既有建筑熱環(huán)境舒適度模擬及節(jié)能優(yōu)化分析

王文韜 顏禧妮

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)浦口校區(qū)信息管理學(xué)院，江蘇 南京210031）

1 概述

隨著能源消耗問題的日益加重，現(xiàn)實(shí)證明，合理的利用資源才是人類生存的長久之計(jì)。在建筑領(lǐng)域，建筑總能耗現(xiàn)今已達(dá)到國家能源消耗的32%，搭建房屋建筑所需建筑材料能耗約達(dá)13%，建筑能源消耗總量已經(jīng)達(dá)到全國能源消耗的45%左右[1]，其中既有建筑中圍護(hù)結(jié)構(gòu)在建筑總能耗中所占比例高達(dá)72%，故既有建筑建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造問題的解決迫在眉睫[2-3]。同時(shí)，隨著生活水平的提高，居民對(duì)于建筑舒適度的要求也不斷提高，因此提升建筑熱環(huán)境舒適度也顯得尤為重要[4]。針對(duì)以上問題，本文采用ECOTECT 軟件，通過制定并對(duì)各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造方案進(jìn)行模擬分析，得出各方案的節(jié)能情況和熱環(huán)境舒適情況，為建筑節(jié)能提供依據(jù)。

2 既有建筑概況及節(jié)能方案的確定

2.1 既有建筑概況

本文選取是一棟具有代表意義，位于南京市浦口區(qū)某小區(qū)的住宅建筑。該建筑為磚混結(jié)構(gòu)，建造于1997 年，坐北朝南，共4 單元，其中各單元戶型相同，建筑長88.8m，寬18.0m，建筑面積3196.8m2，一般層高2.8m，高度25.2m，建筑的CAD 圖紙如圖1 所示。

經(jīng)過對(duì)建筑的實(shí)地調(diào)研以及相關(guān)資料的查找，最終得到其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料及構(gòu)造組成，計(jì)算得出各個(gè)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)，匯總?cè)绫? 所示。

2.2 節(jié)能改造方案的確定

對(duì)于既有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案，目前方法的選取通常是在已有的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加保溫隔熱的材料層，從而達(dá)到減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的目的，降低需要維持室內(nèi)舒適溫度的能源消耗。

圖1 建筑CAD 圖紙

表1 原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

表2 原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

結(jié)合著本既有建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及南京地區(qū)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則，分別從外墻改造、外窗改造、添加遮陽結(jié)構(gòu)三個(gè)方面擬定了6 項(xiàng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造方案，各方案的材料結(jié)構(gòu)構(gòu)成及導(dǎo)入系數(shù)指標(biāo)如表2 所示。

3 原建筑及各改造方案能耗模擬

結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行簡化處理，在軟件ECOTECT 中建立模型，選擇南京市的CSWD 氣候數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)氣候參數(shù)；根據(jù)實(shí)際建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻、窗及屋頂?shù)牟牧蠘?gòu)成、構(gòu)造做法和布局形式賦予材質(zhì)，計(jì)算并賦予對(duì)應(yīng)參數(shù)；同時(shí)，根據(jù)建筑的實(shí)際情況設(shè)置室內(nèi)人員數(shù)量及熱環(huán)境的基本情況，最終模型可視化圖形如圖2 所示。

3.1 總能源消耗量對(duì)比分析

對(duì)于建筑能源消耗，通常是指在維持保證建筑正常功能的建筑物在運(yùn)營過程所消耗的能量，包括室內(nèi)暖通空調(diào)、家用照明電器等消耗，其中，暖通空調(diào)在建筑能耗中占據(jù)較大部分，ECOTECT 軟件即可以計(jì)算模擬建筑物總體和部分的逐月及年總能耗數(shù)據(jù)。將原圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料與各改造方案進(jìn)行能耗分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理可得到圖3。

由結(jié)果可知，A 方案、B 方案和C 方案三方案的能源消耗量相近，且均有較好的節(jié)能效果，D 方案和E 方案的能源消耗量相近，而原建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和F 方案的能源消耗量最多。A-E 種改造方案均能達(dá)到能降低該建筑的能源消耗量，據(jù)此便可知導(dǎo)熱系數(shù)U 小、傳熱能力弱、保溫性高的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于能耗的降低是有利的。

圖2 建筑模型

據(jù)結(jié)果從總能源消耗的角度，針對(duì)南京地區(qū)的既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造，改造外墻體的節(jié)能效果比改造外窗的節(jié)能效果略有優(yōu)勢。

圖3 年總能耗對(duì)比

3.2 逐月能源消耗量對(duì)比分析

將各個(gè)方案的逐月能源消耗模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理可得結(jié)果如圖4。

圖4 逐月能耗對(duì)比

根據(jù)分析結(jié)果可知，逐月能耗模擬結(jié)果與總能耗結(jié)果有一定差異，其中10 月～4 月和5 月期間，6 種方案能源消耗量呈明顯的兩端高低相差較大，處于中間的方案能耗較少，基本與總能源消耗量趨勢一致。

同時(shí)，4 月D 方案和E 方案能耗量高于A、B 和C 方案，表示外窗U 值小、傳熱性能低且保溫較好，當(dāng)環(huán)境由低溫至高溫過度時(shí)期對(duì)于能耗的降低不利。主要原因?yàn)槭彝鉁囟然厣?，外窗由于傳熱能力過低而不利于室內(nèi)外溫度的傳遞，居民則覺得冷，進(jìn)而采用暖通空調(diào)的或其它方式使高室內(nèi)溫度達(dá)到舒適狀態(tài)，結(jié)果導(dǎo)致能耗量提升。11 月份時(shí)D 方案和E 方案能耗量也同樣高于A、B 和C 方案，室外環(huán)境氣候從高溫轉(zhuǎn)變到低溫時(shí)，室外低溫不易被導(dǎo)入室內(nèi)，室內(nèi)居民覺得熱故使用空調(diào)或其它方式溫，結(jié)果導(dǎo)致能耗量增加。

其中，6 月～8 月六種方案的能源消耗降低量沒有11 月～3月那么明顯，表現(xiàn)出保溫隔熱性能好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在冬天對(duì)于能耗是有益的，但在夏季節(jié)能的效果不是很明顯。

4 原建筑及各改造方案熱環(huán)境舒適度模擬

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱比率分析

ECOTECT 軟件可以對(duì)被動(dòng)組分得熱進(jìn)行分析，從而在一定程度上反映出建筑的熱環(huán)境情況，并可以將逐日得失熱狀況表現(xiàn)在一張圖中，得到各內(nèi)容所比例、有圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱、綜合溫度產(chǎn)熱、太陽直射輻射、冷風(fēng)滲透、內(nèi)部人員等方面的得失熱共六項(xiàng)。

對(duì)原建筑情況及6 種方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)全年得失熱量進(jìn)行分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 各方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱百分比

由圖5 可知，E 方案和D 方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量的比率相近，A、B 方案和C 方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量百分比相近，原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和F 方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量的百分比率相對(duì)較大，然而雖然不同的改造方案之間有差距，但總體上變化波動(dòng)幅度不大，則可說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變對(duì)于建筑整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱失熱量百分比率的影響較小。6 種方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量百分比中A-E 方案整體相較于原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)呈下降趨勢,失熱量與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性是成正比的，同時(shí)也由于F 方案未有改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)，故其失熱量相較于原方案并未有太大的變化。其中C 方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量百分比最低，這個(gè)結(jié)果與總能耗模擬結(jié)果一致，由于其導(dǎo)熱系數(shù)相較而言為一個(gè)最優(yōu)的情況。

4.2 熱舒適度參數(shù)PMV-PPD 指標(biāo)的計(jì)算

表3 各改造方案PPD、PMV 指標(biāo)

5 結(jié)論

本文通過對(duì)南京市既有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同節(jié)能改造方案進(jìn)行模擬分析，最終得到以下結(jié)論：

5.1 針對(duì)南京地區(qū)氣候特點(diǎn)和既有建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻體、外窗的材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)成以降低其導(dǎo)熱系數(shù)，提升保溫隔熱性能，能夠有效的達(dá)到減少建筑能源消耗、降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱百分比、提升建筑物室內(nèi)熱環(huán)境舒適度的目的。而僅僅的增加遮陽結(jié)構(gòu)對(duì)于既有建筑的節(jié)能情況和熱環(huán)境舒適度的優(yōu)化情況效果并不明顯。

5.2 針對(duì)南京地區(qū)既有建筑節(jié)能效果方面，從總能源消耗量和逐月能源消耗的角度分析，外墻體增加保溫隔熱材料的節(jié)能效果要相對(duì)優(yōu)于采用更加節(jié)能的窗體材料和結(jié)構(gòu)；從熱環(huán)境舒適度優(yōu)化的角度，優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外窗體效果相對(duì)于更好。因此，從節(jié)能的目的出發(fā)，應(yīng)優(yōu)先選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻體節(jié)能改造。結(jié)合本既有建筑的實(shí)際情況，最佳的方案為E 方案。

5.3 對(duì)于今后建筑的建造，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段即考慮建筑能耗以及熱環(huán)境舒適度情況的模擬與分析，本文即提供了一種具有實(shí)際參考意義的方法思路，通過控制變量法結(jié)合Ecotect Analysis 軟件模擬的對(duì)比分析，選擇出最有利于建筑需求的方案進(jìn)行施工。