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出版者:

作者:Malkawi, Ali (EDT)/ Augenbroe, Godfried (EDT)

出品人:

页数:272

译者:

出版时间:2004-9

价格:$ 112.94

装帧:

isbn号码:9780415321235

丛书系列:

图书标签:

• 建筑环境模拟
• 建筑节能
• 室内环境
• 热工学
• 流体力学
• CFD
• 能源效率
• 可持续建筑
• 模拟软件
• 建筑物理

建筑环境模拟：从理论基础到前沿应用 本书旨在为读者提供一个全面而深入的建筑环境模拟的知识体系，涵盖从基础理论到先进数值方法，再到实际工程应用的广阔领域。本书特别关注如何利用计算机模型精确预测和优化室内外环境参数，以实现建筑的能源效率、热舒适性、空气质量和可持续性目标。 第一部分：基础理论与方法论 第一章：建筑环境模拟概述 本章首先界定了建筑环境模拟的范畴，阐述了其在现代建筑设计、运营和评估中的核心作用。我们将探讨模拟在不同尺度——从单个组件到整个城市区域——上的适用性。内容将深入分析模拟的必要性，特别是在传统解析方法难以应对复杂非线性系统时的优势。此外，本章还将概述当前主流的模拟软件分类及其核心功能，为后续章节的深入学习打下基础。 第二章：热力学与传热传质基础 准确的建筑环境模拟建立在坚实的物理学基础之上。本章详细回顾了与建筑环境直接相关的热力学、传热学和传质学的基本原理。重点内容包括： 热传递机制： 详细分析传导、对流和辐射在建筑构件和室内空间中的耦合作用。辐射换热的几何因素（如形状因子）和表面性质（如发射率和吸收率）的计算方法将进行详尽阐述。 流体力学基础： 介绍适用于室内气流分析的纳维-斯托克斯方程，并讨论这些方程在建筑尺度下简化的可行性，特别是层流与湍流的判定标准。 质量传递与污染物扩散： 探讨水分迁移（如渗透与吸附）在围护结构中的行为，以及室内污染物（如CO2、挥发性有机化合物VOCs）的产生、传输和稀释机制。 第三章：模拟方法的分类与选择 建筑环境模拟方法多种多样，本章将系统地梳理这些方法，帮助读者理解每种方法的适用边界和局限性。 集中式（Lumped Parameter）模型： 探讨RC网络模型（电阻-电容模型）的工作原理，如何将复杂的建筑系统简化为一组具有质量和能量惯性的节点，适用于初步的动态能耗预测。 区域（Zone-Based）模型： 介绍如何将室内空间划分为热力学区域，并分析区域间的能量和质量交换。重点讨论区域模型在处理HVAC系统集成时的优势。 计算流体动力学（CFD）： 作为模拟的核心工具，本章将深入解析CFD的数值基础，包括离散化技术（如有限体积法）、压力-速度耦合算法（如SIMPLE族算法）以及湍流模型（如$k-epsilon$和$k-omega$模型）的选择与应用。 混合模型与多域耦合： 讨论如何将不同尺度的模型（例如，将CFD用于局部通风分析，将区域模型用于整个建筑负荷计算）进行有效耦合，以实现更精细和全面的模拟。 第二部分：核心模拟模块与应用 第四章：围护结构与动态热性能分析 本章聚焦于建筑围护结构（墙体、屋顶、门窗）对室内环境动态响应的影响。 瞬态传热分析： 详细介绍如何使用瞬态传热分析（TFA）方法评估墙体材料的热惯性，包括吸收因子和相移的概念。 太阳得热计算： 深入探讨太阳辐射模型，包括短波辐射的穿透、吸收和反射过程，以及如何精确计算窗户的太阳得热系数（SHGC）。 湿气传输模型： 介绍Hygrothermal模拟方法，分析湿气在多孔材料中的扩散和吸附过程，以及对建筑耐久性和室内空气质量的潜在影响。 第五章：HVAC系统与设备集成模拟 建筑能耗的很大一部分来源于暖通空调系统。本章探讨将HVAC系统模型纳入整体建筑模拟的复杂性。 系统组件建模： 详细介绍锅炉、冷却器、热交换器、风机盘管、空气处理单元（AHU）等关键设备的数学模型。 控制策略的实现： 讨论如何在模拟环境中定义和测试不同的温湿度控制策略、变风量（VAV）系统响应以及负荷追踪算法。 系统耦合与次动态模拟： 分析如何将高频的设备运行数据与低频的建筑负荷模型结合，以评估系统层面的能效和控制性能。 第六章：室内空气质量（IAQ）与热舒适性模拟 本章将模拟技术应用于提升居住者健康与舒适度的目标。 污染物源项与扩散： 识别并量化常见的室内污染物源（人体代谢、材料释放、渗透进入），并使用CFD或区域模型模拟其在空间中的迁移和浓度分布。 通风效率评估： 介绍评估通风系统性能的关键指标，如污染物清除效率（Contaminant Removal Effectiveness, CRE）和通风指数（Air Change Rate, ACR），并解释如何通过模拟优化送风和排风位置。 热舒适性预测： 深入讲解预测室内热舒适度的标准，如PMV/PPD模型，以及如何将预测结果与CFD模拟的气流速度分布相结合，实现“动态舒适性”的评估。 第三部分：高级主题与验证 第七章：数值计算的高级挑战与前沿技术 本章探讨在进行高精度、大规模模拟时面临的计算挑战，并介绍应对这些挑战的前沿技术。 网格生成与优化： 讨论非结构化网格、自适应网格加密（Adaptive Mesh Refinement, AMR）技术在捕捉复杂几何体和高梯度区域中的应用。 瞬态模拟的稳定性与收敛性： 分析时间步长的选择对动态模拟结果准确性和计算效率的影响，以及处理刚性系统方程的数值技巧。 多物理场耦合模拟（Multiphysics）： 介绍热-流-光-结构相互作用的耦合模拟方法，例如，模拟结构变形对辐射传输的影响，或气流引起的结构振动分析。 第八章：模型校准、验证与不确定性分析 任何模拟结果的可靠性都依赖于严格的验证和校准过程。 实验数据的获取与预处理： 概述用于模型校准的实验方法，包括传感器布局、数据采集频率和数据清洗技术。 模型校准（Calibration）： 介绍参数识别方法，如最小二乘法或贝叶斯方法，用于调整模型输入参数以使其输出与实测数据匹配。 验证（Verification）与确认（Validation）： 区分模型的数学正确性（Verification）和与现实世界的符合程度（Validation），并讨论ASHRAE等标准对模拟准确性的要求。 不确定性分析（Uncertainty Quantification, UQ）： 探讨如何通过蒙特卡洛模拟或敏感性分析来量化输入参数不确定性对最终输出结果的影响范围。 第九章：集成工具与未来展望 本章将综合前述内容，讨论如何将这些模拟工具集成到实际的建筑生命周期管理中。 设计阶段的优化迭代： 展示如何使用参数化建模工具（如Grasshopper/Dynamo）结合模拟引擎，实现基于性能的设计（Performance-Based Design）的快速迭代。 建筑性能的实时模拟与数字孪生： 探讨将高保真模拟模型与建筑管理系统（BMS）数据结合，实现建筑运行的数字孪生（Digital Twin）应用，从而进行预测性维护和实时优化控制。 可持续性与气候变化响应： 分析模拟技术在评估极端天气条件、韧性设计以及实现净零能耗建筑目标中的关键作用。 本书的最终目标是使读者不仅能够熟练操作现有的模拟软件，更重要的是，能够深刻理解其背后的物理机制和数学原理，从而能够批判性地评估模拟结果，并在复杂的工程实践中做出科学合理的决策。

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从排版和图表的角度来看，这本书的制作工艺显得非常粗糙，这极大地损害了原本可能存在的阅读体验。大量的图表——那些本应是解释复杂模拟结果的关键辅助工具——排版混乱，坐标轴的标签模糊不清，甚至有些图例与正文的描述存在明显的不一致。我记得有一张关于风场模拟的俯视图，如果不是我凭借已有的知识背景进行推测，根本无法分辨出哪个颜色代表高流速，哪个代表低流速，因为图例缺失了关键的颜色渐变说明。这种对细节的漠视，在探讨精细化模拟的专业书籍中是绝对无法接受的。此外，书中引用的软件版本似乎也已经非常陈旧，很多截图中的用户界面与目前主流的模拟软件界面大相径庭，这让我在尝试对照操作时感到困惑，仿佛在用一本过时的地图寻找现代的街道。一本关于“模拟”的书，其自身的视觉呈现却缺乏准确性和现代感，这本身就构成了一种讽刺。好的专业书籍应当是内容与形式的完美结合，内容提供深度，形式提供清晰度。遗憾的是，在这本书里，我只看到了内容在形式上的挣扎与失败，使得那些原本可能具有启发性的数据和结果，最终都淹没在了低劣的印刷质量和混乱的图表设计之中。

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这本书在引用和参考资料的管理上显得有些草率和片面，这让我对其论述的全面性和前瞻性产生了疑虑。在探讨前沿的计算流体力学（CFD）在建筑通风中的应用时，我留意到很多引用文献的发表时间都集中在十年前甚至更早，这在技术日新月异的今天，是远远不够的。我期待看到作者能够整合近五年的研究成果，尤其是那些关于机器学习如何辅助或加速建筑环境模拟的最新探索。书中似乎刻意避开了那些可能挑战传统模拟范式的最新技术和理论，这使得整本书的观点略显保守和滞后。更让人不解的是，对于一些关键的假设和模型简化，作者并未明确指出其局限性或适用的范围，而是将其当作普遍真理来陈述。这种处理方式，对于依赖严谨假设进行模拟的领域来说，是极其危险的。它给人的感觉是，作者似乎只采信了与自己既有观点相符的文献，而对那些可能提出异议的新兴研究视而不见，这无疑削弱了这本书作为一本权威参考读物的可信度与实用价值，它更像是一个特定时间点上的知识快照，而非持续进化的知识体系的展现。

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这本书的文字风格极其晦涩，仿佛作者在用一种只有他自己能完全理解的“行话”进行交流。我花了数倍于平时阅读其他专业书籍的时间来消化其中哪怕是一小段文字。举例来说，书中对“动态热湿平衡”的描述，其句式结构之复杂，专业术语的堆砌之密集，让人不禁怀疑作者是否刻意在为内容增加难度。我尝试着从不同角度去解读那些长达半页的排比句，试图从中提炼出核心观点，但最终发现，很多时候，核心观点本身似乎就被过度冗长和绕口的表达所掩盖了。如果说严谨是科学写作的基石，那么这本书的严谨似乎走向了另一个极端——变成了一种难以逾越的障碍。我原本指望能从中学习到一些创新的思路，关于如何在设计初期就嵌入环境模拟的思维定式，但这本“大部头”却更像是一个知识的“黑箱”，我能看到它似乎装载了很多东西，却不知道如何打开并取出我需要的部分。对于时间宝贵的行业人士来说，这种阅读体验无疑是令人沮丧的，它要求读者投入巨大的认知资源，去破译而非学习内容本身，这与现代建筑设计所追求的高效和敏捷性背道而驰。我希望看到的，是清晰、有力、直击要害的论述，而不是这种如同古老羊皮卷般的阅读体验。

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这本书的内容深度在不同的章节间呈现出极大的不平衡性，像是一块被随意切割的拼图，有些部分详尽得令人发指，而另一些核心领域却轻描淡写。例如，书中花费了将近三分之一的篇幅来详述特定边界条件的数学推导，其严谨性足以让物理学家感到满意，但当我们试图转向实际的参数设定和结果解读时，篇幅却骤然缩水。尤其是在涉及能源绩效评估和用户舒适度指标的章节，作者似乎采取了一种“点到为止”的态度，仅仅罗列了一些国际标准或规范的名称，却完全没有深入探讨如何在模拟环境中准确地捕捉和量化这些非物理因素。我期望这本书能提供一套连贯的思考路径，即如何从基础的物理输入，逐步过渡到对建筑性能的全面评价，但这本书的逻辑链条在中间部分断裂了。它更像是一系列相互关联但缺乏统一视角的学术论文集，而非一部系统性的专著。这使得读者在阅读完毕后，会带着一堆零散的知识点，却缺乏一个整体的框架来组织和应用这些知识，最终难以形成对“环境模拟”这一整体概念的全面掌握。

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这本书的封面设计初见便抓住了我的眼球，那种深邃的蓝绿色调，仿佛让人置身于一个被自然元素环绕的室内空间。我一直对建筑与环境的相互作用抱有浓厚的兴趣，尤其是如何通过设计手段来优化居住体验，因此毫不犹豫地翻开了它。然而，阅读的过程却如同在迷宫中摸索，作者似乎过于沉浸在宏大的理论框架中，而忽略了将这些复杂的概念以一种更具象、更贴近实际操作的方式呈现给读者。书中充斥着大量的数学模型和抽象的物理定律推导，对于一个更偏向于建筑实践和应用层面的读者来说，这些内容无疑增加了理解的门槛。我期待的是能看到更多具体的案例分析，比如某个特定气候区下的建筑如何通过被动式设计来降低能耗，或者不同材料在模拟环境下的热工性能对比。遗憾的是，这些期望大多落空了，我感觉自己像是在研读一本高深的物理教科书，而不是一本面向建筑专业人士的应用指南。书中对模拟软件的使用流程和参数设置的讲解也显得蜻蜓点水，缺乏手把手的指导，这使得我对如何将书中学到的理论真正应用到我手头的设计项目中感到迷茫。整体而言，这本书的学术价值或许不容置疑，但其作为一本实用参考书的价值却大打折扣，更适合于需要深入研究底层算法的科研人员，而非寻求即时解决方案的建筑师。

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