【绿建讲堂】第十期绿色建筑物理模拟计算――建筑节能

【绿建之窗大讲堂】第十期【主讲人】：刘锋【简介】：专注建筑节能事业二十余年。“科技创造舒适生活”，希望通过推广建筑节能技术和方案，为中国乃至全世界带来更多健康舒适节能智能的绿色建筑。【讲座导读】：本期【绿建大讲堂】由绿建之窗刘锋，为大家介绍绿色建筑物理模拟计算——建筑节能。【微信讲堂——实录】建筑节能基础知识：建筑节能率：在建筑标准、新闻上提出的某建筑节能率50%或65%节能目标，是相对什么标准节能呢？我国制定建筑节能标准和要求，是以20世纪80年代改革开放初期建造建筑当时的能耗为基础，所以这类建筑称为“基准建筑”。包括“基准建筑”围护结构构造、传热系数、暖通空调设备、照明设备等参数，都按当时情况选取，在保持与目前标准约定的室内环境参数的条件下，计算“基准建筑”全年的能耗，包括暖通空调和照明能耗，将它作为基准，计算出的能耗为100%。而新建建筑的能耗，节能50%是相对于“基准建筑”而言。然而，“基准建筑”的选取标准在全国各地并不统一。例如：围护结构传热系数各地取值不同，东北地区哈尔滨大致取值1.7，而北京则取值2.0左右。影响建筑节能的因素：1.体形系数。在国际《民用建筑节能设计标准》给出的定义为：建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的的比值，外表面积中不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积。主要反应建筑体型复杂程度和围护结构散热面积的多少。体形系数越大，对节能不利；体积大、较为简单的建筑，以及多层和高层建筑，体形系数较小，对节能较为有利。2.窗墙比。单一朝向外窗（门）面积和墙面积（含窗面积）的比值，一般称窗墙面积比。外窗面积越大，对节能不利。3.传热系数和热惰性。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K，℃），1s内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/（平方米·度）（W/（㎡·K），此处K可用℃代替）。传热系数不仅和材料有关，还和具体的过程有关。围护结构的热惰性是指围护结构对外界温度波动的抵抗能力。围护结构热惰性越大，建筑物内表面温度受外表面温度波动影响就越小。4.遮阳系数。是指实际通过玻璃的热量与通过厚度为3mm厚标准玻璃的热量与的比值。是玻璃遮挡或抵御太阳光能的能力，遮阳系数越小，阻挡阳光热量向室内辐射的性能越好。5.系统效率。空调或产暖系统转换热能并储存起来的能力。对于建筑能耗也有很大的影响。绿色建筑物理模拟计算——建筑节能：1、节能设计软件技术特点北京绿建建筑节能设计软件构建在CAD平台之上，通过三维建模，获取节能模型。经过专业定制，服务于建筑节能计算，紧扣国家及地方标准，可进行专项计算。同时配套其他同类型软件，有利于建筑节能模型共享。2、建筑节能模型获取基于成熟应用的二三维一体化技术，通过二维的施工图或方案图获得三维信息模型（如图1），操作习惯更符合国内设计师操作习惯。并兼容主流的设计软件，如天正、理正等软件。图1图2是软件模型观察界面，可以直观看到通过平面图生成的三维信息模型。图23、维护结构设计及计算3.1工程设置如图3所示为工程设置页面，通过设置项目所处地理位置，软件会自动生成对应地区气象参数。再进行选取公共建筑或居住建筑，以区分需要执行不同类型的建筑的建筑节能设计标准。图33.2工程构造完成工程设置后，需要进行重要的一步，设定围护结构（如图4所示）。外围护结构包括：屋顶、外墙、外挑楼板等。内维护结构包括：门、窗、采暖地区不采暖的房间等。均需要设定相应工程做法。当然这些参数并不需要自己录入，软件本身内置全国各地材料库，在材料库中可直接选取所需材料，作为项目中维护结构的一部分。软件系统中也录入了全国各地的标准图集，以方便设计师选用标准图集中相应做法。同时，也有部分材料厂家最新研发成果，如新保温产品也录入节能软件中，让设计师很快了解新的保温材料情况，也直观的让设计师了解新保温材料是否适用于其所做项目。图43.3数据提取设置好好维护结构的保温做法之后，需要进行数据提取（图5所示，为设计软件数据提取页面）。提取所建分析模型的几何信息，主要是外表面体，体积等，计算出其体形系数。图53.4节能检查再下一步就是将建筑模型的几何数据、设定的维护结构做法进行节能检查，运行节能检查命令（如图6所示），逐条对应选定的节能标准，检查符合要求项和不符合要求项。当然并不要求项目指标全部符合标准要求，有一些项目为了追求设计想法，它的体型系数或者窗墙比可能不满足标准，却不能否定其为节能建筑。还可以通过计算其围护结构耗热量指标确定其是否符合标准要求。能耗计算的过程，项目不同，节能要求也不一致。比如北方居住建筑，通常用采暖耗热量指标；公共建筑，耗冷耗热量指标，来判定是否满足节能建筑要求。每个地方建筑节能计算规则也是不一样的，北京、天津、河北都是不一样的。所以说，节能软件标准的定制是非常重要的。当项目通过软件计算，无论是耗热量指标或者空调耗冷耗热量指标满足要求时，也可以判定为节能建筑。图6经过以上步骤，我们就能完成较为常见的标准建筑的节能计算，通过软件输出符合当地标准的计算书，以及当地要求的报审表。4、不规则建筑节能案例分享4.1项目简介项目名称：腾讯滨海大厦（图7左侧）建设单位：腾讯科技（深圳）有限公司设计单位：深圳市统计人建筑设计有限公司建筑面积：34.3万国家绿色建筑评价标识三星级图7腾讯滨海大厦（图7所示为），绿色建筑评价标识三星级的建筑，此项目在深圳，属于夏热冬暖地区，在建筑节能设计方面主要考虑遮阳、隔热等方面对建筑能耗的影响。上图左侧为项目效果图，右侧为使用建筑节能软件建立的分析模型。该项目特点是遮阳计算比较复杂，通常遮阳计算主要考虑建筑外遮阳设施，包括平板、百叶、玻璃自身遮阳系数的影响。此不规则建筑（包括一座248米高50层楼的南塔楼，一座194米高41层楼的北塔楼和三条连接两座塔楼并在内部设置共享配套设施的“连接层”），其外遮阳相对较为简单，而建筑两个双子塔之间通过类似连廊构造连接，建筑的自遮阳非常严重，若只考虑外遮阳或自遮阳，不考虑建筑的结构之间遮阳影响，非常不利于建筑物各项指标分析。比如两栋建筑中间类似连廊的结构，对于下部房间的遮阳影响非常严重，如果不考虑这些因素，下部采用遮阳系数非常低的窗户，对于室内采光非常不利，直接影响到使用空间的采光品质。这个项目，促进了绿建斯维尔软件的改进，增加环境遮阳对窗户遮阳的影响模拟计算，这个模拟计算得到了行内专家的一致认可。另外，常规能耗模拟软件、建筑节能模拟用的较多的模拟核心是建设部批准认可的，美国伯克利DOE能耗模拟核心。该模拟核心对于常规建筑来讲，计算比较准确，速度快。但是滨海大厦房间比较多，DOE对房间数有要求，不能用DOE进行能耗模拟，所以通过这个项目，我们又引进伯克利EnergyPlus能耗模拟核心来完成该项目的能耗模拟计算，所以现在绿建模拟软件是支持双核心。4.2项目简介项目名称：大连国际会议中心设计单位：大连市建筑设计研究院建筑面积：14.68万国家绿色建筑评价标识三星级图8图8所示为大连国际会议中心，绿色建筑评价标识三星级的建筑。图8上为建筑效果图，下为建筑节能软件建立的建筑模型模拟图。该项目体型复杂，大量弧形结构，在CAD中处理空间曲线是非常复杂，建模比较困难。斯维尔节能设计建筑物理模型通过国外方案公司提供犀牛（Rhino）模型建立。图9为软件环境图形截图，通过犀牛模型，提取其表皮，另存为DWG格式后，用建筑节能软件打开的效果图。通过CAD特性表里手动赋予其属性，因为此结构软件无法自动辨别哪部分是透光，哪部分是围护结构。但是可以用原有图层信息，批量设置维护的属性。完成这些属性赋予，几何信息完备，可通过软件计算，就能完成建筑节能标准对照和建筑能耗模拟分析。图95、绿色建筑标准要求两个专项计算（1）隔热计算新老《绿色建筑评价标准》均要求对建筑屋顶，东西向外墙进行隔热验算，对建筑围护结构进行防结露验算。因软件中已设定维护结构的做法，所以隔热验算相对比较简单。主要通过《暖通空调规范》给出的计算公式，即可得出表面最高温度，对比最高限值，验证隔热是否满足要求。图10满足要求后，即可通过软件输入满足最高要求验算的计算书（如图11）。图11图12图13（2）冷凝受潮验算相对于隔热计算，冷凝受潮计算就要复杂很多。一些设计单位冷凝受潮验算书利用主断面计算露点问题，这是有问题的。因为室内结构冷桥部位出现结露情况机率大，但是要精确冷桥部位结露会比较复杂。节能设计软件通过设定冷桥部位节电保温做法，设定节点详图（如图14），描述每个部分的保温情况，软件通过解温度场方式，计算冷桥部位每一单元块温度，进行传热计算，来计算室内的最低温度（如图15）。即证明保温做法能成立，可以导出防结露报告（如图16）。图14图15图16图17图18图17和图18是部分防结露报告。（3）绿建软件能否进行节能率的计算绿建节能软件是依据当地执行或所选建筑节能标准来判断建筑是否满足标准。比如，北京公建建筑节能标准需要满足节能65%，也就是软件只能判断建筑是否满足节能65%的要求。能否要求节能率达到75%呢？软件是不能这样验算的，因为节能标准是对应空调运行策略，空调能效比和照明密度是按照节能标准65%来设定。如果按照节能标准65%来设定，如果仅仅通过提高维护结构，很难达到所需节能率75%。这样的话，我们需要引入另外的计算方法，即通过能效测评的方式调整空调性能参数等，进行计算综合节能率。比如按照项目选定空调系统，选定空调系统形式和能效比（如图18）。图18另外按照设计要求，设定室内人员密度、照明密度、设备功率密度（如图19）。图19同时还可以设定或编制空调、人员、照明运行时刻表，影响节能效果（如图20）。图20另外还需要把计算成果转换成统一耗电量，而不是仅仅按照耗热量或耗冷量这两个指标进行考核定（如图21）。在国家标准《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006中，公共建筑节能优选项中规定节能率达到20%（5.2.16建筑设计总能耗低于国家批准或备案的节能标准规定值80%），如下图表格中相对于比对建筑节能率达到20%,即可满足优选项要求。因为比对建筑是按照公建标准设定，包括围护结构、空调能效比，标识建筑能耗即是设计建筑的能耗。图21通过建立分析模型，计算项目冷热负荷。因为热工模型建立好之后，外围护结构面积和传热系数已经确定，计算冷热负荷参数已经具备，软件可以直接输结果。图22通过模型生成全年负荷分布图、计算结果、负荷曲线（如图23）。图23Q：软件的节能和采光如何权衡？A：大部分地区如果要求建筑节能，势必要降低窗户遮阳系数，减少夏季冷负荷，同时降低遮阳系数，也会影响到采光。这是需要一个辩证的平衡过程，找出平衡点。如图24所示，同样的窗户，外遮阳取平板百叶遮阳，左边图倾角45°的遮阳效果达到0.57，效果还是不错的，右边图倾角30°遮阳效果达到0.65，相对差一点。但是左边采光系数是1.35，效果不理想，但是右图采光系数达到的2.42，满足居住建筑对起居室采光系数的要求。所以考虑外遮阳时，要考虑遮阳效果（也就是节能效果），同时也要考虑对采光的影响，不能因为遮阳牺牲了采光。图24Q：广州居住建筑中卫生间的节能是否有必要？特别是设置阳台的卫生间?A：夏热冬暖地区主要是考虑隔热的问题，应该是要考虑的。没有制冷设备，如果隔热不利也会影响居室的舒适度。卫生间也有舒适度要求，如果没有隔热措施，尤其是南面，夏季房间内的温度不好控制。节能是多方面的，比如朝向、墙体材料等，达到总体节能效果，最重要的还要满足舒适度的要求。拓展：理论上无机保温材料很难满足寒冷地区的节能要求，但是无机保温材料的耐久性和提供宽泛的外装修选择，又是他的优势。在寒冷地区的小框架结构，尤其是对外装修要去高的项目，其实也不是完全不能考虑的。选择合适的保温材料保温方案应该是更重要的。呼吁：我对绿色建筑充满信心，因为我每天都能看到非常多对绿色建筑满怀抱负的人。