民居建筑外墻圍護(hù)低能耗控制方法仿真

楊 勇，劉顯成

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434000)

1 引言

如今，我國(guó)很多建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗逐漸增長(zhǎng)，與上個(gè)世紀(jì)同一時(shí)期相比，上升了百分之四十左右，占社會(huì)總能耗的很大比例。國(guó)內(nèi)的建筑節(jié)能水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比相差較大，建筑能耗浪費(fèi)問題十分嚴(yán)重。傳統(tǒng)的建筑施工過程中，施工現(xiàn)場(chǎng)會(huì)遺留大量的手工作業(yè)工具，很多濕作業(yè)也都需要在施工現(xiàn)場(chǎng)完成，要想控制能耗首要就是對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)完成有效控制。民居建筑的能耗控制主要集中在對(duì)外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗控制上，傳統(tǒng)的民居建筑施工與工業(yè)化建筑施工有所不同，民居建筑的施工現(xiàn)場(chǎng)的能耗控制還未形成合適的清單，對(duì)于能耗的控制方法主要依賴于從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，沒有完善的控制政策。因此對(duì)民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制進(jìn)行仿真，降低民居建筑的能耗消耗，提高施工階段能耗控制的科學(xué)性。

姜雷等人提出了一種基于被動(dòng)式分析的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗設(shè)計(jì)方案，在獲取建筑外圍結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)基礎(chǔ)上，利用被動(dòng)式分析法，計(jì)算出建筑外墻的組織部分的熱阻值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，該方案可以有效降低木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑外圍的能耗。秦力等人為了研究建筑物外圍結(jié)構(gòu)的熱工性能，以民居建筑物為例進(jìn)行研究，首先利用紅外檢測(cè)技術(shù)，對(duì)民居建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定建筑物的熱工缺陷問題。結(jié)合相關(guān)技術(shù)測(cè)試民居建筑物外圍結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。結(jié)果表明，民居建筑物的門窗銜接處存在熱工缺陷，墻體本身的傳熱系數(shù)超出指165.23%，室內(nèi)的采暖耗熱量大。吳賢國(guó)等人為了實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑外墻能耗的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，在建筑設(shè)計(jì)階段通過Designbuilder能耗分析軟件構(gòu)建建筑能耗BIM模型，根據(jù)建筑物外圍能耗數(shù)據(jù)的采集結(jié)果，模擬出數(shù)據(jù)樣本集，利用小波函數(shù)預(yù)測(cè)建筑物的能耗數(shù)據(jù)，并將預(yù)測(cè)的進(jìn)行帶入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行集中訓(xùn)練，結(jié)果表明，該模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出建筑物的能耗。

雖然以上研究成果的應(yīng)用效果較好，但是均無法保證建筑室內(nèi)的氣密性。為此，本文提出一種建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制方法，進(jìn)一步滿足建筑室內(nèi)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

2 外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制

2.1 民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的超低能耗

為分析民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的超低能耗，首先建立BIM模型，基于BIM模型對(duì)民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗進(jìn)行分析，假設(shè)λ代表外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，表示在民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍環(huán)境因素穩(wěn)定的情況下，溫度為1℃時(shí)在1平方米建筑面積內(nèi)的傳導(dǎo)熱量。為熱流系數(shù)，代表民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)境變化與溫度波動(dòng)作用后的熱流量。為吸熱系數(shù)，代表民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體表面吸熱量。ψ為透射率，代表日光穿過玻璃時(shí)建筑物室內(nèi)外溫度差。

基于BIM模型對(duì)民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗分析的原理如圖1所示。

基于BIM模型對(duì)民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗進(jìn)行分析時(shí)，首先需要采集民居建筑外圍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)信息，并將得到的信息進(jìn)行權(quán)重分析，并將上述提到的傳熱系數(shù)λ、熱流系數(shù)δ、吸熱系數(shù)ξ和透射率ψ導(dǎo)入到BIM模型中，構(gòu)建民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗模型，通過對(duì)建筑設(shè)計(jì)信息的設(shè)置，以及地理信息和氣候信息的設(shè)定，分析民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗環(huán)境，并對(duì)影響民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的影響因素進(jìn)行仿真模擬，分析各因素的影響程度，結(jié)合分析結(jié)果確定最優(yōu)的民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制方案。

圖1 民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗分析

2.2 民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗模型

首先，利用反應(yīng)系數(shù)法計(jì)算出民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)，設(shè)數(shù)據(jù)采集的間隔為60min，利用導(dǎo)熱多次波原理，求得采集數(shù)據(jù)的離散分量，在時(shí)間段內(nèi)，對(duì)民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際能耗值計(jì)算公式為

(1)

式中，為當(dāng)前民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的物理導(dǎo)熱指數(shù)，為民居建筑外墻在太陽能的作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合作用系數(shù)，為當(dāng)前民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際溫度，該數(shù)值為一般常數(shù)，公式中的表示外墻溫度對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

根據(jù)上述公式計(jì)算出民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際能耗值后，可以確定導(dǎo)熱量()與當(dāng)前墻體導(dǎo)熱系數(shù)之間的比例關(guān)系，如下式

(2)

在上述公式中，為當(dāng)前民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度的實(shí)際變化情況，表示外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗材料的換熱比值。

根據(jù)式(2)的比例關(guān)系，可以計(jì)算出民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)在太陽能輻射下的導(dǎo)熱系數(shù)極限值，計(jì)算公式如下

(3)

式中，代表當(dāng)前通過民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱量；表示民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱輻射面積；和表示民居建筑墻體內(nèi)外的溫度值。利用值，計(jì)算出民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱力密度，計(jì)算公式如下

(4)

根據(jù)上述可以看出，民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳導(dǎo)熱系數(shù)的目標(biāo)函數(shù)為

(5)

其中，表示外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗材料在最佳換熱系數(shù)下的能耗，表示外墻熱量散發(fā)與滲透的負(fù)荷。

為了運(yùn)用上述數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)當(dāng)前建筑物內(nèi)的溫度確定民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗值，對(duì)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)材料溫度關(guān)系進(jìn)行確定。

假設(shè)當(dāng)前民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)在時(shí)段內(nèi)的總能耗為，結(jié)合室內(nèi)外溫度和，構(gòu)建函數(shù)比例方程式

(6)

其中，表示民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最佳能耗系數(shù)，?表示為墻體能耗的熱轉(zhuǎn)換率。由于要計(jì)算民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的超低能耗值，因此式(6)需要滿足0≤≤的約束。

假設(shè)在當(dāng)前時(shí)段的能耗值一定，則得到民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗模型為

(7)

根據(jù)以上計(jì)算過程，構(gòu)建了民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗模型。

2.3 設(shè)計(jì)建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制流程

在分析民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗和建立民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗模型的基礎(chǔ)上，控制建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗，在建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)管理模型下，建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗控制的決策函數(shù)為

(8)

對(duì)獲取的建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗資源進(jìn)行信息重構(gòu)，可用下式描述

(9)

結(jié)合模糊控制方法，對(duì)建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗控制進(jìn)行決策調(diào)度，在建立的民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗模型中，對(duì)建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的管理信息和相關(guān)特征進(jìn)行提取，得到民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗的反饋函數(shù)為

(∣)=(∣)+

(∣)-(；?∣)

(10)

式中，(∣)表示調(diào)度函數(shù)，(∣)表示特征挖掘函數(shù)，(；?∣)表示自適應(yīng)學(xué)習(xí)函數(shù)。

當(dāng)反饋節(jié)點(diǎn)在(0，2)范圍內(nèi)時(shí)，表示民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗在控制范圍內(nèi)，對(duì)建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗特征量進(jìn)行挖掘，得到特征挖掘輸出為

(∣)=(∣)+(∣)

(11)

此時(shí)的民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗量為

=[，2-，2]+，2

(12)

其中，表示外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗量，，2表示施工結(jié)束后的能耗，，2表示施工的初始能耗。

根據(jù)上述的計(jì)算過程，設(shè)計(jì)建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制流程，如圖2所示。

圖2 建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制流程

綜上所述，根據(jù)建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗控制的決策函數(shù)，重構(gòu)外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗資源信息，結(jié)合模糊控制方法，建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗的反饋函數(shù)，完成建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗的控制。

3 仿真分析

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為了驗(yàn)證文中能耗控制方法的性能，仿真分析過程中，選取湖北省某民居建筑外墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，該結(jié)構(gòu)的平面布置如圖3所示。

根據(jù)建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平面布置情況，對(duì)試驗(yàn)房間進(jìn)行改造，兩個(gè)房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)

圖3 建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.2 民居建筑性能測(cè)試

當(dāng)關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)和門窗時(shí)，將干冰均勻撒入整個(gè)房間測(cè)試室內(nèi)的二氧化碳濃度，待室內(nèi)濃度穩(wěn)定不變時(shí)，計(jì)算室內(nèi)的換氣率，公式為：

(13)

其中，表示室內(nèi)二氧化碳濃度的初始值，表示間隔1小時(shí)后的二氧化碳濃度，表示室內(nèi)空氣中的二氧化碳濃度。

房間內(nèi)二氧化碳濃度變化曲線如圖4所示。

圖4 房間內(nèi)二氧化碳濃度變化曲線

圖4的結(jié)果可以看出，利用文中提出的建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制方法對(duì)試驗(yàn)房間的外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超低能耗控制以后，房間內(nèi)的二氧化碳濃度明顯提升，大大提高了房間整體氣密性，經(jīng)計(jì)算，對(duì)照房間和試驗(yàn)房間的平均空氣滲漏換氣次數(shù)分別為1.136h和1.347h，因此可以看出試驗(yàn)房間可以滿足超低能耗民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性要求，對(duì)照房間所使用的雙層中空玻璃可以達(dá)到7級(jí)的氣密性，兩個(gè)房間的氣密性都比現(xiàn)行的民居建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)1 h高。

在滿足民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性要求前提下，得到建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗變化曲線如圖5所示。

圖5 建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗變化曲線

圖5的結(jié)果可以看出，在兩個(gè)房間的氣密性都滿足超低能耗民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性要求前提下，利用文中提出的建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制方法對(duì)試驗(yàn)房間的外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超低能耗控制以后，建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗更低，可以控制在40kJ以內(nèi)，而對(duì)照房間的能耗卻高達(dá)100kJ，因此可以看出，提出的外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制方法在滿足外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性同時(shí)，還可以降低建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗。

4 結(jié)束語

本文提出了民居建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)超低能耗控制仿真研究，仿真結(jié)果顯示，建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過超低能耗控制之后，房間的氣密性更好，從而達(dá)到現(xiàn)行民居建筑的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望能夠提升可再生能源在民居建筑中的應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)零能耗的目標(biāo)。