ENVI-met工程应用中的合规性解读

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ENVI-met工程应用中的合规性解读

 

杨玉锦

 

《民用建筑绿色性能计算标准》中的要求可以大致分为两个对象,一是对软件自身模型、功能的要求,即对开发者的要求;二是对操作者的理论水平、操作规范性的要求。标准制定的目的导向十分明确:要统一计算分析方法,结束目前模拟设置混乱、结果难以验证的状态,避免因错误优化带来的问题。

 

1、民用建筑绿色性能计算采用的软件应通过可靠性验证。

 

标准条文解释:该验证报告可以是国家或行业相关权威机构出具的认证报告,也可以是基于公开实验数据的对比分析报告。

 

由于ENVI-met所采用的分析技术方法较为独特,除实测外,尚无同类软件可以用于校验。一些常用CFD软件在与ENVI-met的对比模拟实验中,因为设置条件和考虑因素不同,可能出现无法吻合的结果。但通过理论分析和实测,证明ENVI-met结论要接近实际室外环境。目前尚无国家或行业相关权威机构对软件出具的认证报告,其准确性数据全部来自于公开文献。

 

关于ENVI-met的验证在世界各地均有进行,对ENVI-met可计算参数几乎均有相关验证,验证案例不断增加,相关文献均可以公开获取。仅举几例:

 

①大量比较实测与模拟数据对ENVI-met植物相关的结果进行了验证,特别是华南理工大学的研究者,长期以来针对华南湿热地区做了大量研究,验证了ENVI-met(4.2 Science版)能够较好地模拟湿热气候下乔木的生理指标及热表现,并能够准确预测各参数的日变化趋势。(刘之欣,郑森林,方小山,陆筱慧,赵立华.ENVI-met乔木模型对亚热带湿热地区细叶榕的模拟验证[J].北京林业大学学报,2018,40(03):1-12. 广东省自然科学基金项目2015A030313218)其他地区的研究者也做了很多类似的验证工作。

 

 

②北京林业大学近期的一项研究以黑河关滩森林和加拿大北方森林为实验区,使用ENVI-met比较森林通量模拟值和实测值的季节性和日变化差异,并模拟森林三维空间结构对通量分布的敏感性。研究结果肯定了ENVI-met模型模拟通量具有较好精度,且能够反映出森林空间分布格局在通量分配上的影响,为研究区域气候变化提供了有效手段(朱宇颐,解潍嘉,黄华国.基于三维模型ENVI-met对黑河森林和北方森林的潜热及显热通量模拟[J].浙江农林大学学报,2018,35(03):440-452.中国科学院重点部署项目KZZD-EW-TZ-18; 国家自然科学基金资助项目41571332)。


③研究者实测并利用三维微气候模型(ENVI-met模型)模拟了6条不同绿化布局的道路上大气颗粒物扩散的规律;模拟值和实测值拟合的决定系数R2为0.9894,RMSE为8.399μg/m3,模拟结果精度较高,ENVI-met模型能够合理模拟道路植被结构对大气颗粒物扩散的影响。(王佳,吕春东,牛利伟,张芳菲.道路植被结构对大气可吸入颗粒物扩散影响的模拟与验证[J].农业工程学报,2018,34(20):225-232. 国家自然科学基金41401650;北京市自然科学基金8182038)。

 

目前关于ENVI-met的文献资料较多,但质量参差不齐,一些高引论文有严重问题,如错用绿化作为屋顶绿化案例。我们推荐部分质量较高、对模型理解较准确、有验证讨论的文献如下供参考:

  • Michael Bruse, Heribert Fleer. Simulating surface–plant–air interactions inside urban environments with a three dimensional numerical model[J]. Environmental Modelling & Software, 13(3-4):373-384.

  • Salata F , Golasi I , Vollaro R D L , et al. URBAN MICROCLIMATE AND OUTDOOR THERMAL COMFORT. A PROPER PROCEDURE TO FIT ENVI-met SIMULATION OUTPUTS TO EXPERIMENTAL DATA.[J]. Sustainable Cities and Society, 2016:S2210670716301524.

  • 杨小山, 赵立华. 城市风环境模拟:ENVI-met与MISKAM模型对比A Comparison of Wind Field Simulations Between ENVI-met and MISKAM[J]. 环境科学与技术, v.39(8):16-21.

  • 刘之欣, 谭广文, 赵立华. ENVI-met乔木建模简化方式探究——以细叶榕Ficusmicrocarpa为例[J]. 广东园林.

  • 张伟. 居住小区绿地布局对微气候影响的模拟研究[D]. 2015.

  • 王振.夏热冬冷地区基于城市微气候的街区层峡气候适应性设计策略研究[D].湖北:华中科技大学,2008. DOI:10.7666/d.d065534.

  • 任思佳. 城市街谷绿化形式对机动车尾气扩散影响的数值模拟研究[D].

  • 杨鑫, 贺爽, 卢薪升. 基于软件模拟的北京老城区公共空间热舒适度评测研究——以白塔寺片区6条胡同为例[J]. 城市建筑, 2018(6): 51-56.

需要注意,以上文献的部分设置和结论也可能会有问题。如Salata F文中结论,认为LBC取Open是最接近准确的,是偏颇的。此外一些较早版本的用户的设置行为可能并不符合《民用建筑绿色性能计算标准》的要求。这里是因为考虑到其可以作为软件开发满足要求的证明及自身方法和逻辑的完整合理性,因此依然推荐。读者需要根据自身需要和软件最新技术特征去考虑模拟问题,而不是完全相信这些文献的结论,特别是数值结果。

 

2、民用建筑绿色性能计算分析人员应具备相关专业知识

 

条文解释:为保证计算结果的准确性,分析人员除应熟练掌握相关专业知识外,还应经过相关培训,其操作应严格按软件使用手册或规范要求进行。

 

目前ENVI-met尚无严格规定操作流程的软件使用手册(主要是因为用户使用目的不同造成的)。用户可以参考《微气候学习笔记》相关章节按照研究目的不同进行设置。ENVI-met通过ENVI-guide提供了标准设置流程,并提供了缺省设置。用户应按照自身需要对不同设置模型选择激活或缺省,并提供准确的边界条件值。

 

用户无法准确理解边界条件是主要的设置障碍。因此相关专业知识培训尤为重要。为了软件能够得到准确理解应用,ENVI-met委托了专业技术力量对工程和科研人员开展技术培训。今后还将为参与培训人员提供相关学习证书。

 

3、室外风环境模拟的条文合规性审查

条文要求

是否满足

技术说明

应采用计算流体力学方法

满足

利用CFD方法求解。

气象参数输入

满足

具有多种气象参数输入方式,其中Fullforcing方式支持典型气象年文件(.epw)以及用户自定义数据导入(.csv)

地理位置调整

满足

具备经纬度、海拔调整工具,按照相关标准自动调整标准气象数据

模拟范围

满足

模型范围大小无限制,支持嵌套网格。

模型简化和水平计算网格

满足

水平最小分辨率0.5m,简化适度,方便计算

边界条件

满足

ENVI-met采用1.5阶K-e方程,含多种修正模型。流入边界条件、壁面边界条件根据室外环境模拟特点有特殊专业处理。采用粗糙长度修正环境影响。

计算域网格地面与人行区高度的网格不少于3个

满足

默认加密最底层网格,缺省值地面到2m高度的网格为5。网格独立性验证方法不适用于ENVI-met模型。

可通过多孔介质设定树木

满足

使用多种树木模型利用LAD方法对树木进行设定,优于多孔介质方法,模拟效果优于通用CFD软件。

在此要强调ENVI-met与通用CFD软件的一些差异。ENVI-met是一个综合性的室外环境计算模型,太阳辐射总是参与计算的(即便使用全阴天模型)。而目前工程上风环境计算往往不会激活辐射模型,而且太阳辐射模型的设置不但复杂,且有局限性,多是状态条件,过程变化难以调节。

 

为什么ENVI-met计算花的时间比CFD要多呢?

 

ENVI-met由于简化做的很好,计算速度实际上一般高于CFD软件。但其考虑了室外环境多种要素的综合影响,同时ENVI-met的计算结束时间以用户设置的工况跨度时间为止。而CFD软件可能只考虑风环境单一因素,计算工况每次也只有一个,以设置的迭代次数或者达到收敛条件为止。故ENVI-met的计算量远大于通用CFD,耗时较长。

 

但ENVI-met输出的参数种类更加丰富,并且具有时序可供对比,能观察出CFD不容易发现的细节和错误,同时也更容易依据经验来判定结果的准确性,便于校核和专家审查。因此在需要精细计算的时候,推荐使用ENVI-met。

 

一些专家曾指出ENVI-met计算结果与通用CFD计算结果有明显差异。我们经过了大量的测试和实测,证实了相关专家所反映的差异现象确实存在,但论证得出通用CFD软件在采用一般风环境设置求出的温度场,并不能用于说明场地热环境,即其结论可能与实际情况严重背离。一旦考虑了热环境,通用CFD软件需要加入复杂的设置,而只考虑风环境的软件得出的结论会严重失准。

 

4、热岛强度模拟的条文合规性审查

条文要求

是否满足

技术说明

方法、气象参数、计算域、网格、边界条件设定要求同风环境

满足

此处略,可参考风环境

设计下垫面、绿化、水景、场地空间平面布置和材料属性

满足

支持建筑、绿化、土壤、水景建模,支持ArcGIS、CAD等文件导入,支持直接三维建模。

太阳直射辐射和散射辐射应计入边界条件,宜包括各表面间多测反射辐射和长波辐射作用

满足

辐射模型完全支持上述功能,其中IVS辐射模块可识别不同材料表面的影响,优于通用CFD软件。

下垫面及建筑表面参数应包括材料物性和吸收率、反射率、渗透率、蒸发率等

满足

有丰富材料库,支持用户修改和自定义上述参数。可区分人工地面和自然土壤。

植物水体等景观要素的影响应计入建筑室外热环境模拟预测。

满足

使用多种树木模型利用LAD方法对树木进行设定,考虑植物光合作用、呼吸作用、蒸腾作用以及与环境的反馈条件机制,性能远超通用CFD软件,更准确模拟植物的热缓冲效果。

水体包括静止水面和喷泉,支持不同设定。

对于室外热环境的模拟,目前ENVI-met是目前考虑最为全面的数值模拟工具,在操作便捷性、准确性上均有领先优势。

 

ENVI-met在室外污染模拟上也具有优势:支持多重物理、化学污染物模拟,有机动车排放估算模块,考虑了表面吸附等沉积现象而不只是扩散,植物在污染物控制方面的影响被充分考虑。

 

今年11月底即将发布的ENVI-met 2019 Winter版本,还会考虑降雨对环境湿度的影响。而立体绿化等较为复杂的模块,也已经在2018年11月推出。这都是目前其他软件不具备的功能。

 

5、计算报告的撰写

目前ENVI-met模拟分析的报告没有统一的写法。结合《标准》我们认为应该至少满足以下基本要求:

5.1 项目概括需要包括项目名称、地点、建筑功能等,并标记周围建筑和场地特征。

5.2 计算依据需要包括有关标准规范的具体条文要求,描述拟解决的问题。

5.3 应介绍ENVI-met的版本、运行平台,对软件功能和模型需要加以介绍。

5.4 给出计算域的选取原则、方法和选取情况,简化处理原则、方法和模拟建立情况。

5.5 给出边界条件选择、嵌套网格数量、粗糙长度取值、输入气象条件情况。

5.6 给出网格划分原则。

5.7 给出控制方程。多数工程技术人员可能都无法给出。我们建议可参考进行:http://envi-met.net/documents/papers/overview30.pdf 一些中文文献有该文的翻译,但有誊写笔误,应加以注意。

 

综上,ENVI-met不仅符合规范要求,且在许多方面都高于标准要求。

 

固然ENVI-met有独特的优点,但目前其在工程应用方面的实例依然有限。这主要和国内工程技术人员缺乏了解有关。目前国内江苏省建筑科学研究院、朗绿科技、普邦园林等品牌咨询企业,已经在相关项目中使用了ENVI-met作为分析工具,并取得良好评价。北京建工、AECOM等大型企业也是ENVI-met的企业用户。科研院所用户一般使用其作为非商业的科学研究。由于软件本身的技术特点和适用场景,ENVI-met距离成为行业常用软件还很遥远。在初期规范使用、保证其科研效果不走样就更加重要。

 

面对科学专业性和应用便捷性的平衡问题,ENVI-met开发还需要在后者上多下功夫。但短期来看,加强对使用者的技术培训是确保《民用建筑绿色性能计算标准》得到贯彻执行的为数不多的有效途径之一,而且似乎对任何软件目前的形势都是这样。

 

(注:本文作者系ENVI_MET公司中国技术代表、envi-met软件合作开发团队成员)

2019-11-28 09:50
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