綠建講堂第十期綠色建筑物理模擬計算——建筑節(jié)能

1、【綠建之窗大講堂】第十期【主講人】：劉鋒【簡  介】：專注建筑節(jié)能事業(yè)二十余年?！翱萍紕?chuàng)造舒適生活”，希望通過推廣建筑節(jié)能技術(shù)和方案，為中國乃至全世界帶來更多健康舒適節(jié)能智能的綠色建筑。 【講座導(dǎo)讀】：本期【綠建大講堂】由綠建之窗劉鋒，為大家介紹綠色建筑物理模擬計算建筑節(jié)能。 【微信講堂實錄】    建筑節(jié)能基礎(chǔ)知識：     建筑節(jié)能率：    在建筑標(biāo)準(zhǔn)、新聞上提出的某建筑節(jié)能率50%或65%節(jié)能目標(biāo)，是相對什么標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能呢

2、？         我國制定建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和要求，是以20世紀(jì)80年代改革開放初期建造建筑當(dāng)時的能耗為基礎(chǔ)，所以這類建筑稱為“基準(zhǔn)建筑”。包括“基準(zhǔn)建筑”圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造、傳熱系數(shù)、暖通空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備等參數(shù)，都按當(dāng)時情況選取，在保持與目前標(biāo)準(zhǔn)約定的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的條件下，計算“基準(zhǔn)建筑”全年的能耗，包括暖通空調(diào)和照明能耗，將它作為基準(zhǔn)，計算出的能耗為100%。而新建建筑的能耗，節(jié)能50%是相對于“基準(zhǔn)建筑”而言。 然而，“基準(zhǔn)建筑”的選取標(biāo)準(zhǔn)在全國各地并不統(tǒng)一。例如：圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)各地取值不同，東

3、北地區(qū)哈爾濱大致取值1.7，而北京則取值2.0左右。 影響建筑節(jié)能的因素：    1.體形系數(shù)。在國際民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)給出的定義為：建筑物與室外大氣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(yīng)建筑體型復(fù)雜程度和圍護結(jié)構(gòu)散熱面積的多少。體形系數(shù)越大，對節(jié)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(shù)較小，對節(jié)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

4、節(jié)能不利。 3.傳熱系數(shù)和熱惰性。傳熱系數(shù)K值，是指在穩(wěn)定傳熱條件下，圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1度（K，），1s內(nèi)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(shù)不僅和材料有關(guān)，還和具體的過程有關(guān)。圍護結(jié)構(gòu)的熱惰性是指圍護結(jié)構(gòu)對外界溫度波動的抵抗能力。圍護結(jié)構(gòu)熱惰性越大，建筑物內(nèi)表面溫度受外表面溫度波動影響就越小。     4.遮陽系數(shù)。是指實際通過玻璃的熱量與通過厚度為3mm厚標(biāo)準(zhǔn)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(shù)越小，阻擋陽光熱量向室內(nèi)輻射的

5、性能越好。 5.系統(tǒng)效率?？照{(diào)或產(chǎn)暖系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(jié)能： 1、節(jié)能設(shè)計軟件技術(shù)特點北京綠建建筑節(jié)能設(shè)計軟件構(gòu)建在CAD平臺之上，通過三維建模，獲取節(jié)能模型。經(jīng)過專業(yè)定制，服務(wù)于建筑節(jié)能計算，緊扣國家及地方標(biāo)準(zhǔn)，可進行專項計算。同時配套其他同類型軟件，有利于建筑節(jié)能模型共享。 2、建筑節(jié)能模型獲取基于成熟應(yīng)用的二三維一體化技術(shù)，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(xí)慣更符合國內(nèi)設(shè)計師操作習(xí)慣。并兼容主流的設(shè)計軟件，如天正、理正等軟件。 圖1圖2是軟件模型觀察

6、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(jié)構(gòu)設(shè)計及計算3.1工程設(shè)置如圖3所示為工程設(shè)置頁面，通過設(shè)置項目所處地理位置，軟件會自動生成對應(yīng)地區(qū)氣象參數(shù)。再進行選取公共建筑或居住建筑，以區(qū)分需要執(zhí)行不同類型的建筑的建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。 圖3 3.2工程構(gòu)造完成工程設(shè)置后，需要進行重要的一步，設(shè)定圍護結(jié)構(gòu)（如圖4所示）。外圍護結(jié)構(gòu)包括：屋頂、外墻、外挑樓板等。內(nèi)維護結(jié)構(gòu)包括：門、窗、采暖地區(qū)不采暖的房間等。均需要設(shè)定相應(yīng)工程做法。當(dāng)然這些參數(shù)并不需要自己錄入，軟件本身內(nèi)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(jié)構(gòu)的

7、一部分。軟件系統(tǒng)中也錄入了全國各地的標(biāo)準(zhǔn)圖集，以方便設(shè)計師選用標(biāo)準(zhǔn)圖集中相應(yīng)做法。同時，也有部分材料廠家最新研發(fā)成果，如新保溫產(chǎn)品也錄入節(jié)能軟件中，讓設(shè)計師很快了解新的保溫材料情況，也直觀的讓設(shè)計師了解新保溫材料是否適用于其所做項目。 圖4  3.3數(shù)據(jù)提取設(shè)置好好維護結(jié)構(gòu)的保溫做法之后，需要進行數(shù)據(jù)提?。▓D5所示，為設(shè)計軟件數(shù)據(jù)提取頁面）。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(shù)。 圖53.4節(jié)能檢查再下一步就是將建筑模型的幾何數(shù)據(jù)、設(shè)定的維護結(jié)構(gòu)做法進行節(jié)能檢查，運行節(jié)能檢查命令（如圖6所示），逐條對應(yīng)選定的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，檢查

8、符合要求項和不符合要求項。當(dāng)然并不要求項目指標(biāo)全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求，有一些項目為了追求設(shè)計想法，它的體型系數(shù)或者窗墻比可能不滿足標(biāo)準(zhǔn)，卻不能否定其為節(jié)能建筑。還可以通過計算其圍護結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)確定其是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。能耗計算的過程，項目不同，節(jié)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(biāo)；公共建筑，耗冷耗熱量指標(biāo)，來判定是否滿足節(jié)能建筑要求。每個地方建筑節(jié)能計算規(guī)則也是不一樣的，北京、天津、河北都是不一樣的。所以說，節(jié)能軟件標(biāo)準(zhǔn)的定制是非常重要的。當(dāng)項目通過軟件計算，無論是耗熱量指標(biāo)或者空調(diào)耗冷耗熱量指標(biāo)滿足要求時，也可以判定為節(jié)能建筑。   圖6經(jīng)過以上步

9、驟，我們就能完成較為常見的標(biāo)準(zhǔn)建筑的節(jié)能計算，通過軟件輸出符合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)的計算書，以及當(dāng)?shù)匾蟮膱髮彵怼?#160;4、不規(guī)則建筑節(jié)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(cè)）    建設(shè)單位：騰訊科技（深圳）有限公司    設(shè)計單位：深圳市統(tǒng)計人建筑設(shè)計有限公司    建筑面積：34.3萬 國家綠色建筑評價標(biāo)識三星級  圖7 &

10、#160;   騰訊濱海大廈（圖7所示為），綠色建筑評價標(biāo)識三星級的建筑，此項目在深圳，屬于夏熱冬暖地區(qū)，在建筑節(jié)能設(shè)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(cè)為項目效果圖，右側(cè)為使用建筑節(jié)能軟件建立的分析模型。該項目特點是遮陽計算比較復(fù)雜，通常遮陽計算主要考慮建筑外遮陽設(shè)施，包括平板、百葉、玻璃自身遮陽系數(shù)的影響。此不規(guī)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(nèi)部設(shè)置共享配套設(shè)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(gòu)造連接，建筑的自遮陽非常嚴(yán)重，若

11、只考慮外遮陽或自遮陽，不考慮建筑的結(jié)構(gòu)之間遮陽影響，非常不利于建筑物各項指標(biāo)分析。 比如兩棟建筑中間類似連廊的結(jié)構(gòu)，對于下部房間的遮陽影響非常嚴(yán)重，如果不考慮這些因素，下部采用遮陽系數(shù)非常低的窗戶，對于室內(nèi)采光非常不利，直接影響到使用空間的采光品質(zhì)。這個項目，促進了綠建斯維爾軟件的改進，增加環(huán)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(nèi)專家的一致認可。 另外，常規(guī)能耗模擬軟件、建筑節(jié)能模擬用的較多的模擬核心是建設(shè)部批準(zhǔn)認可的，美國伯克利DOE能耗模擬核心。該模擬核心對于常規(guī)建筑來講，計算比較準(zhǔn)確，速度快。但是濱海大廈房間比較多，DOE對房間數(shù)有要求，不能用DOE進

12、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(xiàn)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(shè)計單位：大連市建筑設(shè)計研究院建筑面積：14.68萬 國家綠色建筑評價標(biāo)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(biāo)識三星級的建筑。圖8上為建筑效果圖，下為建筑節(jié)能軟件建立的建筑模型模擬圖。該項目體型復(fù)雜，大量弧形結(jié)構(gòu)，在CAD中處理空間曲線是非常復(fù)雜，建模比較困難。 斯維爾節(jié)能設(shè)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

13、環(huán)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(jié)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(jié)構(gòu)軟件無法自動辨別哪部分是透光，哪部分是圍護結(jié)構(gòu)。但是可以用原有圖層信息，批量設(shè)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(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對照和建筑能耗模擬分析。   圖 9 5、綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求兩個專項計算   （1）隔熱計算    新老綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)進行防結(jié)露驗算

14、。因軟件中已設(shè)定維護結(jié)構(gòu)的做法，所以隔熱驗算相對比較簡單。主要通過暖通空調(diào)規(guī)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 圖 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(fù)雜很多。一些設(shè)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(nèi)結(jié)構(gòu)冷橋部位出現(xiàn)結(jié)露情況機率大，但是要精確冷橋部位結(jié)露會比較復(fù)雜。&#

15、160;   節(jié)能設(shè)計軟件通過設(shè)定冷橋部位節(jié)電保溫做法，設(shè)定節(jié)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(nèi)的最低溫度（如圖15）。即證明保溫做法能成立，可以導(dǎo)出防結(jié)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(jié)露報告。（3）綠建軟件能否進行節(jié)能率的計算     綠建節(jié)能軟件是依據(jù)當(dāng)?shù)貓?zhí)行或所選建筑

16、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)來判斷建筑是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。比如，北京公建建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)需要滿足節(jié)能65%，也就是軟件只能判斷建筑是否滿足節(jié)能65%的要求。能否要求節(jié)能率達到75%呢？軟件是不能這樣驗算的，因為節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)是對應(yīng)空調(diào)運行策略，空調(diào)能效比和照明密度是按照節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)65%來設(shè)定。如果按照節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)65%來設(shè)定，如果僅僅通過提高維護結(jié)構(gòu)，很難達到所需節(jié)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(diào)整空調(diào)性能參數(shù)等，進行計算綜合節(jié)能率。     比如按照項目選定空調(diào)系統(tǒng)，選定空調(diào)系統(tǒng)形式和能效比（如圖18）。 圖 18 

17、;  另外按照設(shè)計要求，設(shè)定室內(nèi)人員密度、照明密度、設(shè)備功率密度（如圖19）。 圖 19同時還可以設(shè)定或編制空調(diào)、人員、照明運行時刻表，影響節(jié)能效果（如圖20）。 圖 20另外還需要把計算成果轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一耗電量，而不是僅僅按照耗熱量或耗冷量這兩個指標(biāo)進行考核定（如圖21）。在國家標(biāo)準(zhǔn)綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50378-2006中，公共建筑節(jié)能優(yōu)選項中規(guī)定節(jié)能率達到20%（5.2.16建筑設(shè)計總能耗低于國家批準(zhǔn)或備案的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值80%），如下圖表格中相對于比對建筑節(jié)能率達到20%,即可滿足優(yōu)選項要求。因為比對建筑是按照公建

18、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，包括圍護結(jié)構(gòu)、空調(diào)能效比，標(biāo)識建筑能耗即是設(shè)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(jié)構(gòu)面積和傳熱系數(shù)已經(jīng)確定，計算冷熱負荷參數(shù)已經(jīng)具備，軟件可以直接輸結(jié)果。 圖 22通過模型生成全年負荷分布圖、計算結(jié)果、負荷曲線（如圖23）。 圖 23Q：軟件的節(jié)能和采光如何權(quán)衡？A：大部分地區(qū)如果要求建筑節(jié)能，勢必要降低窗戶遮陽系數(shù)，減少夏季冷負荷，同時降低遮陽系數(shù)，也會影響到采光。這是需要一個辯證的平衡過程，找出平衡點。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(shù)是1.35，效果不理想，但是右圖采光系數(shù)達到的2.42，滿足居住建筑對起居室采光系數(shù)的要求。所以考慮外遮陽時，要考慮遮陽效果（也就是節(jié)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(wèi)生間的節(jié)能是否有必要？特別是設(shè)置陽臺的衛(wèi)生間?A：夏熱冬暖地區(qū)主要是