馮 志 文

[陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710003]

0 引 言

隨著我國(guó)建筑業(yè)的迅猛發(fā)展,伴隨而來(lái)的是建筑能耗越來(lái)越大,故降低建筑能源消耗,實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能建筑勢(shì)在必行。近年來(lái),通過(guò)對(duì)農(nóng)村建筑能耗的分析,已經(jīng)得到了一些切實(shí)可靠的結(jié)論[1]。相比于農(nóng)村住宅建筑,城市公共建筑的規(guī)模更大、使用頻率更高、能源消耗更多,其節(jié)能減耗的潛在空間更大。

為了降低公共建筑能耗,研究人員對(duì)被動(dòng)式超低能耗建筑、建筑部分參數(shù)設(shè)定、暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化、多元線性回歸方法分析建筑模型等方面進(jìn)行了廣泛的研究[2-10]。本文主要是運(yùn)用Ecotect軟件對(duì)某檔案館二層的局部區(qū)域進(jìn)行建模,然后通過(guò)選擇不同材質(zhì)對(duì)其模型進(jìn)行能耗模擬分析,從而初步估計(jì)其實(shí)際能耗,并對(duì)建筑的選材給出參考,這對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能的公共建筑具有一定的實(shí)際意義。

1 基于Ecotect軟件對(duì)某檔案館進(jìn)行建模

對(duì)某檔案館2F局部的衛(wèi)生間、電梯前廳、休息室、大廳、樓梯間、樓梯前廳和辦公室等空間進(jìn)行建模分析[9]。某檔案館2F局部區(qū)域三維模型如圖1所示。

圖1 某檔案館2F局部區(qū)域三維模型

建完模型之后需要選擇建筑材質(zhì)。為了更好地比較選材對(duì)建筑能耗的影響,選取兩種不同的材質(zhì)進(jìn)行分析。第一種為普通非節(jié)能材料,在保溫性能方面較差,受外界溫度變化的影響較大,需要消耗更多的能源來(lái)維持室內(nèi)溫度的恒定。第二種選用導(dǎo)熱系數(shù)(主要影響因素)、準(zhǔn)入系數(shù)、太陽(yáng)吸收率、熱衰減系數(shù)、熱滯后等方面性能更好的材料。兩種選材方案如表1所示。兩種選材方案的材料導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。

表1 兩種選材方案

材料導(dǎo)熱系數(shù)越小,其保溫隔熱性能越好。從表2可以看出,第二種選材方案的所有構(gòu)件導(dǎo)熱系數(shù)都要比第一種選材方案的導(dǎo)熱系數(shù)小,說(shuō)明第二種選材方案更符合節(jié)能保溫材料的要求。

表2 兩種選材方案的材料導(dǎo)熱系數(shù)

2 熱工計(jì)算及能耗分析

2.1 屬性參數(shù)設(shè)置

對(duì)該檔案館2F的局部區(qū)域進(jìn)行熱工分析。在建筑氣象資料的設(shè)置中,將位置改為陜西西安;在區(qū)域管理中設(shè)置室內(nèi)熱舒適性區(qū)域環(huán)境的基本信息。

房間的區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置如圖2所示。

圖2 房間的區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置

在建筑內(nèi)部設(shè)計(jì)要求中,選擇人員的服裝設(shè)置為褲子和T恤,其熱阻值為0.6。室內(nèi)相對(duì)濕度為60%,風(fēng)速為0.50 m/s,照度水平為300 lx[4]。

在人員活動(dòng)與設(shè)備運(yùn)行方面,根據(jù)開(kāi)放辦公區(qū)域人均占有面積20 m2,可計(jì)算出該檔案館2F各個(gè)房間可容納的人數(shù)。“Sedentaty—55W”選項(xiàng)是根據(jù)建筑內(nèi)人員不同的工作行為來(lái)確定人的平均生物熱功率,通常情況下在辦公室工作的人的平均生物熱功率為55 W。根據(jù)室內(nèi)單位面積照明和設(shè)備負(fù)荷參數(shù),顯熱得熱為5 W/m2,潛熱得熱為2 W/m2。按照建筑內(nèi)部使用氣密性,空氣交換率設(shè)置為0.5 ach,環(huán)境附加換氣率為0.25 ach[4]。

“時(shí)間表”選項(xiàng)是用來(lái)確定人員在建筑內(nèi)活動(dòng)的時(shí)間表,可以通過(guò)人員的工作時(shí)長(zhǎng)來(lái)確定時(shí)間表。通過(guò)選擇不同時(shí)間的曲線節(jié)點(diǎn)來(lái)確定各個(gè)時(shí)間段的人員在室率,同時(shí)將星期一～星期五設(shè)置為工作日,星期六和星期日設(shè)置為休息日。建筑內(nèi)人員活動(dòng)時(shí)間表如圖3所示。

圖3 建筑內(nèi)人員活動(dòng)時(shí)間表

2.2 逐時(shí)溫度分析

在溫度分析的控制面板中,以建筑物全年中最冷的一天為研究對(duì)象進(jìn)行模擬分析。第一種選材的逐時(shí)溫度曲線圖如圖4所示;第二種選材的逐時(shí)溫度曲線圖如圖5所示。圖4、圖5是一年中最冷一天的溫度變化。

圖4 第一種選材的逐時(shí)溫度曲線圖

圖5 第二種選材的逐時(shí)溫度曲線圖

由圖4和圖5可見(jiàn),室內(nèi)溫度變化都隨室外的溫度升高而升高,降低而降低,但整體上室內(nèi)溫度均基本保持恒定。圖4中這幾個(gè)房間的室內(nèi)溫度均維持在-4 ℃,與室外0∶00～10∶00溫度(-7 ℃)僅相差3 ℃;圖5中這幾個(gè)房間的室內(nèi)溫度都維持在-2 ℃,比室外0∶00～10∶00溫度(-7 ℃)高5 ℃,且這幾個(gè)房間的室內(nèi)溫度相比第一種選材的室內(nèi)溫度更加穩(wěn)定,說(shuō)明使用第二種材料的保溫性能更好,所需的能耗更低。

2.3 逐月能耗分析

第一種選材的逐月能耗分析如圖6所示;第二種選材的逐月能耗分析如圖7所示。

圖6 第一種選材的逐月能耗分析

由圖6、圖7檔案館2F的局部區(qū)域冷熱負(fù)荷模擬結(jié)果,可以直觀看出建筑物每個(gè)月制冷和制熱所需的能耗,便于逐月能耗對(duì)比。

圖7 第二種選材的逐月能耗分析

第一種、第二種選材逐月能耗數(shù)據(jù)分別如表3、表4所示。

表3 第一種選材逐月能耗數(shù)據(jù)

由表3可以看出,全年總制冷量為5 332 DegHr,總制熱量為19 510 DegHr,總能耗為24 842 DegHr;由表4可以看出,全年總制冷量為10 013 DegHr,總制熱量為12 066 DegHr,總能耗為22 078 DegHr。由此可知,第二種選材的建筑總能耗更低,因此在實(shí)際運(yùn)用中盡可能地選擇綠色節(jié)能的建筑材質(zhì)。

表4 第二種選材逐月能耗數(shù)據(jù)

2.4 熱負(fù)荷分布分析

為了清楚直觀地了解建筑在不同途徑中得/失熱情況,從而了解影響建筑得/失熱的主要方面,需進(jìn)一步改善其性能和優(yōu)化設(shè)計(jì),從而達(dá)到建筑節(jié)能的目的。

第一種選材、第二種選材的熱負(fù)荷分布分別如圖8、圖9所示。

圖8 第一種選材的熱負(fù)荷分布

圖9 第二種選材的熱負(fù)荷分布

第一種、第二種選材熱負(fù)荷分布數(shù)據(jù)如表5、表6所示。

表5 第一種選材熱負(fù)荷分布數(shù)據(jù)

表6 第二種選材熱負(fù)荷數(shù)據(jù)

由表5和表6可知,第一種選材的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱占比高達(dá)94.50%,而第二種選材的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱占比為53.20%,說(shuō)明第二種的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性更好,第一種選材的建筑受太陽(yáng)光照射獲得的熱量達(dá)到75.20%,而第二種選材的建筑受太陽(yáng)光照射獲得的熱量?jī)H為17.50%,說(shuō)明第二種選材的建筑隔熱性能更好;第一種選材的建筑從房間內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行和人員活動(dòng)獲得的熱量?jī)H占15.80%,而第二種選材的建筑從房間內(nèi)設(shè)備運(yùn)行和人員活動(dòng)獲得的熱量高達(dá)72.30%,說(shuō)明第一種選材的建筑蓄熱性能和門窗的氣密性都較差,相比于第一種選材,第二種選材的建筑在蓄熱和門窗的氣密性方面都表現(xiàn)較好。

通過(guò)對(duì)熱量損耗與獲取途徑進(jìn)行分析,可以獲得建筑物不同構(gòu)件的能耗得/失詳細(xì)情況,從而得知對(duì)建筑物能源消耗影響最大的是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。為了盡可能地降低建筑能耗,應(yīng)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的熱工性能進(jìn)行深入了解,可以對(duì)建筑物的材料選擇、外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及采暖空調(diào)系統(tǒng)的選擇提供參考依據(jù)。

3 采光分析

為了使人工照明的損耗降到最低,需要合理利用白天的自然采光,因此需要對(duì)該區(qū)域自然采光進(jìn)行分析。

在采光分析的控制面板中,選擇CIE全陰天的天氣條件對(duì)該檔案館進(jìn)行采光模擬分析,是為了模擬最差天氣環(huán)境中的室內(nèi)采光條件,得出某檔案館自然采光的模擬結(jié)果。自然采光分析如圖10所示。采光系數(shù)如表7所示。

圖10 自然采光分析

表7 采光系數(shù)

根據(jù)GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中第2.1.5條,采光系數(shù)是指在室內(nèi)參考平面上的一點(diǎn),由直接或間接地接收來(lái)自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而產(chǎn)生的照度與同一時(shí)刻該天空半球在室外無(wú)遮擋水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度之比。根據(jù)GB/T 50378—2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.8條相關(guān)規(guī)定,“采光系數(shù)滿足采光要求的面積比例達(dá)到60%”方可得分。

由表7可知,在自然采光的條件下,采光系數(shù)大于2%的面積比為21.24%,遠(yuǎn)低于60%。因此,在對(duì)建筑設(shè)計(jì)初期,應(yīng)充分考慮建筑的窗地面積比,盡可能利用天然光使建筑房間內(nèi)的采光系數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值,從而減少人工照明能耗。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用Ecotect軟件對(duì)某檔案館進(jìn)行建筑能耗模擬分析,可以得出某檔案館2F的局部區(qū)域一年制熱所需要的能耗和制冷所需要的能耗,以及一年中不同月份所需的能耗量,這對(duì)公共建筑的能源規(guī)劃管理具有一定的參考價(jià)值。在對(duì)建筑的照明設(shè)計(jì)方面,應(yīng)對(duì)建筑的門和窗進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì),以便能夠充分利用自然光,降低建筑照明能耗,實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。建筑物熱量散失主要是通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散失的,因此在對(duì)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮其保溫隔熱的性能。