基于軟件模擬的超低能耗建筑能耗狀況分析

王萌 姜?dú)J青

（江西省建筑技術(shù)促進(jìn)中心，江西 南昌 330000）

廣義上的建筑物能耗是指建筑產(chǎn)品在全生命周期內(nèi)所產(chǎn)生的建筑物能耗，而建筑物一直是能耗“大戶”，其節(jié)能減排效果影響能源消費(fèi)總量控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，所以為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，則需要相關(guān)學(xué)者正確評(píng)估各種因素對(duì)建筑物能耗的影響，這在一定程度上推動(dòng)了超低能耗建筑物的出現(xiàn)。但是關(guān)于超低能耗建筑物的能耗問題一直缺乏詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)，利用現(xiàn)代化信息軟件深入分析建筑物能耗變化則成為解決這一問題的關(guān)鍵點(diǎn)，值得關(guān)注。

1 軟件簡(jiǎn)介

為有效評(píng)估建筑能耗水平，本文將借助Ecotect Analysis生態(tài)建筑大師軟件做進(jìn)一步研究。

EcotectAnalysis屬于全面技術(shù)性能分析設(shè)計(jì)軟件，與傳統(tǒng)軟件相比，該軟件支持交互式分析方法來判斷軟件既定功能，在數(shù)據(jù)處理中只需要設(shè)置一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，通過該模型即可獲得詳細(xì)的局部數(shù)據(jù)。同時(shí)EcotectAnalysis軟件可以提供大量即時(shí)分析數(shù)據(jù)，例如在模型中通過改變房間的布局或者局部材質(zhì)的方法，即可獲得設(shè)計(jì)方案改變前后建筑物的混響時(shí)間、室內(nèi)照度等數(shù)據(jù)；或者在軟件中變化窗戶的位置即可了解窗戶變化后對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響的。同時(shí)該軟件具有良好的實(shí)用性可以支持“DXF”、“3DS”等不同格式的輸出，可以與不同軟件完成交互。

同時(shí)從建筑物能耗評(píng)估的角度來看，EcotectAnalysis軟件自身可以借助不同物理環(huán)境模擬的方法來進(jìn)行評(píng)估，與傳統(tǒng)的建筑物能耗分析軟件相比，該軟件可以借助多樣化圖形手段，利用圖形來展示建筑物的能耗變化情況，并且能夠與建筑物熱環(huán)境、能耗、聲環(huán)境等諸多指標(biāo)完成集成，具有先進(jìn)性。

2 超低能耗建筑物的能耗狀況評(píng)價(jià)

2.1 工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某建筑物墻體為370mm實(shí)心黏土磚雙面抹灰墻，其體形系數(shù)為0.395，明顯低于規(guī)定值。改造后的建筑物屬于集會(huì)議、餐飲以及住宿為一體的綜合性建筑物，其中住宿面積占比約為50%，集中在建筑物的左側(cè)部位；右側(cè)為餐廳，餐廳后方為廚房。由此可見，整個(gè)建筑物的功能分區(qū)明顯，易于辨別。

2.2 制定檢測(cè)方案

在本次超低能耗評(píng)價(jià)中，考慮到建筑物空調(diào)系統(tǒng)是造成能耗的主要原因，而空調(diào)系統(tǒng)的使用又與溫度之間存在密切關(guān)系。所以在本次研究中將重點(diǎn)針對(duì)建筑物的溫度變化展開研究，并兼顧當(dāng)?shù)貧夂蜃兓纫蛩氐挠绊憽?/p>

本次檢測(cè)中所使用的設(shè)備主要包括：1）自記溫濕度計(jì)，為THL0G型號(hào)；2）安吉侖數(shù)據(jù)采集儀，型號(hào)為Agilent34970A；3）風(fēng)速儀，型號(hào)RHAT-301；4）紅外測(cè)溫儀，型號(hào)RAYMX2C；5）太陽輻射儀，型號(hào)PC-2。

整個(gè)試驗(yàn)過程約為10d，通過在建筑物內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，測(cè)試點(diǎn)包括：1）雙框三玻璃節(jié)能窗的內(nèi)外側(cè)以及空氣間層等；2）房建內(nèi)外墻面、屋頂內(nèi)側(cè)以及梁柱部位等；3）每個(gè)房間各設(shè)置一支自記溫濕度計(jì)；4）樓道與大廳位置設(shè)置一支自記溫濕度計(jì)；5）門斗位置設(shè)置一支自記溫濕度計(jì)（該部位需做遮陽處理）；6）在向陽面與背陰面設(shè)置太陽輻射儀。整個(gè)采集過程中，采集周期為30min，由裝置自行記錄設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。室內(nèi)采樣點(diǎn)與地面的高度差為1.5m。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

2.3.1 門斗與大廳溫度測(cè)試結(jié)果

該建筑物的入口位置為一個(gè)全玻璃包裹的門斗，溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示在下午約14：00出現(xiàn)最高溫度約為29.81℃；最低 溫度 出 現(xiàn) 在9：00左 右，約 為1.94℃，整體溫度起伏較為明顯。相比之下，大廳內(nèi)部的溫度變化相對(duì)平穩(wěn)，其中的最高溫度達(dá)到了29.19℃，最低溫度為20.94℃，符合建筑物室內(nèi)溫度控制的基本要求。

2.3.2 室內(nèi)外溫濕度測(cè)試

在本次測(cè)試過程中針對(duì)建筑物南北向的建筑物進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，房間中的溫濕度相對(duì)穩(wěn)定，室外氣候波動(dòng)的影響不明顯，房間中的溫濕度差異不明顯；多次檢測(cè)結(jié)果證明，室內(nèi)平均溫度≥20℃，平均濕度維持在40%-50%范圍內(nèi)，體現(xiàn)出當(dāng)前建筑物的節(jié)能保溫措施科學(xué)有效，可以使建筑物的內(nèi)部物理環(huán)境趨于穩(wěn)定。

2.3.3 窗戶表面溫度測(cè)試結(jié)果

針對(duì)建筑物中容易散熱的部位，窗戶的性能直接影響室內(nèi)熱環(huán)境等指標(biāo)，所以為了深入了解該建筑物的窗戶與節(jié)能效果之間的相關(guān)性，本文將針對(duì)窗戶的相關(guān)溫濕度系數(shù)展開進(jìn)一步檢測(cè)。本次實(shí)驗(yàn)中溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 溫度對(duì)比結(jié)果圖

根據(jù)圖1所介紹的相關(guān)資料可以發(fā)現(xiàn)，窗戶內(nèi)外各點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)基本相同，溫度基本呈現(xiàn)出由內(nèi)到外緩慢降低的變化趨勢(shì)，建筑物中內(nèi)框內(nèi)表面與外框外表面的溫差與室內(nèi)外溫差變化趨勢(shì)基本相同。同時(shí)窗戶外側(cè)表面與室內(nèi)墻體表面的溫度差值約為4.0℃，這一結(jié)果證明窗戶散熱性能明顯下降，可以避免窗戶處熱橋的發(fā)生，提示窗戶的傳熱性能與墻體基本相同，這一結(jié)果符合建筑物低能設(shè)計(jì)的要求。

3 能耗模擬分析

從建筑物能耗管理的角度來看，在已知建筑物各個(gè)構(gòu)造部位具體情況以及所使用材料性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑物的能耗做模擬分析，可以判斷出建筑物在不同時(shí)間段的能耗變化情況，這種方法不僅可以最大限度上建筑物后期運(yùn)行中的能耗，也有助于優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)方案，減少后續(xù)不必要的節(jié)能改造技術(shù)方案。所以本文將借助EcotectAnalysis生態(tài)建筑大師軟件進(jìn)行分析，通過該軟件來判斷建筑物不同時(shí)間段的能耗情況，并與當(dāng)?shù)氐湍芎慕ㄖ镏械南嚓P(guān)條例相對(duì)比，根據(jù)其中的數(shù)據(jù)誤差可以判斷建筑物能耗是否符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 建筑物的建模

在EcotectAnalysis生態(tài)建筑大師軟件中，通過Zone為單元將整個(gè)空間進(jìn)行快速劃分定位，按照“局部→整體”的設(shè)計(jì)流程來判斷建筑物能耗；期間在模型中Zone的內(nèi)部元件可以用不同顏色進(jìn)行展示，提升了整個(gè)模型中的分區(qū)結(jié)果精度，有助于快速定位。因此案例工程項(xiàng)目中模型的建立方案如圖2所示。

圖2 模型建立最終結(jié)果

同時(shí)在該模型中，根據(jù)EcotectAnalysis軟件中沒有提供的構(gòu)造或者材料，工作人員可以直接在該模型上進(jìn)行編輯，在輸入不同的控制指令后，計(jì)算出建筑物特定構(gòu)造的能耗信息。

3.2 設(shè)置相關(guān)參數(shù)

在按照?qǐng)D2設(shè)置相關(guān)模型后即可設(shè)置模型的區(qū)域?qū)傩詤?shù)，此時(shí)需要設(shè)置的數(shù)據(jù)包括內(nèi)部居民數(shù)量、系統(tǒng)類型以及能耗設(shè)備等數(shù)據(jù)。

3.2.1 GeneralSettings

在GeneralSettings設(shè)置中，需要設(shè)置的信息包括：室內(nèi)基本設(shè)計(jì)條件、陰影與反射裝置、人員與運(yùn)行等基本數(shù)據(jù)。具體可分為：1）室內(nèi)設(shè)計(jì)條件可以包括相對(duì)濕度、室內(nèi)照度、風(fēng)速以及衣著量等數(shù)據(jù)，可以自行定義其中的相關(guān)數(shù)據(jù)，例如人在室內(nèi)穿著褲子與襯衫，這種衣著量可以定義為“1”；相應(yīng)的人若在室內(nèi)穿褲子與棉服，可以將衣著量定義為“3”等。其他數(shù)據(jù)可以為實(shí)測(cè)值，如室內(nèi)的相對(duì)濕度、室內(nèi)風(fēng)速以及室內(nèi)照度等；2）“人員與運(yùn)行”則包括室內(nèi)人員情況，室內(nèi)得熱水平與“不舒適度”相匹配。其中室內(nèi)人員情況包括房間中人的數(shù)量、人員活動(dòng)情況以及人員活動(dòng)時(shí)間表等；室內(nèi)得熱情況則是包括各種電氣設(shè)備所產(chǎn)生的熱能。以客房為例，在計(jì)算該指標(biāo)中可以按照下列參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，及照明系統(tǒng)功率值為15W/m，電氣設(shè)備功率值為20W/m等，并且根據(jù)室內(nèi)建筑物中電氣設(shè)備的增減數(shù)量作出調(diào)整；3）室內(nèi)得熱包括各種小型電熱器或者燈具等裝置給建筑物帶來的顯熱得熱與潛熱得熱，根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，在計(jì)算顯熱得熱與潛熱得熱時(shí)，可以按照“（室內(nèi)燈具+小型電氣銘牌功率）×33%”的方法進(jìn)行計(jì)算。以正常的房間為例，假設(shè)房間的照明功率密度值達(dá)到了15W/m，而電氣設(shè)備的功率值達(dá)到了20W/m，則按照上述公式可以計(jì)算出顯熱得熱與潛熱得熱約為12W/m。同時(shí)考慮到顯熱得熱與潛熱得熱的比例受到計(jì)算溫度與濕度等因素影響，按照影響比重權(quán)重，可以按照設(shè)定的70%：30%的比例計(jì)算。

3.2.2 熱環(huán)境屬性

在熱環(huán)境屬性中則主要包括了建筑物中暖空空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，一般可以將其細(xì)分為有效系統(tǒng)與舒適溫度區(qū)間兩個(gè)范圍，其中有效系統(tǒng)與建筑物中暖通系統(tǒng)的功能類型對(duì)接，即不同類型的暖空空調(diào)系統(tǒng)的取值結(jié)果不同；而舒適溫度區(qū)間則是指居民在室內(nèi)感受到舒適溫度的上限值與下限值等，本次設(shè)計(jì)中將上限值設(shè)定為23℃，下限值設(shè)定為20℃，這一標(biāo)準(zhǔn)可以滿足我國絕大部分地區(qū)的規(guī)范要求。

在EcotectAnalysis系統(tǒng)中可以提供多種選項(xiàng)，包括：無系統(tǒng)、自然通風(fēng)模式、混合模式系統(tǒng)、全空調(diào)系統(tǒng)、僅采暖、僅智能等多個(gè)選項(xiàng)，在熱環(huán)境屬性模擬中可以根據(jù)建筑物的實(shí)際情況作出選擇。

3.3 氣象數(shù)據(jù)分析

氣象數(shù)據(jù)是影響建筑物能耗的重要因素，所以在建筑物設(shè)計(jì)中需要適當(dāng)采用主動(dòng)策略或者被動(dòng)策略，堅(jiān)持因地制宜的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，所以在本次軟件模擬中，應(yīng)加載案例工程項(xiàng)目的氣象數(shù)據(jù)，并且為了保證數(shù)據(jù)結(jié)果精準(zhǔn)度，本文將采用中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫中的資料進(jìn)行計(jì)算，該數(shù)據(jù)庫為國家氣象局聯(lián)合清華大學(xué)的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，包括相對(duì)濕度、太陽輻射照度、降雨量、風(fēng)向以及氣溫等。

3.3.1 太陽輻射分析結(jié)果

在本次研究中在EcotectAnalysis軟件中，選定氣象輔助軟件后直接加載項(xiàng)目所在地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)情況來判斷太陽輻射變化情況。該軟件可以識(shí)別不同環(huán)境的太陽輻射值，并按照全年過熱期、欠熱期的太陽輻射值計(jì)算出建筑物理想朝向，根據(jù)這一結(jié)果可以用于建筑物平面布局與規(guī)劃。

3.3.2 逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)分析

根據(jù)逐時(shí)氣象分析數(shù)據(jù)，可以判斷項(xiàng)目所在地區(qū)的過渡性氣溫變化情況，其中最低溫度出現(xiàn)在1月份，最高溫度出現(xiàn)在8月份；對(duì)溫度做進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)氐南鄬?duì)濕度的變化趨勢(shì)與氣溫基本相同，并且在過渡季也可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度的變化情況，其中冬季的相對(duì)濕度波動(dòng)明顯高于夏季。

3.3.3 焓濕圖策略

借助系統(tǒng)的焓濕圖策略，可以結(jié)合本地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，在焓濕圖中對(duì)各種能耗方案進(jìn)行分析與優(yōu)化，最終增強(qiáng)建筑物與周邊環(huán)境之間的互動(dòng)性，并達(dá)到降低后期運(yùn)行成本的目的，其中包括自然通風(fēng)、被動(dòng)式太陽能采暖等多種方式。

在焓濕圖上可以繪制不同的點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)分別代表了特定時(shí)間段的氣溫與濕度狀態(tài)，在數(shù)據(jù)處理中，用X坐標(biāo)表示氣溫溫度；Y坐標(biāo)表示絕對(duì)濕度；通過傾斜的虛線表示相對(duì)濕度。

但是在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)該注意的是，因?yàn)殪蕽駡D中僅僅包括了濕度與氣溫兩個(gè)物理因素之間的相關(guān)性，難以識(shí)別平均輻射溫度以及氣流速度等因素的影響，所以在焓濕圖策略中可以設(shè)定上述指標(biāo)為恒定的，無限接近平均溫度。

3.4 能耗模擬結(jié)果分析

為深入判斷建筑物在運(yùn)行過程中的能耗問題，考慮到照明、采暖、電梯、烹飪、空調(diào)以及家用電器的能耗都會(huì)影響節(jié)能效果，而在上述能耗中，占比最高的就是暖空空調(diào)系統(tǒng)（見表1），所以本文將針對(duì)暖通系統(tǒng)展開重點(diǎn)分析。結(jié)合EcotectAnalysis軟件模擬分析建筑物暖通空調(diào)的能耗，并在指示圖中展示其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，即可判斷出建筑物的能耗運(yùn)行參數(shù)。

表1 建筑物能耗的比例表

因此在選擇某年1月1日建筑物暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗問題后，從EcotectAnalysis軟件模擬結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，在軟件中可以記錄當(dāng)日室外溫度、太陽輻射強(qiáng)度以及風(fēng)速等一系列氣象數(shù)據(jù)。最終模擬結(jié)果證明，建筑物在正午時(shí)的室外溫度超過1℃，此時(shí)太陽直射強(qiáng)度與散射強(qiáng)度達(dá)到峰值；在室內(nèi)溫度檢測(cè)結(jié)果顯示，室內(nèi)溫度的平均溫度約為19℃，結(jié)果證明室內(nèi)溫度基本維持在一定區(qū)域內(nèi)恒定，符合前期的設(shè)計(jì)結(jié)果。同時(shí)從建筑物的得熱情況來看（包括室內(nèi)外溫差造成的得熱以及照射在圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射所形成的得熱），結(jié)果顯示得熱主要集中在夏季，而冬季建筑物一直處于失熱狀態(tài)。因此根據(jù)這一結(jié)果可以認(rèn)為，未來在建筑物改造中應(yīng)確保建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有良好的隔熱性能，滿足江西地區(qū)的氣候要求，避免夏季溫度偏高影響居民舒適度；而在冬季則要關(guān)注建筑物的保溫性能，減少出現(xiàn)的熱量散失情況，減少室內(nèi)外的溫度差。

同時(shí)在本文所選擇的1月1日背景下，整個(gè)建筑物獲得熱量的主要方法為太陽能直接得熱與建筑物內(nèi)部直接熱，而失熱的主要途徑為通風(fēng)或者維護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)，所以根據(jù)這一結(jié)果應(yīng)考慮到建筑物朝向等因素的影響，確保建筑物可以盡可能多接受太陽直射；同時(shí)應(yīng)密切關(guān)注建筑物保溫隔熱性能的影響；最后要觀察通風(fēng)換氣系統(tǒng)所造成的熱量損失問題，最終改善通風(fēng)系統(tǒng)功能，盡可能回收換氣過程中所造成的熱量損失。

最后在默認(rèn)狀態(tài)下，組件以組分的形式顯示可以計(jì)算1月1日當(dāng)天不同時(shí)間段的暖通空調(diào)能耗。結(jié)果顯示在空調(diào)利用高峰期，暖通空調(diào)系統(tǒng)的耗電量與建筑物改造前相比下降約25%～30%。

4 結(jié)語

借助軟件分析方法可以正確判斷建筑物能耗問題，本文通過EcotectAnalysis軟件實(shí)現(xiàn)了某一低能耗建筑物的能耗分析，結(jié)果顯示該技術(shù)可以記錄不同時(shí)間段的能耗變化，通過比較改造前后的能耗數(shù)據(jù)評(píng)估節(jié)能改造工藝質(zhì)量，具有滿意效果，值得關(guān)注。