近零能耗建筑性能化設(shè)計平臺應(yīng)用研究

余瓊 王祎 賀克瑾

北京市建筑設(shè)計研究院有限公司

0 引言

近零能耗建筑作為建筑節(jié)能行業(yè)發(fā)展的前沿，對建筑能耗有嚴(yán)格要求，傳統(tǒng)設(shè)計方法不能適應(yīng)其需求。近零能耗建筑設(shè)計強調(diào)基于性能目標(biāo)導(dǎo)向的定量化設(shè)計分析與優(yōu)化，同時兼顧經(jīng)濟性[1]。隨著計算機技術(shù)在建筑行業(yè)的發(fā)展，性能模擬、建筑信息建模等工具作用在近零能耗設(shè)計過程發(fā)揮越來越重要的作用。有必要采用一種高效集成的模式，建構(gòu)起近零能耗建筑性能設(shè)計平臺，依托平臺建構(gòu)數(shù)據(jù)搜集與分析功能，在平臺上建立標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計流程，實現(xiàn)協(xié)同工作模式，達(dá)到建筑能耗及經(jīng)濟目標(biāo)。

本文從近零能耗建筑性能化設(shè)計平臺的性能設(shè)計流程、設(shè)計工具及接口、技術(shù)經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫三個方面進(jìn)行研究，并展示其在實際案例的應(yīng)用，為其他類似項目提供數(shù)據(jù)支持與分析工具。

1 近零能耗建筑性能化設(shè)計流程

目前，常規(guī)建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計方法，均是首先判斷建筑物的體形系數(shù)、窗墻比、圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)等熱工性能參數(shù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)中的限值規(guī)定，如符合則可直接判定達(dá)標(biāo)，不符合則按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法權(quán)衡判定（圖1）。居住建筑權(quán)衡判定的指標(biāo)為建筑物耗熱量指標(biāo)，公共建筑一般采用參照建筑對比法。權(quán)衡判斷達(dá)標(biāo)時，也可判定建筑節(jié)能達(dá)標(biāo)。

而在近零能耗建筑的設(shè)計過程中，設(shè)計師應(yīng)本著被動優(yōu)先、主動優(yōu)化的原則，借鑒傳統(tǒng)建筑被動式措施，根據(jù)不同地區(qū)的特點進(jìn)行建筑平面總體布局、朝向、體形系數(shù)、開窗形式、采光遮陽、室內(nèi)空間布局的適應(yīng)性設(shè)計[2]。在此基礎(chǔ)上，通過性能化設(shè)計方法優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)保溫、隔熱、遮陽等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，最大限度地降低將建筑供暖供冷需求降低到極小，結(jié)合不同的機電系統(tǒng)方案，可再生能源應(yīng)用方案，設(shè)計運行與控制策略，將設(shè)計路線和關(guān)鍵參數(shù)帶入專用近零能耗建筑性能模擬分析軟件，定量分析是否滿足預(yù)先設(shè)定的超低能耗目標(biāo)以及其他技術(shù)經(jīng)濟目標(biāo)，并根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計，最終確定滿足性能目標(biāo)的設(shè)計方案（圖2）。

圖1 常規(guī)建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計流程

圖2 近零能耗建筑設(shè)計流程

2 近零能耗建筑性能分析工具

2.1 常用分析工具

近零能耗建筑設(shè)計應(yīng)在滿足高室內(nèi)環(huán)境要求的基礎(chǔ)上，最大限度降低建筑能耗，綜合考慮經(jīng)濟成本。其中，建筑能耗、熱工、被動式設(shè)計效果等性能分析的常用模擬軟件工具如表1～3 所示。

表1 能耗計算軟件對比

表2 熱橋計算軟件對比

表3 自然通風(fēng)計算軟件對比

2.2 常用軟件接口

隨著建筑信息建模（BIM）技術(shù)的應(yīng)用，各種性能分析軟件和建模軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接非常重要。

2.2.1 數(shù)據(jù)傳遞分類

按對象不同可以分為以下幾種：

1）CAD 格式文件

該類數(shù)據(jù)仍然屬于二維數(shù)據(jù)格式，僅平面數(shù)據(jù)可用，需要在三維模式中進(jìn)行實體建模。

2）RVT 格式文件

該類數(shù)據(jù)為三維體模型。其數(shù)據(jù)支持與基礎(chǔ)IFC格式進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出，屬于完整的BIM 數(shù)據(jù)?？芍苯邮褂酶鞣N軟件或插件進(jìn)入到輔助設(shè)計軟件當(dāng)中。

3）CAT 格式文件

該類數(shù)據(jù)為三維體模型。三維信息較為齊全，但是不含構(gòu)件具體信息。支持轉(zhuǎn)換為IGS，STP 等通用三維體模型格式，與CFX 等能較為方便對接。

4）SKP 格式文件

該數(shù)據(jù)類型為三維體模型，支持3ds 和RVT 格式的限制轉(zhuǎn)換，可以與CFX 等其他軟件對接。

5）3DS，VRML 格式文件

該數(shù)據(jù)類型為三維面模型，目前最適合在Ecotect等軟件中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程與路線

目前建模軟件無法完全兼顧所有模擬需求的接口，可考慮兼容性好的模型作為中轉(zhuǎn)軟件，盡量使用一模多算集成軟件，減少模型轉(zhuǎn)換中數(shù)據(jù)失真。實際的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程如圖3 所示[3]。

圖3 三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示例

3 節(jié)能技術(shù)與成本數(shù)據(jù)庫

本次外窗的調(diào)研參數(shù)基于測試標(biāo)窗的基礎(chǔ)上的（如圖4），測試標(biāo)窗的尺寸為1500 mm×1500 mm，有一個開啟扇，可內(nèi)平開并上懸?；谥饕科沸阅芘c價格構(gòu)建“性能-價格”數(shù)據(jù)庫，示例如圖5～7。

圖4 標(biāo)窗窗型

圖5 電動遮陽價格圖

圖6 外窗價格與傳熱系數(shù)關(guān)系

圖7 保溫價格與傳熱系數(shù)關(guān)系

4 項目應(yīng)用

4.1 工程概況

項目建設(shè)地點位于河北省保定高碑店市高鐵新城。項目一期用地面積134569.57 m2，地上建筑面積336388.17 m2。該項目30 棟住宅，6 棟展示用房，以及1所幼兒園。

4.2 性能化指標(biāo)要求

表4 為該項目一期建筑性能化指標(biāo)。

表4 列車新城項目一期建筑性能化指標(biāo)

4.3 節(jié)能措施

1）圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)指標(biāo)

圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)指標(biāo)如表5～6。

表5 列車新城項目一期圍護結(jié)構(gòu)非透光部分熱工性能參數(shù)

表6 列車新城項目一期外門窗性能參數(shù)

2）氣密性

外窗采用三道耐久性良好的密封材料密封。外門窗氣密性等級不應(yīng)低于8 級、水密性等級不低于6 級、抗風(fēng)壓性能等級不低于9 級。

3）自然采光設(shè)計

通過減少建筑進(jìn)深，增加開敞空間和透明隔斷，增加南北立面開窗，提高室內(nèi)采光系數(shù)，應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計方法，通過模擬計算與形體設(shè)計的交互，實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化。

4）自然通風(fēng)設(shè)計

在冬季，由于本建筑與其南、北側(cè)樓之間沒有比較寬的風(fēng)通道，不會出現(xiàn)風(fēng)速超過4 m/s 的情況。夏季主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)，主要房間均為南北開窗，通過減小南北方向建筑進(jìn)深，注意采用南北的內(nèi)隔斷開啟，營造良好的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境，在過渡季和初夏，夏末提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。

5）冷熱源與機械通風(fēng)系統(tǒng)

住宅舒適性空調(diào)系統(tǒng)采用熱泵型新風(fēng)熱回收一體機，分戶設(shè)置。

4.4 性能分析流程

從節(jié)能敏感性分析可以看到，外窗傳熱系數(shù)以及SHGC 值對節(jié)能影響最大，外墻屋頂保溫、遮陽、新風(fēng)一體機設(shè)備的影響均較大（圖8）。

圖8 各圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對空調(diào)季冷熱負(fù)荷指標(biāo)的綜合影響

4.5 增量成本分析

根據(jù)近零能耗建筑技術(shù)成本數(shù)據(jù)庫及項目使用數(shù)量，統(tǒng)計示范工程的增量成本如表7。

表7 列車新城項目一期近零能耗增量成本分析

5 結(jié)論

本文提出面向BIM 設(shè)計、性能模擬應(yīng)用的近零能耗建筑設(shè)計平臺，圍繞設(shè)計流程、分析工具、技術(shù)經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫三個方面對研究成果和項目應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，為近零能耗設(shè)計項目提供參考。