月生,大学,在读硕士研究生

100084 北京清华大学建筑学院建筑技术科学系 (010)62789761 zhangxl02@mails.

tsinghua.edu.cn 摘要 建筑热环境模拟软件结果的可靠性是其用于生产实践的重要前提, 本章首先介绍了建筑 热环境模拟软件在容易出现问题的三个方面以及针对这三方面的问题所发展出的验证方法: 理论验证、程序间对比验证及实验验证.在此基础上,详细介绍了 DeST 所进行的这三种验 证的验证特点、验证方法及验证结果.通过上述验证,说明了 DeST 模拟计算结果的准确性 和可靠性. 关键字 验证 理论验证 程序间对比验证 实验验证 Abstract Since the veracity of the result of the building simulation software is the precondition that it can be used in practice, the errors which are often appear in the software is presented firstly, then this paper introduces three kinds of methods of validation developed base on these errors: analytical tests, inter-model comparisons and empirical validation. Then the characteristics, methods and results of these three kinds of methods are explained in detail. With these validations, the reliability of the result of DeST can be proved. Key Word: Validation, Analytical Tests, Inter-Model Comparisons, Empirical Validation

一、验证方法 怎样保证建筑热模拟软件给出的结果能够正确地反映其实际模拟对象?这是建筑热模 拟领域一直探讨的问题. 在七十年代初出现建筑模拟软件时, 就开始提出了这个问题. 为此, 在美国、加拿大、日本等地都曾专门建造了实验性建筑进行测试,期望能够对模拟软件加以 验证,但经实验发现,测得的结果与模拟结果总是难以吻合,后经研究发现,由于建筑热状 况受多种因素的影响,且难以全部精确测定,因此无法用实际建筑进行严格的测试比较. 真正要验证模拟软件的正确性, 首先要弄清楚可能出现问题的原因, 根据各种可能出现 问题的来源,设计检验或验证的方法.根据分析模拟软件产生错误的原因主要有三种:程序 及计算方法的问题,包括算法错误,计算不收敛,代码错误等等;

物理细节参数设定问题, 如对流换热系数确定等;

某些假设的合理性问题,如将三维传热简化为一维传热进行模拟, 表面对流换热系数的常量近似等等.针对这些问题,经过近二十年的研究,基本上发展出一 套建筑热环境模拟分析程序验证的系列方法,主要包括以下三种验证方法:理论验证、程序 间对比验证和实验验证[1][2] . 理论验证是指在某些特定的能求得理论解析解的工况下, 将数值模拟结果与理论解析结 -

2 - 果进行对比, 对模拟结果进行验证, 这种方法可以有效地找出由于编程错误和算法不当所引 起的问题.对建筑热状况求解来说,能求得理论解析解的有两种工况:一种是外温、太阳辐 射、室内发热量等影响建筑热状况的因素(以下简称为 热扰 )均为恒定的情况下,室内 的温度及需投入的冷热量可以用稳态的传热方程求得;

另一种是各种室内外热扰为周期性变 化时, 可以采用谐波法求得室内热响应的解析解. 在这两种工况下的验证我们分别称为稳态 验证和谐波反应法验证, 统称为理论验证. 这种理论验证是对同一对象利用不同的数学模型 进行求解并比较计算结果,验证最基本的物理原理和简化模型有没有概念性错误. 通过这种与严格精确的解析解的对比验证, 可以对建筑热环境模拟软件计算结果的正确 性做出基本的评判,这也是对一个建筑热环境模拟软件最基本的要求. 在理论验证中,尽管采用了不同的数学计算方法,但其中的物理细节是相同的,如室内 某种发热量在内墙各个表面的分配方式, 表面对流换热系数的确定等, 因此理论验证的通过 并不能说明这些细节的设定都是准确的, 由此提出了程序间对比验证的方法. 这种方法是在 相同的建筑物、室内外热扰,以及相同的设备控制方案等前提下,分别用不同的模拟程序计 算建筑物的热性能指标,然后对比各程序的计算结果,以检验不同程序的一致性,找出不同 程序在物理细节设定上的差异, 通过理论分析来确定较好的设定方法. 这种验证并非一种严 格的理论性验证, 而是通过集结不同研究团体的研究成果, 以避免个体受其本身局限而造成 的疏漏或错误. 程序间对比验证是在理论验证的基础上进行的更深入更细致的验证工作. 当一个模拟程 序通过理论验证这一正确性的基本要求后,应该与世界上其他同类型的模拟程序进行比较, 以检验其自身在物理细节上的设定,完善其物理模型,这也是对模拟程序的一个基本要求. 鉴于实际建筑物的复杂性, 模拟程序在建立建筑模型时都会作一些简化, 如将墙壁的三 维传热简化为一维进行计算, 认为墙壁物性是不随时间变化的等等, 这些都是模拟计算的基 本假设, 而这些基本假设是否会给计算结果带来较大误差呢?这在理论验证和程序间对比验 证中都难以说明. 理论验证只验证了两种极端的情况, 而程序间对比验证也是在大家都做了 各种类似的假设后得到的结果, 即使所有的程序模拟的结果都是一致的, 也不能肯定它们就 是正确的, 因为实际情况并未被准确地了解, 因此这些假设的正确与否只有通过实验的方法 进行验证. 实验验证是把各程序的模拟结果与实测记录相比较,以评价各程序的准确性和可靠性. 但由于建筑物的复杂性, 实测过程不可避免的会存在误差, 因此即使模拟结果和实测记录吻 合也不能说该程序一定正确. 另一方面, 例证的正确性并不能保证事物的正确性, 也就是说, 即使某程序的模拟结果和某建筑的实测结果相吻合,也不能保证当建筑物改变类型、结构、 规模等特性时,该程序还能给出符合实际的模拟结果. 综上所述,上述三种验证方法各有特定,互为补充.在程序开发阶段,一般可先采用理 论验证的方法, 保证最基本的物理原理和数学模型不出现概念性错误, 进一步拿自己的程序 与世界上应用较广泛的同类程序作程序间对比, 找出一些较明显的错误或不足, 进一步完善. 程序编写完成并经一定的测试后,可参加有组织的实验验证,或自行组织实验验证,再进行 不断的改进和提高. DeST 在这三个方面都进行了相关的验证,本文将对验证的方法、内容及结果作详细的 介绍.