【主講人】：劉鋒

【簡  介】綠建之窗技術總監

 

【講座導讀】：本期【綠建講堂】由北京綠建軟件有限公司劉鋒，為大家介紹綠色建筑物理模擬計算——建筑節能。

 

【微信講堂——實錄】

    建筑節能基礎知識：

 

    建筑節能率：

    在建筑標準、新聞上提出的某建筑節能率50%或65%節能目標，是相對什么標準節能呢？   

  

    我國制定建筑節能標準和要求，是以20世紀80年代改革開放初期建造建筑當時的能耗為基礎，所以這類建筑稱為“基準建筑”。包括“基準建筑”圍護結構構造、傳熱系數、暖通空調設備、照明設備等參數，都按當時情況選取，在保持與目前標準約定的室內環境參數的條件下，計算“基準建筑”全年的能耗，包括暖通空調和照明能耗，將它作為基準，計算出的能耗為100%。而新建建筑的能耗，節能50%是相對于“基準建筑”而言。

 

然而，“基準建筑”的選取標準在全國各地并不統一。例如：圍護結構傳熱系數各地取值不同;東北地區哈爾濱大致取值1.7，而北京則取值2.0左右。

 

影響建筑節能的因素：

    1.體形系數。在國際《民用建筑節能設計標準》給出的定義為：建筑物與室外大i接觸的外表面積與其所包圍的體積的的比值，外表面積中不包括地面和不采暖樓梯間隔墻和戶門的面積。主要反應建筑體型復雜程度和圍護結構散熱面積的多少。

體形系數越大，對節能不利；體積大、較為簡單的建筑，以及多層和高層建筑，體形系數較小，對節能較為有利。

 

    2.窗墻比。單一朝向外窗（門）面積和墻面積（含窗面積）的比值，一般稱窗墻面積比。外窗面積越大，對節能不利。

 

3.傳熱系數和熱惰性。傳熱系數K值，是指在穩定傳熱條件下，圍護結構兩側空氣溫差為1度（K，℃），1s內通過1平方米面積傳遞的熱量，單位是瓦/（平方米·度）（W/（㎡·K），此處K可用℃代替）。傳熱系數不僅和材料有關，還和具體的過程有關。圍護結構的熱惰性是指圍護結構對外界溫度波動的抵抗能力。圍護結構熱惰性越大，建筑物內表面溫度受外表面溫度波動影響就越小。

 

    4.遮陽系數。m指實際通過玻璃的熱量與通過厚度為3mm厚標準玻璃的熱量與的比值。是玻璃遮擋或抵御太陽光能的能力，遮陽系數越小，阻擋陽光熱量向室內輻射的性能越好。

 

5.系統效率。空調或產暖系統轉換熱能并儲存起來的能力。對于建筑能耗也有很大的影響。

 

綠色建筑物理模擬計算——建筑節能：

 

1、節能設計軟件技術特點

北京綠建建筑節能設計軟件構建在CAD平臺之上，通過三維建模，獲取節能模型。經過專業定制，服務于建筑節能計算，緊扣國家及地方標準，可進行專項計算。同時配套其他同類型軟件，有利于建筑節能模型共享。

 

2、建筑節能模型獲取

基于成熟應o的二三維一體化技術，通過二維的施工圖或方案圖獲得三維信息模型（如圖1），操作習慣更符合國內設計師操作習慣。并兼容主流的設計軟件，如天正、理正等軟件。

 

圖1

圖2是軟件模型觀察界面，可以直觀看到通過平面圖生成的三維信息模型。

 

圖2

 

3、維護結構設計及計算

3.1工程設置

如圖3所示為工程設置頁面，通過設置項目所處地理位置，軟件會自動生成對應地區氣象參數。再進行選取公共建筑或居住建筑，以區分需要執行不同類型的建n的建筑節能設計標準。

 

圖3

 

3.2工程構造

完成工程設置后，需要進行重要的一步，設定圍護結構（如圖4所示）。外圍護結構包括：屋頂、外墻、外挑樓板等。內維護結構包括：門、窗、采暖地區不采暖的房間等。均需要設定相應工程做法。

當然這些參數并不需要自己錄入，軟件本身內置全國各地材料庫，在材料庫中可直接選取所需材料，作為項目中維護結構的一部分。軟件系統中也錄入了全國各地的標準圖集，以方便設計師選用標準圖集中相應做法。同時，也有部分材料'家最新研發成果，如新保溫產品也錄入節能軟件中，讓設計師很快了解新的保溫材料情況，也直觀的讓設計師了解新保溫材料是否適用于其所做項目。

 

圖4 

 

3.3數據提取

設置好好維護結構的保溫做法之后，需要進行數據提取（圖5所示，為設計軟件數據提取頁面5。提取所建分析模型的幾何信息，主要是外表面體，體積等，計算出其體形系數。

 

圖5

3.4節能檢查

再下一步就是將建筑模型的幾何數據、設定的維護結構做法進行節能檢查，運行節能檢查命令（如圖6所示），逐條對應選定的節能標準，檢查符合要求項和不符合要求項。當然并不要求項目指標全部符合標準要求，有一些項目為了;求設計想法，它的體型系數或者窗墻比可能不滿足標準，卻不能否定其為節能建筑。還可以通過計算其圍護結構耗熱量指標確定其是否符合標準要求。

能耗計算的過程，項目不同，節能要求也不一致。比如北方居住建筑，通常用采暖耗熱量指標；公共建筑，耗冷耗熱量指標，來判定是否滿足節能建筑要求。每個地方建筑節能計算規則也是不一樣的，北京、天津、河北都是不一樣的。所以說，節能軟件標準的定制是非常重要的。當項目通過軟件計算，無論是耗熱量指標或者空調耗冷耗熱量指標滿足要求時，也可以判定為節能建筑。

 

 

 

圖6

經過以上步驟，我們就能完成較為常見的標準建筑的節能計算，通過軟件輸出符合當地標準的計算書，以及當地要求的報審表。

 

4、不規則建筑節能案例分享

    4.1項目簡介

    項目名稱：騰訊濱海大廈（圖7左側）

    建設單位：騰訊科技（深圳）有限公司

    設計單位：深圳市統計人建筑設計有限公司

    建筑面積：34.3萬

 

國家綠色建筑評價標識三星級

 

 

圖7

 

    騰訊濱海大廈（圖7所示為），綠色建筑評價標識三星級的建筑，此項目在深圳，屬于夏熱冬暖地區，在建筑節能設計方面主要考慮遮陽、隔熱等方面對建筑能耗的影響。

 

上圖左側為項目效果圖，右側為使用建筑節能軟件建立的分析模型。該項目特點是遮陽計算比較復雜，通常遮陽計算主要考慮建筑外遮陽設施，包括平板、百葉、玻璃自身遮陽系數的影響。此不規則建筑（包括一座248米高50層樓的南塔樓，一座194米高41層樓的北塔樓和三條連接兩座塔樓并在內部設置共享配套設施的“連接層”），其外遮陽相對較為簡單，而建筑兩個雙子塔之間通過類似連廊構造連接，建筑的自遮陽非常嚴重，若只考慮外遮陽或自遮陽，不考慮建筑的結構之間遮陽影響，非常不利于建筑物各項指標分析。

 

比如兩棟建筑中間類似連廊的結構，對于下部房間的遮陽影響非常嚴重，如果不考慮這些因素，下部采用遮陽系數非常低的窗戶，對于室內采光非常不利，直接影響到使用空間的采光品質。這個項目，促進了綠建斯維爾軟件的改進，增加環境遮陽對窗戶遮陽的影響模擬計算，這個模擬計算得到了行內專家的一致認可。

 

另外，常規能耗模擬軟y、建筑節能模擬用的較多的模擬核心是建設部批準認可的，美國伯克利DOE能耗模擬核心。該模擬核心對于常規建筑來講，計算比較準確，速度快。但是濱海大廈房間比較多，DOE對房間數有要求，不能用DOE進行能耗模擬，所以通過這個項目，我們又引進伯克利EnergyPlus能耗模擬核心來完成該項目的能耗模擬計算，所以現在綠建模擬軟件是支持雙核心。

 

4.2項目簡介

項目名稱：大連國際會議中心

設計單位：大連市建筑設計研究院

建筑面積：14.68萬

 

國家綠色建筑評價標識三星級

 

 

圖8

圖8所示為大連國際會議中心，綠色建筑評價標識三星級的建筑。圖8上為建筑效果圖，下為建筑節能軟件建立的建筑模型模擬圖。該項目體型復雜，大量弧形結構，在CAD中處理空間曲線是非常復雜，建模比較困難。

 

斯維爾節能設計建筑物理模型通過國外方案公司提供犀牛（Rhino）模型建立。圖9為軟件環境圖形截圖，通過犀牛模型，提取其表皮，另存為DWG格式后，用建筑節能軟件打開的效果圖。通過CAD特性表里手動賦予其屬性，因為此結構軟件無法自動辨別哪部分是透光，哪部分是圍護結構。但是可以用原有圖層信息，批量設置維護的屬性。完成這些屬性賦予，幾何信息完備，可通過軟件計算，就能完成建筑節能標準對照和建筑能耗模擬分析。

 

 

 

圖 9

 

5、綠色建筑標準要求兩個專項計算

   （1）隔熱計算

    新老《綠色建筑評價標準》均要求對建筑屋頂，東西向外墻進行隔熱驗算，對建筑圍護結構進行防結露驗算。因軟件中已設定維護結構的做法，所以隔熱驗算相對比較簡單。主要通過《暖通空調規范》給出的計算公式，即可得出表面最高溫度，對比最高限值，驗證隔熱是否滿足要求。

 

圖 10

 

滿足要求后，即可通過軟件輸入滿足最高要求驗算的計算書（如圖11）。

 

圖 11

 

: 12

 

圖 13

（2）冷凝受潮驗算

    相對于隔熱計算，冷凝受潮計算就要復雜很多。一些設計單位冷凝受潮驗算書利用主斷面計算露點問題，這是有問題的。因為室內結構冷橋部位出現結露情況機率大，但是要精確冷橋部位結露會比較復雜。

    節能設計軟件通過設定冷橋部位節電保溫做法，設定節點詳圖（如圖14），描述每個部分的保溫情況，軟件通過解溫度場方式，計算冷橋部位每一單元塊溫度，進行傳熱計算，來計算室內的最低溫度（如圖15）。即證明保溫做法能成立，可以導出防結露報告（如圖16）。

 

圖14

 

圖 15

 

 

圖 16

 

圖17

 

圖 18

 

圖17和圖18是部分防結露報告。

（3）綠建軟件能否進行節能率的計算

     綠建節能軟件是依據當地執行或所選建筑節能標準來判斷建筑是否滿足標準。比如，北京公建建筑節能標準需要滿足節能65%，也就是軟件只能判斷建筑是否滿足節能65%的要求。能否要求節能率達y75%呢？軟件是不能這樣驗算的，因為節能標準是對應空調運行策略，空調能效比和照明密度是按照節能標準65%來設定。如果按照節能標準65%來設定，如果僅僅通過提高維護結構，很難達到所需節能率75%。這樣的話，我們需要引入另外的計算方法，即通過能效測評的方式調整空調性能參y等，進行計算綜合節能率。

     比如按照項目選定空調系統，選定空調系統形式和能效比（如圖18）。

 

圖 18

   另外按照設計要求，設定室內人員密度、照明密度、設備功率密度（如圖19）。

 

圖 19

同時還可以設定或編制空調、人員、照明運行時刻表，影響節能效果（如圖20）。

 

圖 20

另外還需要把計算成果轉換成統一耗電量，而不是僅僅按照耗熱量或耗冷量這兩個指標進行考核定（如圖21）。在國家標準《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2006中，公共建筑節能優選項中規定節能率達到20%（5.2.16建筑設計總能耗低于國家批準或備案的節能標準規定值80%），如下圖表格中相對于比對建筑節能率達到20%,即可滿足優選項要求。因為比對建筑是按照公建標準設定，包括圍護結構、空調能效比，標識建筑能耗即是設計建筑的能耗。

 

圖21

通過建立分析模型，計算項目冷熱負荷。因為熱工模型建立好之后，外圍護結構面積和傳熱系數已經確定，計算冷熱負荷參數已經<備，軟件可以直接輸結果。

 

圖 22

通過模型生成全年負荷分布圖、計算結果、負荷曲線（如圖23）。

 

圖 23

Q：軟件的節能和采光如何權衡？

A：大部分地區如果要求建筑節能，勢必要降低窗戶遮陽系數，減少夏季冷負荷，同時降低遮陽系數，也會影響到采光。這是需要一個辯證的平衡過程，找出平衡=。如圖24所示，同樣的窗戶，外遮陽取平板百葉遮陽，左邊圖傾角45°的遮陽效果達到0.57，效果還是不錯的，右邊圖傾角30°遮陽效果達到0.65，相對差一點。但是左邊采光系數是1.35，效果不理想，但是右圖采光系數達到的2.42，滿足居住建筑對起居室采光系數的要求。

所以考慮外遮陽時，要考慮遮陽效果（也就是節能效果），同時也要考慮對采光的影響，不能因為遮陽犧牲了采光。

 

圖 24

 

Q：廣州居住建筑中衛生間的節能是否有必要？特別是設置陽臺的衛生間?

A：夏熱冬暖地區主要是考慮隔熱的問題，應該是要考慮的。沒有制冷設備，如果隔熱不利也會影響居室的舒適度。衛生間也有舒適度要求，如果沒有隔熱措施，尤其是南面，夏季房間內的溫度不好控制。節能是多a面的，比如朝向、墻體材料等，達到總體節能效果，最重要的還要滿足舒適度的要求。

 

拓展：理論上無機保溫材料很難滿足寒冷地區的節能要求，但是無機保溫材料的耐久性和提供寬泛的外.修選擇，又是他的優勢。在寒冷地區的小框架結構，尤其是對外裝修要去高的項目，其實也不是完全不能考慮的。選擇合適的保溫材料保溫方案應該是更重要的。

 

呼吁：我對綠色建筑充滿信心，因為我每天都能看到非常多對綠色建筑滿懷抱負的人。