【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及建筑，具体的是基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法。
技术介绍
1、目前国际上主流的ubem模拟软件内核主要分为两种，一种为基于energyplus的全模型法，如citybes、umi等；一种为降阶的等效电路法，如citysim。由于等效电路法在面对城市成百上万栋建筑时计算效率的优势，此方法目前也受到广泛青睐。然而，目前基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷模型还存在很多弊端，无法满足一定精度需求。以最常用的基于等效电路法的城市建筑冷热负荷模拟平台citysim为例，其通常将组成一个热区的所有建筑围护结构面(包括外墙、内墙、内部蓄热墙、屋顶、地面等)集总等效，忽略了不同围护结构构造和边界条件的异质性。例如，内墙和内部蓄热墙具备不同的边界条件属性，即内部蓄热墙为对称热流边界；内墙为非对称热流边界。对于对称热流边界情况只需要考虑构造的蓄热性能，而非对称热流边界情况除了蓄热性能外还需要考虑热流传递。此外，不同围护结构类型具备不同的热惰性，例如含有保温材料的外墙和不含有保温材料的屋顶具备较大的热性能差异。基于以上两点，若将不同类型构造集总等效将造成较大误差。此外，目前大多数方法在将模型拓展到多热区时仅通过热阻连接不同热区，忽略了分隔墙包括内墙和天花板地板边界处的热流响应。
技术实现思路
1、为了解决目前已有方法在计算城市建筑群冷热负荷时精度和效率的问题，本专利技术通过考虑建筑围护结构构造和边界条件异质性，提出基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法。所述方法包括：
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
3、基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，所述方法包括以下步骤：
4、s1、对建筑群每一栋建筑进行热区划分：根据模拟要求对建筑热区进行划分，一般按照建筑物理空间和空间功能来进行划分，在城市尺度上为了提升模拟效率一般按照一栋建筑一个热区或者一层一个热区来进行热区划分。
5、s2、对每一个热区几何信息和非几何信息进行存储：以朝东方向为x轴，朝北方向为y轴，建立笛卡尔右手直角坐标系，完成s1热区划分后，采用国际通用标准格式geojson按照建筑-热区-建筑面-窗/门的拓扑关系对建筑几何信息和非几何信息进行存储，其中面几何信息的存储采用组成其的所有顶点坐标集合。
6、s3、对每一个热区所有建筑围护结构构件按照构造和边界条件相似性进行聚类：采用k-means聚类方法对组成一个热区的所有建筑围护结构面按照构造总热阻、总热容和外边界条件三个属性进行聚类，对相似的构件组成一类。
7、s4、对聚完类的每一类构造分别采用等效电路法模型进行等效组成一个支路：
8、s41、对于聚完的外墙类或者屋顶类构造，采用3r2c模型进行等效，如图1所示；
9、s42、对于聚完的室内蓄热体类构造，无需考虑其内部的热传递，因此采用1r1c模型进行等效，如图2所示；
10、s43、对于聚完的地面类构造，将其等效为三层包括地面构造层、0.5m的土壤层以及考虑热桥影响的虚拟层，采用3r2c模型对地面类构造进行等效，其中三个等效节点分别为地面内表面节点、地面外表面节点(地面构造层与土壤层交界面处节点)和深层土壤恒温层节点，如图3所示；
11、s44、对于聚完的内墙类或者楼板类构造，同样采用3r2c模型进行等效，但由于一个热区可能通过内墙或者楼板连接多个热区，因此通过面积加权平均温度来表示连接的多个热区的等效室内空气温度节点，通过受控电压源建立等效电路模型，如图4所示；
12、s45、对于聚完的透明围护结构类构造，采用可变电阻器进行电路等效，将室内向外部环境散失的热量包括自然通风、机械通风、渗透以及通过透明围护结构的传热等效为一个集总电阻器参数ua，如式(1)所示，等效电路如图5所示。
13、ua＝∑(utrans·atrans)+vzone·ρa·cp，a·(nvent+ninf+nmec)/3600 (1)
14、s5、对等效完的每一个支路采用并联方式进行连接：通过室内空气节点将s4等效完的每一类围护结构构造通过并联方式连接，建立完整的等效电路图，如图6所示。
15、s6、对每一个等效节点的外扰包括长短波辐射进行计算：采用变压器来表示每个等效节点的外扰包括接收的短波辐射量和与外界环境交换的长波辐射量，采用“邻域建筑面”法来高效计算建筑表面所接收的太阳直射辐射量；采用pezez各向异性模型来计算接收的太阳散射辐射量；基于gebhart辐射计算方法来计算各表面间的长波辐射量，其中各表面间角系数的计算基于面积权重法；从窗户透射进室内的太阳辐射以及内部热源短波辐射均匀分布在各表面上即所接收的辐射量与面积成正比。
16、s7、对每一个等效节点建立能量守恒方程：基于基尔霍夫电流定律对每一个等效节点建立能量守恒方程，如式(2)～(16)所示。
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32、s8、对能量守恒方程进行数值离散：采用欧拉隐式对s7建立的各节点能量守恒方程中时间项进行离散，建立离散方程。
33、s9、对离散方程进行联立求解：对s8建立的每个节点线性离散方程联立求解，采用lu算法求解联立后的矩阵方程，得到每个节点温度值。
34、s10、计算冷热负荷：根据每个热区的供暖空调设定温度结合s9求得的每个热区室内空气节点温度回带到s9联立的方程组中求得冷热负荷。
35、本专利技术的有益效果：
36、1、本专利技术城市建筑群冷热负荷计算精度更高。本专利技术提出一种考虑建筑围护结构构造和边界条件异质性的等效电路法用以实现城市建筑群冷热负荷精准计算，并通过受控电压源将其拓展到多热区工况。相比于现有等效电路法模型有三点优化：1)考虑了建筑围护结构构造异质性；2)考虑了围护结构边界条件异质性；3)考虑了建筑表面处的热流响应。本专利技术后面的案例分析也将验证这一点。
37、2、本专利技术城市建筑群冷热负荷计算效率更高。本专利技术提出的城市建筑群冷热负荷计算方法基于等效电路法，为一阶线性非齐次偏微分方程，相比于现有常用建筑能耗模拟软件e本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，其特征在于，所述S2对每一个热区几何信息和非几何信息进行存储方法如下：以朝东方向为x轴，朝北方向为y轴，建立笛卡尔右手直角坐标系，完成S1热区划分后，采用国际通用标准格式GeoJSON按照建筑-热区-建筑面-窗/门的拓扑关系对建筑几何信息和非几何信息进行存储，其中面几何信息的存储采用组成其的所有顶点坐标集合。
3.根据权利要求1所述的基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，其特征在于，所述S3对每一个热区所有建筑围护结构构件按照构造和边界条件相似性进行聚类方法如下：采用K-Means聚类方法对组成一个热区的所有建筑围护结构面按照构造总热阻、总热容和外边界条件三个属性进行聚类，对相似的构件组成一类。
4.根据权利要求1所述的基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，其特征在于，所述S4对聚完类的每一类构造分别采用等效电路法模型进行等效组成一个支路方法如下：
5.根据权利要求1
6.根据权利要求1所述的基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，其特征在于，所述S7对每一个等效节点建立能量守恒方程方法如下：基于基尔霍夫电流定律对每一个等效节点建立能量守恒方程。
7.根据权利要求1所述的基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，其特征在于，所述S8中对能量守恒方程进行数值离散方法如下：采用欧拉隐式对S7建立的各节点能量守恒方程中时间项进行离散，建立离散方程。
8.根据权利要求1所述的基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，其特征在于，所述S9中对离散方程进行联立求解方法如下：对S8建立的每个节点线性离散方程联立求解，采用LU算法求解联立后的矩阵方程，得到每个节点温度值。
...【技术特征摘要】
1.基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，其特征在于，所述s2对每一个热区几何信息和非几何信息进行存储方法如下：以朝东方向为x轴，朝北方向为y轴，建立笛卡尔右手直角坐标系，完成s1热区划分后，采用国际通用标准格式geojson按照建筑-热区-建筑面-窗/门的拓扑关系对建筑几何信息和非几何信息进行存储，其中面几何信息的存储采用组成其的所有顶点坐标集合。
3.根据权利要求1所述的基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，其特征在于，所述s3对每一个热区所有建筑围护结构构件按照构造和边界条件相似性进行聚类方法如下：采用k-means聚类方法对组成一个热区的所有建筑围护结构面按照构造总热阻、总热容和外边界条件三个属性进行聚类，对相似的构件组成一类。
4.根据权利要求1所述的基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，其特征在于，所述s4对聚完类的每一类构造分别采用等效电路法模型进行等效组成一个支路方法如下：
5.根据权利要求1所述的基于等效电路法的城市建筑群冷热负荷高效计算方法，其特征在于，所述s6对每一个等效节点的...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓宇，石邢，田帅，耿跃云，
申请(专利权)人：上海同碳新企业管理合伙企业有限合伙，
类型：发明
国别省市：
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