[论文解读] Multiple model software for airflow and thermal building simulation. A case study under tropical humid climate, in R\'eunion Island

Harry Boyer, Jean-Claude Gatina+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2012

Wind and Air Flow Studies被引用 7

一句话总结

本文提出 CODYRUN，一种多模型建筑模拟软件，通过选择性地在不同区域应用详细或简化的热力与气流模型，在精度与计算效率之间实现平衡。针对留尼汪岛的热带高湿建筑，研究表明仅在主区域使用非线性自然对流模型，可将模拟时间减少约50%，同时保持与完整非线性参考案例的精度差异在0.1°C和0.1 kW以内。

ABSTRACT

The first purpose of our work has been to allow -as far as heat transfer modes, airflow calculation and meteorological data reconstitution are concerned- the integration of diverse interchangeable physical models in a single software tool for professional use, CODYRUN. The designer's objectives, precision requested and calculation time consideration, lead us to design a structure accepting selective use of models, taking into account multizone description and airflow patterns. With a building case study in Reunion Island, we first analyse the sensibility of the thermal model to diffuse radiation reconstitution on tilted surfaces. Then, a realistic balance between precision required and calculation time leads us to select detailed models for the zone of main interest, but to choose simplified models for the other zones.

研究动机与目标

• 开发一种灵活的模拟工具，允许根据设计优先级选择性地应用热力与气流模型。
• 解决多区域建筑中模拟精度与计算时间之间的权衡问题。
• 评估热带高湿气候下模型的敏感性，特别是漫射辐射与对流模型的影响。
• 证明在关键区域选择性地应用详细模型，可在不牺牲精度的前提下提升效率。
• 为复杂、气候敏感的建筑提供专业热力模拟的实用框架。

提出的方法

• CODYRUN 使用树状数据模型，通过项目、建筑、区域、区隔与组件实现模块化输入。
• 热力建模采用有限差分节点离散化与矩阵降阶方法求解能量平衡方程。
• 气流模拟基于压力网络模型，采用非线性方程描述通过开口的气流。
• 对流模型选择性应用：多数区域使用线性（恒定系数）模型，仅在关注的主区域使用非线性模型。
• 通过不同天空漫射辐射模型重构气象数据，用于敏感性分析。
• 对比不同模型复杂度下的模拟结果，评估精度与时间效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在倾斜表面上，漫射辐射模型的选择如何影响热带气候下热力模拟的精度？
• RQ2 使用非线性对流模型与线性对流模型对室内温度与冷负荷预测有何影响？
• RQ3 在关键区域选择性应用详细模型，是否可减少模拟时间同时保持精度？
• RQ4 在多区域建筑中，全局与局部应用非线性对流模型的计算成本有何差异？
• RQ5 不同模型组合如何影响热舒适性所需制冷功率的预测？

主要发现

• 仅在主区域使用非线性对流模型（C类案例）将模拟时间减少至每天1.35分钟，而完整非线性案例（B类）为2.53分钟。
• C类案例的温度误差仅为0.1°C，与参考非线性案例（B类）相比，而A类案例（全局线性模型）的误差为1.2°C。
• C类案例的制冷功率误差为0.1 kW，显著低于A类案例的0.5 kW误差。
• B类与C类案例的时间比约为0.5，与基于区域特定非线性迭代的理论预期高度一致。
• 选择性模型方法在温度与功率预测方面几乎与完整非线性模型结果一致，同时将计算成本减半。
• 本研究证实，模型选择应基于区域重要性而非全局应用，尤其在能耗密集型模拟中。