零能耗建筑建模、设计与优化

在本书中，许多有建树的国际专家介绍了先进的建模技术和深入的案例分析，以便引导设计人员能够优化地使用仿真工具去完成零能耗建筑的设计工作。 本书讨论了用于设计零能耗建筑的不同的设计过程和工具，这包括基础的概念、设计策略和技术。通过4个不同的零（低）能耗建筑对这些过程和工具进行了评估。这4个不同的零能耗和低能耗建筑都是作者在从设计概念到运行的过程中密切参与的项目。从这些案例分析中所获得的高精度的性能数据与使用相应的设计工具获得的预测结果进行了比较。 本书是由北美与欧洲的学术界和建筑设计人员共同撰写，提供了有关零能耗建筑的广泛视角。本书为先进建筑的设计人员获得相应的理论背景和广泛的实践经验提供了有益的指导。本书由来自7个国家（主要为北美、欧洲）的22名作者撰写，这些作者来自于工业与学术（研究）领域，所属学科广泛。同时，本书的研究成果涉及了来自于国际能源组织（IEA）的19个成员国（来自欧洲、北美、大洋洲、南亚）近75名专家的研究成果。这使本书更能反映出不同国家在建筑能耗管理和低能耗建筑理论、工程设计与运行实施方面的研究成果。当前，建筑能源设计经历了一个主要的变化时期。在大多数发达国家，这种变化的一个关键方面是将采用零能耗建筑设计作为新建建筑的一个实施目标。为了达到这一目标，需要开展许多研究工作，以便积累相关的知识，并将这些知识在实际应用中实施。本书中，众多的国际学者和专家们提出了先进的零能耗建筑建模技术，同时也给出了大量深入的案例分析研究，以便帮助设计人员优化使用仿真工具来进行零能耗建筑的设计工作。本书中所讨论的策略和技术也适用于多能源建筑的设计。国际能源署（IEA）太阳能供热和制冷研究项目（SHC）推动了本书的出版工作。同时，SHC的协作研究任务建筑与社区能源（EBC）40/EBC子课题：“面向零能耗太阳能建筑的研究与设计子课题（Annex 52）”也推动了本书的出版工作。本书在给出了可以在建筑物中取得零能耗的基本概念、设计策略和所需技术之后，讨论了不同的设计过程和设计工具，以便对零能耗建筑进行必要支撑。本书中的关键一章（第7章 零能耗建筑案例研究）给出了4个不同的零能耗建筑在至少两年以来的运行报告。这些案例研究具有极高的价值。这是因为这些案例都采用了高质量的实测数据，同时作者在概念设计到实际运行过程中全部亲历其中。通过使用不同的设计工具，并运用实际的性能数据，对项目进行了比较，从而确定了成功（和不成功）的设计方法、设计过程、设计仿真工具和实施技术。本书由北美和欧洲的学术界以及实际项目参与者（建筑设计师）所撰写，视角广泛。本书提供了设计过程的详细描述和每一个设计阶段中所用适合的工具清单以及用于参数分析和数学优化的方法。本书对建筑设计者给出了全面指导，而这些指导来自于本书作者们深厚的理论背景和大量的实际经验。 

本书详细介绍了欧美国家在零（低）能耗建筑建模、设计和实施优化上取得的新研究成果。本书汇集了在低能耗建筑优化设计、实施领域的众多国际学者对低能耗建筑建模方法、仿真技术、设备设施优化控制、建筑物与可再生能源和电网结合等众多角度进行了深入的研究和探讨，同时也给出了大量的详细案例研究，以便为零（低）能耗建筑的设计者们提供好的帮助。

主编和原书编辑简介主编和原书编辑简介Andreas Athienitis博士加拿大康卡迪亚大学（Concordia University）建筑、土木与环境工程系教授，他同时是该校建筑物太阳能系统集成学会主席。Athienitis博士同时是加拿大NSERC智能零能耗建筑策略研究网络的科学主管（任期2011~2016年）和NSERC太阳能建筑研究网络的发起主管（任期2005~2010年）。他曾是国际能源署（IEA） SHC任务40/EBC Annex52工作组（“面向零能耗太阳能建筑”）子课题的联合负责人。Athienitis博士在太阳能建筑与建筑能源系统领域发表了超过200篇论文，并出版了几本专著。Athienitis博士是加拿大工程院院士，同时是环境变化跨政府合作委员会（Intergovernmental Panel for Climate Change, IPCC）的杰出作者。William O’Brien博士 加拿大卡尔顿大学（Carleton University）土木与环境工程系副教授。他是人与建筑相互影响实验室的首席研究员，此实验室有一支跨学科领域研究人员组成的研究团队，用以设计建筑并组建包含了人员因素的建筑控制系统。O’Brien博士发表了超过40篇论文。他曾是IEA SHC任务40/EBC Annex52工作组（“面向零能耗太阳能建筑”）子课题的联合负责人，同时现在是IEA EBC Annex66工作组（“建筑物人员行为定义与仿真”）的联合负责人。原书编辑Samson YipSamson Yip是位于蒙特利尔的Saia BarbareseTopouzanov建筑所的高级建筑师，此建筑所专注于设计机构（institutional）建筑。他目前正在加拿大康卡迪亚大学（Concordia University）的加拿大NSERC智能零能耗建筑策略研究网络攻读应用科学（建筑工程）硕士学位。他曾是IEA SHC任务40/EBC Annex52工作组（“面向零能耗太阳能建筑”）的参加人。在此之前，他是麦吉尔大学（McGill University）建筑学院的兼职教授。作 者 名 单作 者 名 单Andreas Athienitis康卡迪亚大学（Concordia University）1455 de Maisonneuve Blvd WestMontréal, QC H3G 1M8加拿大Salvatore Carlucci挪威科技大学（NTNU Norwegian University of Science and Technology）Hgskoleringen 7A7491 Trondheim挪威Shady Attia列日大学（Université de Liège）可持续建筑设计实验室（Sustainable Buildings Design Lab）1 Chemin des ChevreuilsSart Tilman B52/34000 Liège比利时Maurizio Cellura巴勒莫大学（University of Palermo）Viale delle Scienze, Building 990128 Palermo意大利Josef AyoubCanmetENERGY加拿大自然资源（Natural Resources Canada）加拿大政府1615 Lionel-Boulet BlvdVarennes, QC J3X 1S6加拿大Yuxiang Chen康卡迪亚大学（Concordia University）1455 de Maisonneuve Blvd WestMontréal, QC H3G 1M8加拿大Paul Bourdoukan法国Sorane公司（Sorane France）25 B Quai Jean Baptiste Simon69270 Fontaines sur Saone法国Véronique Delisle加拿大自然资源（Natural Resources Canada）加拿大政府1615 Lionel-Boulet BlvdVarennes, QC J3X 1S6加拿大Scott Bucking麦克马斯特大学（McMaster University）1280 Main Street WestHamilton, ON L8S 4L8加拿大Francois Garde留尼旺岛大学（University of La Réunion）能源、环境与建筑用物理与工程数学实验室（Laboratoire de Physique et Ingénierie Mathématique pour lEnergie, lenvironnemeNt et le btimenT, PIMENT Laboratory）117, rue Général Ailleret97430 Le TamponReunion Island法国José A CandanedoCanmetENERGY加拿大自然资源（Natural Resources Canada）加拿大政府1615 Lionel-Boulet BlvdVarennes, QC J3X 1S6加拿大Francesco Guarino巴勒莫大学（University of Palermo）Viale delle Scienze, Building 990128 Palermo意大利Ala Hasan芬兰VTT技术研究中心（VTT Technical Research Centre of Finland）Tekniikantie 4A02044 Espoo芬兰William O′Brien卡尔顿大学（Carleton University）1125 Colonel By Drive3432 Mackenzie BuildingOttawa, ON K1S 5B6加拿大Mohamed Hamdy Hassan埃因霍芬理工大学（Eindhoven University of Technology）建筑环境、建筑物理和服务系（Department of the Built Environment, Building Physics and Services）PO Box 5135600MB Eindhoven丹麦阿尔托大学（Aalto University）工程学院，能源技术系（School of Engineering Department of Energy Technology）PO Box 14400FI-00076 Aalto芬兰Lorenzo Pagliano米兰理工大学（Politecnico di Milano）终端用户有效性研究组（end-use Efficiency Research Group，(eERG)）via Lambruschini, 420156 Milano意大利Jaume Salom加泰罗尼亚能源研究院（Catalonia Institute for Energy Research, IREC）Jardins de les Done

译者序Chinese Edition Preface中文版序原书序原书前言原书致谢主编和原书编辑简介作者名单第1章 概论11.1零能耗建筑的发展11.1.1零能耗建筑的概念21.1.2智能零能耗建筑的设计和建模问题31.2本书的内容4参考文献6第2章 作为集成能源系统的零能耗建筑的建模与设计72.1简介72.1.1被动式设计、能源效率、热动态性和舒适性82.1.2详细的频域墙体模型及传递函数132.1.3 z传递函数法162.1.4详细的区域模型和建筑物传递函数202.1.5建筑物暂态响应分析262.2集成在零能耗建筑中的可再生能源产生系统/技术272.2.1作为零能耗建筑使能技术的BIPV 282.2.2太阳能热系统362.2.3主动式DITES和板/辐射供暖/供冷系统442.2.4热泵系统——零能耗建筑中有前途的技术502.2.5零能耗建筑的CHP 52参考文献53第3章 零能耗建筑中的舒适性考虑：理论与设计603.1简介603.2热舒适性613.2.1零能耗建筑中明确的热舒适目标613.2.2热舒适性原理623.2.3建筑热不舒适的长期评价703.3采光和视觉舒适733.3.1简介733.3.2适应亮度753.3.3基于照度的性能指标753.3.4基于亮度的性能指标763.3.5自然采光和用户行为773.4声学舒适783.5室内空气品质793.6小结80参考文献80第4章 零能耗建筑的设计过程与工具864.1简介864.2在零能耗建筑设计过程中集成建模工具874.2.1简介874.2.2实现零能耗建筑阶段的概述874.2.3工具894.2.4概念设计904.2.5深化设计964.2.6技术设计1004.2.7集成设计过程和项目实施方法1044.2.8本节小结1064.3零能耗建筑设计工具、建模精确性和设计方法1064.3.1简介1064.3.2模型的精度1074.3.3对于特定的建筑物系统和建筑物特性的模型精度1134.3.4设计中使用的工具1274.3.5未来的需求和结论1334.4小结134参考文献135第5章 零能耗建筑的建筑性能优化1435.1简介1435.1.1什么是BPO 1445.1.2零能耗建筑设计中BPO的重要性1445.2优化基础1465.2.1 BPO目标（单目标和多目标函数）1465.2.2优化问题的定义1475.2.3适用于BPS的优化算法回顾1485.2.4 BPS中优化算法的集成1505.2.5 BPO专家采访1515.3优化的应用：成本和近零能耗建筑1535.3.1简介1535.3.2案例研究：芬兰的单户住宅1545.3.3本节小结1555.3.4案例研究的后思考1585.4优化的应用：一个舒适的零能耗住宅1595.4.1建筑模型的描述1595.4.2优化问题所采用的方法和陈述1605.4.3结果讨论1625.4.4后考虑1655.5小结165参考文献166第6章 负荷匹配、电网交互和先进控制1706.1简介1706.1.1在每年能源平衡之外的考虑因素1706.1.2有关LMGI的问题1706.2 LMGI表示器1756.2.1简介1756.2.2指示器分类1776.3预测控制和负荷管理的策略1806.3.1能源存储设备1806.3.2建筑物预测控制1816.4控制用模型的开发1866.4.1建筑物部件：热传导1866.4.2整体建筑的热模型1876.4.3线性模型1876.5小结193参考文献194第7章 零能耗建筑案例研究1997.1简介1997.2 coTerra2007.2.1 coTerra的描述2017.2.2设计过程2087.2.3测试性能2127.2.4再设计研究2157.2.5结论和收获2207.3 Leaf House 2227.3.1 Leaf House的主要特征2227.3.2设计过程描述2257.3.3建筑物设计的目的2257.3.4热力站描述2267.3.5监视数据2297.3.6所使用模型的特点与局限2317.3.7模型校验2327.3.8再设计2367.3.9结论和收获2387.4 NREL RSF2397.4.1 RSF介绍2407.4.2关键的项目设计特征2417.4.3设计原型概述2537.4.4供选择的设计和操作2637.4.5结论2647.5 ENERPOS 2657.5.1自然通风和吊扇2677.5.2遮阳与采光2677.5.3小气候措施2677.5.4材料2677.5.5人机工程学与室内设计2687.5.6能源效率2687.5.7可再生能源技术的整合2697.5.8设计过程描述2707.5.9监测系统2737.5.10监测数据2737.5.11 ENERPOS测量模型预测的比较2737.5.12热舒适性实验研究2787.5.13学到的在热带气候下零能耗建筑将来设计的经验2807.6小结281致谢282参考文献283第8章 结论、研究需求和未来工作2888.1零能耗建筑建模、设计和仿真2888.2未来方向与研究需求 289附录 缩略语291

5年前，在国际能源署（IEA）的建筑物与社区能耗第52子课题的“太阳能供热和供冷第40任务组”中近60位国际专家参与了“面向零能耗太阳能建筑（“T40 A52”）”研究任务，这些专家在加拿大蒙特利尔的康卡迪亚大学进行了次官方专家会议。与会的许多专家都惊讶于国际上对于零能耗建筑的不同的观点——这包括对于其定义、官方的建筑标准、商业和法律方面的要求和设计策略。在随后的5年中，有关专家在9个不同的地区举行了相关会议，同时也融入了当地的建筑设计文化，这为我们提供了对于零能耗建筑的更有价值的国际视角，也为我们提供了在一些零能耗建筑中进行会议的机会（有几个作为会议的地点的建筑将在本书中深入讨论）。　　本书的目的是为零能耗建筑建模、设计与相关问题提供一个广泛的视角，同时也为设计人员和研究生提供对零能耗建筑的深入理解。本书由来自7个国家在工业界和学术研究界不同领域的22位作者所撰写。本书开始介绍了取得零能耗的建模基础、相关策略和技术，这包括了很多量化性能的方法。如同“T40 A52”研究任务所强调的，舒适性是零能耗建筑的基本方面，而不是补充方面，因而本书中有一章去论述了热舒适性、视觉舒适性、听觉舒适性和室内空气质量。随后的两章通过几个实例论述了零能耗建筑的设计、建模、仿真和优化。在“T40 A52”研究任务的早期就认识到零能耗建筑的研究必须包括与电网的交互影响，这是由于零能耗建筑的定义主要是强调能耗平衡。因而，通过一章内容对此进行了讨论。在本书的第二大部分中，详细论述了4个零能耗建筑的案例研究，同时与前面几章内容进行联系，包括能源性能、舒适性，设计意图与实际运行的关联，以及案例收获。终论述了基于案例研究的原型再设计。Andreas Athienitis博士,注册工程师，加拿大工程院院士魁北克工业主席，康卡迪亚大学研究主席NSERC 智能零能耗建筑策略研究网络科学主任康卡迪亚零能耗建筑研究中心主任加拿大，蒙特利尔，康卡迪亚大学（Concordia University）William O’Brien博士加拿大，渥太华，卡尔顿大学（Carleton University）土木与环境工程系