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建筑环境模拟CFD软件STREAM

 

1.  软件基本情况

         STREAM是基于计算流体力学(CFD)方法的热传导及流场分析软件,自1984年创世以来,该软件已被广泛应用于各个行业,在各种产品开发过程中起着关键的作用。在当前的商用CFD计算软件市场中,因其功能全面、计算迅速、应用范围广泛且操作简单,STREAM独占鳌头。具体到建筑行业,STREAM结合国内商用CFD计算软件的需求,量身订做了“STREAM绿色建筑应用版,已被广泛应用于绿色建筑的室内外热环境及室内外风环境的模拟与分析中。

2. 软件功能和特点

        STREAM软件最大特点是其为面向建筑行业专项研发的产品。STREAM主要被应用在建筑的如下领域:

?  室外风环境模拟计算;

?  城市热岛模拟计算;

?  室内自然通风模拟计算;

?  高大空间气流场模拟计算;

?  空气污染分析;

?  数据中心热分析;

?  无尘室气流控制分析;

?  厂房内的温度和流动分析。

STREAM的特点和优势主要如下:

?  软件汉化,面对国内绿色建筑咨询建筑环境模拟方面做了针对性的研发,大大缩短绿色建建筑咨询中模拟工作量;

?  软件具有独立的前处理、计算以及后处理平台;

?  软件前期建模可以通过各种建模工具导入,大幅度缩短建模时间;

?  软件自带前处理平台也支持各种快捷式的三维建模,软件自带前处理平台本身带有常用的元件模型库,如风扇、管道等,大大简化建模工作;

?  软件针对建筑行业CFD模拟进行了专项研发,具有快速稳定的求解器;

?  软件自带后处理平台,具有卓越的优于其它所有同类产品的可视化能力,可以很快的将庞大的数据变为可视化图形。 

3.  工程案例

?  室内、外风环境模拟计算

    一般在绿色建筑项目和节能技术研究中需要对建筑室内室外的风环境进行模拟计算,通过建筑建筑群的模型和每个建筑的详细模型,对不同气候条件下室内外风速、温度分布情况进行分析。

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夏季室外1.5m高处风速矢量图

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图:室外速度分布云图(距地面1.5m

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图:室外压力分布云图(距地面1.5m

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室内风环境模拟

?  空气污染分析

项目基本情况:英蓝国际金融中心占地1.22公顷,建筑面积约12万平方米,临街主立面长120米、宽52米,高83米。大厦地上19层、地下4层。建筑功能主要为高档写字楼及少部分商业场所。

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研究内容:由于厨房烟囱距离空调系统新风口竖井较近,厨房烟气对新风系统空气造成污染,对项目污染现状进行模拟分析。进而提出优化方案,并对优化效果进行论证。

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烟气浓度分布云图(最不利风向下)

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升高烟囱后烟气浓度分布云图(最不利风向下)

? 静电除尘结构优化

 结构基本情况:除尘器中612排极板的百叶窗型极板串联而成,单级板片由80mm冷轧板压制,成型后宽51mm,间隔30mm布置极板片,极片整体呈30°倾斜并串联而成,形成一排极板(阳极板)。每两排为一组,每两排中间布置芒刺线作为阴极。阳极板与阴极板中间距为200mm,极板组从上到下第135排为左倾,246排为右倾。

 主要内容:不同极板倾斜角度与极板间距的电除尘器结构,选择除尘效率高的结构

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静电除尘结构物理模型(极板倾角30°间距30mm

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静电除尘结构物理模型(极板倾角30°间距30mm

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极板倾角30°间距30mm X=15.637m浓度场

? 高大空间气流场模拟计算

 项目基本情况:工人日报社印刷车间南北走向,南北长约72m,东西宽约为15m,高约10.75m,属于高大空间。车间内印刷机为西研SEIKEN65型卷筒纸平版印刷机,机组居中放置,距离车间东墙约5.0m,距离车间西墙约4.6m

 研究内容:印刷车间环境一方面要满足内部工作人员的安全性、舒适性要求;另一方面也要满足印刷的工艺要求,使得印刷机在适宜的环境下工作,从而保证印刷质量。因此,对印刷车间空调系统送风方案进行设计,并对室内气流组织分布进行模拟计算分析,进行方案论证。

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 图:车间水平截面速度云图(送风口中心截面)

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图:车间水平截面温度云图(送风口中心截面)

? PM2.5模拟分析

    北京某别墅采用新风系统净化PM2.5,该别墅共3层,地下一层,地上二层,建筑面积600m2,一主卧采用置换通风,卫生间排风,室内PM2.5模拟采用STREAM进行瞬态模拟,室内PM2.5随时间变化净化情况如图所示:

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5min(Z=0.5m)PM2.5浓度分布云图

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35minZ=0.5mPM2.5浓度分布云图

 

能耗模拟计算分析软件TRNSYS

 

1. 软件介绍
    TRNSYS软件最早是由美国Wisconsin-Madison大学(威斯康星大学)Solar Energy 实验室(SEL)开发的,后来在欧洲的一些研究所:法国建筑技术与科学研究中心(CSTB)、德国太阳能技术研究中心(TRANSSOLAR)、美国热能研究中心(TESS)的共同努力下逐步完善,迄今为止其最新版本为Ver.17。TRNSYS的全称为TRaNsient SYstem Simulation program,即瞬时系统模拟程序。T
    《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)、《既有采暖居住建筑节能改造能效测评方法》(JGJ448)等标准研究的基础平台和工具。
    《公共建筑节能设计标准》(GB50189)权衡判断计算软件的基础平台。


2. 软件功能
    TRNSYS软件是目前能源领域中功能最强大、计算最灵活的瞬时系统仿真软件,该软件具有模块化的特点,可以实现不同能源系统的优化分析与仿真计算,被广泛应用于科研、教学及实际工程中。主要功能如下:
    建筑物全年的逐时能耗分析(三维建筑模型)
?  优化空调系统方案,预测系统运行费用
?  太阳能(太阳光热和光伏)系统模拟计算
?  地源热泵空调系统模拟计算
?  地板辐射供暖、供冷系统模拟计算
?  蓄冷、蓄热系统模拟计算
?  冷热电联产系统模拟计算
?  燃料电池、风力发电等模拟计算

 

3. 软件优势
?  模块化程序,模块的源代码开放,用户根据各自的需要修改或编写新的模块并添加到程序库中
?  计算灵活,模块化开放式结构,用户可以根据需要任意建立连接,形成不同系统的计算程序
?  形成终端用户程序,为非TRNSYS用户提供方便
?  输出结果可在线输出100多个系统变量,可形成EXCEL计算文件
?  与EnergyPlus、Fluent、MATLAB、EES等其它软件建立链接,实现联合模拟计算
?  软件自带、支持多种格式的气象数据
    TRNSYS软件具有模块化的特点,所谓模块化,即认为所有系统均由若干个小的系统(即模块)组成,一个模块实现某一种特定的功能,利用TRNSYS软件对系统进行模拟分析时,只要调用实现这些特定功能的模块,给定输入条件,就可以对系统进行模拟分析了。这些模块在对其他系统进行模拟分析时同样用到,此时,无需再单独编制程序来实现这些功能,只要调用这些模块,给予其特定的输入条件就可以了。

 

4. 应用案例

?  建筑全年逐时负荷模拟计算
    根据建筑图纸和建筑设计参数信息,在软件中输入建筑围护结构、室内设计参数、室内照明、用电设备、人员等发热源,考虑建筑通风,建立相应的建筑模型,然后通过设置建筑使用时间表计算全年逐时负荷。


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建筑模块建模界面

 

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建筑全年逐时负荷计算模型

 

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全年逐时负荷计算结果(横坐标代表时间;纵坐标代表负荷,单位W)

 

?  能源系统能耗模拟计算和仿真
    一般温湿度独立控制系统中具有不同供水需求的末端,常规方案采用统一供水用板换换热的方式供水,本案例将常规方案与采用分品质供水形式的方案进行对比,通过建立模型进行模拟计算,得出不同方案下系统的各设备的全年逐时运行能耗,通过对比得出采用方案二分品质供水方案的系统能耗比常规方式降低了10%。

 

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方案一 系统采用常规供水方案的能耗模拟计算模型

 

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方案二 系统采用分品质供水方案的模拟计算模型

 

能源系统方案优化
    复合型能源系统由多种能源形式组成,各能源系统容量配比和设计参数不同,其系统投资和运行能耗均不同。对于复合式能源系统,通过采用TRNSYS能耗模拟软件建立能源系统计算模型,可以实现全年逐时系统能耗和全生命周期成本的计算,在模型中加入最优化模块后,可以完成对系统最优化容量配置的计算,得出能源系统经济性最佳的容量配置和系统设计参数,提高项目的经济性。
本案例通过对包含燃气三联供、地源热泵和传统冷热源的复合式能源系统进行建模,采用逐时能耗模拟的手段对系统全生命周期成本(LCC)进行计算,得出LCC最低时的系统容量配置方案。经计算,与初始容量配比方案相比较,优化后三联供系统的容量变化了60%,系统LCC降低了30%。

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综合能源系统最优化模拟计算平台

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图 最优化计算过程

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图  最优化容量配比与初始容量配比全生命周期成本对比