城市微气候模拟数据在建筑能耗计算中的应用
建筑节能案例教学模拟计算的应用
建筑节能案例教学模拟计算的应用提纲：1. 建筑节能案例教学模拟计算的应用背景与意义2. 建筑节能案例教学模拟计算的方法与工具3. 建筑节能案例教学模拟计算的优点与局限性4. 建筑节能案例教学模拟计算在实际应用中的案例5. 建筑节能案例教学模拟计算的发展前景一、建筑节能案例教学模拟计算的应用背景与意义建筑节能是当前全球性的热门话题，尤其在发达国家已被提上日程。
建筑节能既可以减少对自然资源的耗费，保护环境，又可以降低建筑物运营成本，提高建筑物的舒适性与健康性。
而建筑节能案例教学模拟计算的应用，则是为了更好地理解建筑节能的原理和方法，提高建筑工程师、设计师的设计水平，推进建筑节能技术的发展。
由于目前在建筑节能的教学过程中缺乏实际案例的对比和分析，因此建筑节能案例教学模拟计算的应用在高等院校、职业技术学校，以及建筑设计和施工单位都具有积极推进作用。
二、建筑节能案例教学模拟计算的方法与工具建筑节能案例教学模拟计算是将现有实际建筑案例进行模拟计算，并进行对比、分析，从而得出优化的设计方案，并对节能效果进行评估的过程。
在建筑节能案例教学模拟计算中，需要确定以下要素：建筑物的结构、材料、朝向、场地、气候等影响建筑节能的因素。
同时，还需要使用建筑模拟软件（如EnergyPlus、DesignBuilder 等）进行模拟计算，并进行能源数据的分析和指标评估。
三、建筑节能案例教学模拟计算的优点与局限性优点：1. 可以借鉴实际建筑案例，提高了设计方案的可行性和效率。
2. 模拟计算可以快速比较各种方案的节能效果，评估设计方案的可行性。
3. 减少了实际建造的试错成本，提高节能效果和环保水平。
4. 利于知识的传递、学术交流的发展和新技术的应用。
局限性：1. 建筑节能案例教学模拟计算仅能反映建筑设计本身的节能优化程度，而无法应用于建筑的实际使用过程中。
2. 模拟计算结果需要准确的数据输入和准确的气候数据，局限了建筑节能案例教学模拟计算的应用范围。
室外微气候对建筑空调能耗影响的模拟方法研究
[84]杨小山.室外微气候对建筑空调能耗影响的模拟方法研究赵立华;MichaelBruse.华南理工大学,2012.摘要:建筑周围微气候对建筑能耗有重要影响,通过改善室外微气候来降低建筑能耗和提高室内环境质量已成为城市规划和建筑设计领域的一个重要方向。
然而目前建筑能耗分析软件所采用的气象数据通常来源于当地气象站或附近机场,这无法反映建筑所在地局地微气候的影响。
本文基于三维微气候软件ENVI-met和建筑能耗分析软件EnergyPlus开展了室外微气候对建筑空调能耗影响的模拟方法研究。
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气候变化下建筑能耗模拟气象数据研究
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摘 要 ： 象参数 是 建筑 能耗 模 拟 的基础 ， 气 随着 全球 气候 异 常 变暖 ， 必将 对建 筑采 暖和 空调 能耗 产 生重要 影响 。进行 未来 气候 条件 下 的 建筑 能耗 模 拟 ， 须 首先 开展 未来模 拟 气 象参数 的研 究。根 必
微气候对城市规划的影响
微气候对城市规划的影响城市规划是一门综合性学科，旨在通过合理的空间布局和功能分区来提高城市的可持续发展。
在城市规划中，微气候是一个重要的考虑因素。
微气候是指在城市范围内局部地区的气候条件和气候特征。
微气候的独特性对城市的规划和设计产生了深远的影响。
本文将探讨微气候对城市规划的影响，并讨论相应的解决方案。
首先，微气候对城市建筑和建筑材料的选择有重要影响。
不同地区的微气候条件可能造成建筑物的能耗差异。
例如，在气候较热的地区，建筑物可能需要采取遮阳设施来减少夏季室内温度的上升。
而在寒冷的地区，保温材料的选择可能是至关重要的，以减少冬季的能耗。
因此，在城市规划中，需要根据微气候条件的不同，合理选择建筑材料和建筑技术，以提高建筑物的能源效益。
其次，微气候对城市绿地的布局和设计也有重要影响。
城市绿地是改善城市生态环境和提高居民生活质量的重要组成部分。
不同微气候条件下的绿地布局可以产生不同的生态效益。
例如，在气候较炎热的地区，应增加绿地面积和树木覆盖率，以提供遮荫和降温效果。
在气候较寒冷的地区，可以选择耐寒植物来增加绿地的观赏价值。
因此，在城市规划中，需要充分考虑微气候条件，合理规划城市绿地，以提供最佳的生态环境。
此外，微气候对城市空气质量和健康也有直接影响。
城市污染问题是当今社会面临的严重挑战之一。
微气候条件会影响大气散射和空气流通情况，从而影响空气污染的扩散和净化。
在城市规划中，应考虑微气候条件，合理选择绿化植被和净化设施，以改善空气质量。
此外，微气候条件还会影响居民的健康状况。
例如，在气候潮湿的地区，容易滋生蚊虫和病菌，从而增加了传染病的风险。
因此，在城市规划中，需要综合考虑微气候条件和居民的健康需求，以提供舒适的生活环境。
最后，微气候对城市交通规划和交通流量也有重要影响。
不同的微气候条件会影响交通道路的使用情况。
例如，在雨天和寒冷的天气里，道路变得湿滑和滑动，导致交通事故的增加。
因此，在城市规划中，需要考虑微气候条件，合理规划交通道路和交通流量，以提高交通安全性和交通效率。
城市绿地与建筑设计中的微气候研究
城市绿地与建筑设计中的微气候研究城市化进程中，越来越多的人们开始重视城市绿地的建设和利用。
城市绿地不仅能提供人们休闲娱乐的场所，也对城市的气候和环境起着重要的调节作用。
而在建筑设计中，对微气候的研究也是不可忽视的。
本文将探讨城市绿地与建筑设计中的微气候研究，从不同角度分析如何通过有效的设计来改善城市的气候环境。
城市绿地不仅仅是城市的“绿肺”，还可以对城市的气候产生积极的影响。
首先，城市绿地能够调节城市的温度。
绿色植物能够吸收太阳辐射和水分，通过蒸散作用来降低周围的温度。
同时，树冠也能在夏季提供阴凉，减轻城市表面温度的上升。
其次，城市绿地能够净化城市空气。
植物通过光合作用吸收二氧化碳，并释放氧气，起到净化和增氧的作用。
此外，植物还能吸附空气中的有害物质，如颗粒物、二氧化硫等，从而改善空气质量。
最后，城市绿地还能减轻城市中的水体蒸发量，并提供一定的防洪能力。
植物通过蒸腾作用消耗土壤水分，降低地表温度和水分蒸发，减缓城市暴雨引发的洪水灾害。
在建筑设计中，如何将城市绿地与微气候研究相结合，以获得最好的效果呢？首先，建筑设计师需要充分考虑城市绿地的布局和位置。
不同植物的热效应和环境适应性不同，因此需要根据具体情况选择合适的植物种类，保证其能够在当地的气候条件下生存和发展。
此外，合理布置绿地可以形成空气流动的通道，帮助城市中的空气循环，减轻高温、污染等问题。
其次，建筑设计师还可以通过设计建筑外立面和屋顶绿化来改善建筑的微气候。
外立面绿化可以起到隔热、降温、保湿和防雨等作用，有助于降低建筑能耗和提高室内舒适度。
而屋顶绿化则可有效降低建筑的热岛效应，减少热能的吸收和辐射，从而降低室内温度，并保护屋顶结构不受高温的损害。
建筑设计师还可以通过绿墙和屋顶花园等手段来增加建筑的绿化率，提高城市的景观品质。
此外，建筑设计中还需要注意合理的布局和立面朝向。
通过合理布局，可以最大限度地利用自然光和空气流通，降低建筑的能耗，提高舒适性。
建筑能耗模拟示例、碳汇相关数据、建筑碳排放计算与评价示例(一)
建筑能耗模拟示例、碳汇相关数据、建筑碳排放计算与评价示例(一)
建筑能耗模拟示例、碳汇相关数据、建筑碳排放计算与评价示例
建筑能耗模拟是建筑节能、优化设计的重要工具之一，能够为建筑节能提供科学依据和技术支撑。
建筑能耗模拟的基本步骤为：建筑信息输入、选取能源分析软件、选择建筑能耗模拟方案、模拟运行及分析结果。
其中选择适合的模拟方案非常重要，只有科学合理的模拟方案才能够准确预测建筑能耗情况。
以某居住用途建筑为例，建筑总面积3000平米，采用风冷蓄热泵空调系统、屋顶光伏发电、LED照明等节能技术，进行建筑能耗模拟分析，具体数据如下：
建筑总能耗：191025.74kWh/年，碳排放量81.41t/年，能源综合利用效率：68.5%。
其中使用煤电发电的电能占比为8.2%，太阳能占比为23.7%，剩余能量取自电力协议和政府推广的清洁能源，节省能源开支4.67万元/年，建筑等级达到国家1级节能标准。
在进行建筑碳排放计算和评价时，需要结合碳汇相关数据进行综合分析。
碳汇是指吸收或稳定碳的自然或人工系统，如绿色植物、森林、海洋等，能够吸收建筑用能排放的碳并将其固定在系统内，达到减少碳排放的目的。
以上述某居住建筑为例，根据碳汇数据分析，该建筑的碳汇量为
39.7t/年，实现建筑碳中和的效果，对于减少建筑碳排放、节能降耗具有重要作用。
总之，建筑能耗模拟、碳汇相关数据、建筑碳排放计算与评价是建筑节能减排工作中的重要环节，通过科学合理的方法和技术手段对建筑能耗进行管控，达到节能减排要求，将成为未来建筑设计和运行的重要趋势。
社区形态对建筑用能的影响——CFD耦合模拟
社区形态对建筑用能的影响——CFD耦合模拟沈鹏元【期刊名称】《建筑节能(中英文)》【年(卷),期】2022(50)10【摘要】建筑能耗取决于建筑形体、气候条件、建筑围护结构、使用者行为习惯、暖通空调系统与楼宇设备能效在内的多种因素,而建筑周围微气候环境如风环境,以及建筑所处社区的形态都是潜在影响建筑能耗的因素。
开发了一种社区规模的耦合计算流体力学(CFD)建筑群能耗模拟方法,用来评价建筑外立面对流传热系数(CHTC)与社区形态对建筑能耗的影响。
为了能够更好地量化分析CHTC与社区形态对小区内不同类型建筑物能耗的影响,6种不同类型的典型建筑被纳入到研究中,包括住宅、办公、餐馆、简餐馆、学校以及超市。
研究发现每栋建筑的CHTC和建筑外墙表面温度(MWET)值在不同的社区形态下有着较大区别。
在不同社区形态下,高层建筑的单位面积能耗强度(EUI)有着较大不同:办公建筑的EUI水平在不同社区形态下相较于平均水平的变化量最大可达到-10.2%~20.7%,而住宅建筑这一数值可达到-13.3%~19.2%。
受到影响最小的则是餐馆类建筑,变化范围仅为-0.3%~0.3%。
同时,本方法为如何设计社区形态、提高社区整体能源效率提供了设计决策支持。
【总页数】10页(P1-10)【作者】沈鹏元【作者单位】哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院【正文语种】中文【中图分类】TU201.5【相关文献】1.CFD耦合化学动力学模拟EGR对柴油机燃烧的影响2.基于WRF-CFD耦合的复杂城市形态街道通风性能模拟研究3.上游建筑孔洞特性对下游建筑自然通风潜力的影响及其CFD模拟可靠性4.基于CFD模拟的城市住区形态参数对大气污染物扩散影响5.基于CFD数值模拟的城市中心区风环境特征与空间形态耦合——以天津滨江道-和平路中心区为例因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
建筑物的能耗模拟与优化设计
建筑物的能耗模拟与优化设计在当今社会，能源消耗问题日益严峻，建筑行业作为能源消耗的大户，其能耗问题备受关注。
建筑物的能耗模拟与优化设计成为了实现建筑节能的重要手段。
通过对建筑物能耗的准确模拟和科学的优化设计，可以有效地降低能源消耗，减少对环境的影响，同时提高建筑的舒适度和使用性能。
建筑物能耗模拟是指利用计算机软件和数学模型，对建筑物在不同气候条件、使用模式和设备运行情况下的能源消耗进行预测和分析。
能耗模拟的基本原理是基于热力学、传热学和流体力学等理论，结合建筑物的几何形状、围护结构材料、设备性能和人员活动等因素，计算建筑物的冷热负荷、照明能耗和设备能耗等。
在进行能耗模拟时，首先需要建立建筑物的模型。
这包括对建筑物的几何形状、朝向、楼层高度、窗户位置和大小等进行详细的描述。
同时，还需要输入建筑物围护结构的材料参数，如墙体、屋顶和窗户的保温性能、传热系数等。
此外，室内设备的功率、运行时间和控制策略，以及人员活动的规律和室内热环境的设定等也是模拟中必不可少的参数。
常用的能耗模拟软件有 EnergyPlus、TRNSYS 和 DOE-2 等。
这些软件具有强大的计算功能和丰富的数据库，可以对各种类型的建筑物进行准确的能耗模拟。
例如，EnergyPlus 可以模拟建筑物的全年能耗，包括采暖、制冷、通风、照明和热水供应等系统的能耗，并能够考虑太阳能、地热能等可再生能源的利用。
TRNSYS 则适用于复杂的系统模拟，如太阳能热水系统、地源热泵系统等。
通过能耗模拟，可以得到建筑物在不同条件下的能源消耗情况，从而发现能耗过高的环节和问题。
例如，模拟结果可能显示建筑物的窗户隔热性能不足，导致夏季制冷负荷过高；或者照明系统的控制不合理，造成能源浪费。
这些问题的发现为优化设计提供了依据。
建筑物的优化设计是在能耗模拟的基础上，通过调整建筑物的设计参数和设备选型，以达到降低能耗的目的。
优化设计的目标可以是最小化能源消耗、最大化能源利用效率或者在满足一定舒适度要求的前提下降低能耗成本。
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1.1 模拟软件选择
本文采用 ENVI-met 4.0 作为城市微气候模拟工 具，采用 EnergyPlus 8.1 作为建筑能耗模拟工具，并 在 Building Controls Virtual Test Bed（BCVTB）1.3［3］软 件环境中建立耦合模块以传递 ENVI-met 的模拟结 果作为 EnergyPlus 模型的气象边界条件（以上 3 种 软件均可从其各自的主页上免费下载使用）。
新一代全建筑能耗模拟工具 EnergyPlus 除了 能对建筑能耗各过程进行详细模拟外，还提供了外 部接口和一系列内部变量控制器。用户可使用接 口与其他外部模型或数据库进行数据交换，并可根 据需要控制某一变量在每个计算时间步上的具体 值。本文应用 EnergyPlus 的这一功能将 ENVI-met 微气候模拟结果与建筑冷负荷计算相耦合。
算法［8］计算 hc 。空气温度也影响建筑外表面对流 换热量，本文采用 ENVI-met 计算的建筑周围空气
温度来计算建筑外表面对流换热量。
由于 ENVI-met 中每个网格为一个基本计算单
元，而 EnergyPlus 中每个建筑构件为一个基本计算
单元，因此在向 EnergyPlus 传递 ENVI-met 计算的
例分配给相邻的基本耦合单元。采用以上方法可
计算建筑周围微气候对建筑外表面不同部分的对
流换热量的影响。从图 1 可看到，由于模型之间的
差异，同一建筑在 ENVI-met 和 EnergyPlus 中并不 完全一致，例如在 ENVI-met 模型中与 x、y、z 轴斜交 的建筑外轮廓线均被处理成锯齿线。通过提高
三维微气候软件 ENVI-met 基于计算流体力学 和热力学，主要用于模拟城市小尺度空间内地面、 植被、建筑和大气之间的相互作用过程。模型典型 空间分辨率≤10 m，时间分辨率≤5 s。ENVI-met 能 够计算风速风向、空气温度和湿度、地表温度和湿 度、湍流、长波和短波辐射通量、气体和微粒扩散等
关键词：城市微气候；建筑能耗；协同模拟；定量评价
中图分类号：TK111.19
文献标识码：A
0引言
建筑所在地的局地微气候对建筑能耗有着重 要影响，而城市微气候受街（住）区几何特征、布局 方式、下垫面物性等多种因素的综合影响。因此， 如何定量预测和评价城市微气候对建筑能耗的影 响，以对街（住）区规划和建筑设计提供科学依据， 是目前亟需加强研究的重要课题。由于建筑能耗 和城市气候系统均为复杂的非线性系统，数值模拟 是研究此类问题的重要方法之一。
建筑表面风速和空气温度时，需定义一个基本耦合
单元以兼容这两种不同的基本计算单元。建筑外
表面基本耦合单元定义如下：1）对于外墙，每一层
的 每 个 外 立 面 作 为 一 个 基 本 耦 合 单 元 ；2）对 于 屋
顶，位于同一平面且属同一区域的屋面作为一个基
本耦合单元；3）对于弧形外墙或屋面，可简化为多
在目前的研究和工程实践中，建筑能耗和城市 微气候分别由两类不同的数值模拟工具计算：建筑 能耗模拟工具和城市微气候模拟工具。两类工具 的分析领域和特点各不相同。建筑能耗模拟工具 致力于建筑及其系统的精确描述和建筑动态热过 程的计算，但所采用的气象数据通常来源于位于郊 区的气象站或机场，无法反映建筑所在地微气候的 影响。而城市微气候模拟工具则致力于室外微气 候的预测，其主要分析领域为室外空间，建筑在此 类模型中通常被大幅简化。总的来说，目前还没有 能够直接模拟城市微气候对建筑能耗影响的工具， 因此将这两类模拟工具相结合是实现定量预测和 评价城市微气候对建筑能耗影响的一种可能途径。
BCVTB 是用于耦合不同软件或实现软件与硬 件之间数据交换的程序开发平台。本文基于 BCVTB 建立了一个耦合模块用于实现 ENVI-met 模 拟 结 果 的 提 取 、处 理 并 与 EnergyPlus 进 行 耦 合 计算。
1.2 协同模拟理论分析
室外微气候主要通过以下两种途径对建筑能 耗产生影响：一是对建筑外围护结构的传热过程产 生影响，包括对建筑外表面的太阳辐射得热、净长 波辐射和对流换热 3 个方面的影响；二是通过室内 外空气交换对建筑热平衡产生影响，包括通风和空 气 渗 透 两 种 方 式 。 在 将 ENVI-met 模 拟 结 果 与 EnergyPlus 能耗计算进行耦合前，需厘清以下 2 个 问题：1）应选择 ENVI-met 模拟结果中的哪些变量 与 EnergyPlus 进 行 耦 合 ？ 2）如 何 实 现 耦 合 计 算 ？ 下面分别从太阳辐射、长波辐射、对流换热、通风和 空气渗透 5 个方面进行分析。 1.2.1 太阳辐射
面风速和风压分布输入到建筑能耗模拟工具 EnergyPlus 中作为外部气象边界条件，从而实现定量预测和评价城市
微气候对建筑能耗的影响。案例研究结果显示，所提出的协同模拟方法能够定量评价不同微气候要素对建筑显热
冷负荷、潜热冷负荷以及不同途径建筑得热量的影响，模拟结果可为街（住）区规划和建筑设计提供科学依据。
过以上比较分析，对微气候变量中的太阳辐射因素
采取如下处理方案：在对目标建筑进行 EnergyPlus
建模时，须将周边的遮挡物（例如建筑、地形、树等）
一并添加到模型中，然后让 EnergyPlus 自行计算建
筑外表面的太阳辐射得热，建筑周围树的太阳辐射
透射率可根据 ENVI-met 的计算值设定。
1.2.2 长波辐射
个平面组合后再按照前两条规则划分基本耦合单
元。以一栋四层双坡屋面建筑为例说明基本耦合
单元的定义：如图 1 所示，第一层外墙的 4 个外立
面被划分为 4 个基本耦合单元（a、b、c、d），其余层类
推；双坡屋面则被划分为两个基本耦合单元。在进
行数据传递时，首先将 ENVI-met 模型中建筑外表
面前属于同一个基本耦合单元的所有网格的风速
计算的环境长波辐射通量引入到 EnergyPlus 模型
中作为边界条件。
1.2.3 对流换热
建筑外表面的对流换热量为：
( ) qconv = hc Ts - Ta
（1）
1346
太阳能学报
36 卷
式中，qconv ——对流换热量，W/m2；Ts ——建筑外表 面温度，℃；Ta ——空气温度，℃；hc ——对流换热 系数，W（/ m2·K），一般通过经验公式确定。
第 36 卷 第 6 期
2015 年 6 月
文章编号：0254-0096（2015）06-1344-08
太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
Vol. 36, No. 6
Jun., 2015
城市微气候模拟数据在建筑能耗计算中的应用
杨小山 1～3，赵立华 2，Michael Bruse4，孟庆林 2
本文利用三维微气候软件 ENVI-met［1］对城市 微气候进行模拟，然后提取建筑周围的微气候数据 输入到建筑能耗模拟工具 EnergyPlus［2］中作为气象 边界条件，从而实现在建筑能耗计算中引入建筑周 围微气候的影响。案例研究表明本文所提出的协 同模拟方法可定量预测和评价城市微气候对建筑 冷负荷的影响。
和空气温度进行平均，然后再传递给 EnergyPlus 模
型中对应的建筑表面，这意味着在 EnergyPlus 模型
中属于同一个基本耦合单元的所有建筑构件将使
用相同的表面风速和空气温度。如图 1 所示，第一
层南外立面的墙、窗、门（均属于基本耦合单元 a）将
使用相同风速值和空气温度计算外表面对流换热
量。对于在竖直方向上 ENVI-met 模型可能出现的 跨层网格，则将 ENVI-met 计算值平均后按面积比
EnergyPlus 提供了多种算法计算建筑外表面对
流换热系数，这些算法均将对流分为自然对流和强
迫对流。其中自然对流换热系数根据热流方向以
及表面温度与空气温度之差确定。对于强迫对流，
EnergyPlus 根据来流风向将建筑表面划分为迎风面
和背风面，然后通过经验关系式分别计算迎风面和
背风面的强迫对流换热系数，但这些经验关系式均
4）ENVI-met 根据树的叶面积密度和太阳直射光在
树冠中通过的路径长度计算树的太阳辐射透射率，
其不足之处是假设太阳散射辐射不受树的影响；
EnergyPlus 未对树进行专门考虑，树对建筑的遮荫
效果可通过设定一个恒定或变化的太阳辐射透射
率来体现。相比之下，尽管 ENVI-met 的算法仍存
在不足，但比 EnergyPlus 的处理方法更为科学。通
更为准确。2）对于天空散射辐射，ENVI-met 采用各
向同性模型，而 EnergyPlus 采用各向异性模型，相
比之下后者更为接近实际情况。3）对于反射太阳
辐 射 ，ENVI-met 仅 考 虑 从 直 射 到 散 射 的 反 射 ，而
EnergyPlus 考虑了镜面反射、直射到散射以及散射
到散射 3 种反射方式，显然后者更接近实际情况。
ENVI-met 和 EnergyPlus 在计算建筑外表面太 阳辐射得热上存在以下差别：1）ENVI-met 是网格化 模型，因此对于建筑外表面阴影区面积的计算精度
取决于模型网格分辨率，分辨率越高则越准确；而
EnergyPlus 根据建筑物及其周围遮挡物的几何尺寸
采用投影法计算阴影面积，与 ENVI-met 相比之下
6期
杨小山等：城市微气候模拟数据在建筑能耗计算中的应用
1345
微气候变量的时空分布。模型的主要输入参数为 背景气象条件和街区下垫面（地面、建筑及植被）的 空间形态、构造及物性参数。需要特别说明的是， 目前 ENVI-met 最新版本 4.0 中的全强迫功能可以 让用户自定义背景气象参数作为模拟的边界条件。 用户可自定义的逐时或更短时间间隔的背景气象参 数包括：风速风向、空气温度、空气湿度、太阳辐射 （直射/散射）或云量、天空长波辐射，这使得采用实 测气象数据或典型气象年数据作为城市微气候模拟 的边界条件成为可能。有关 ENVI-met 模型的功能 和 详 细 数 学 方 程 可 参 见 其 网 站［1］及 文 献［4，5］； ENVI-met 4.0 的实验验证研究可参见文献［5，6］。