【綠建講堂】綠色建筑物理模擬計(jì)算——建筑節(jié)能（11月27日綠建之窗微信群第十期講座】

【主講人】：劉鋒

【簡(jiǎn)  介】綠建之窗技術(shù)總監(jiān)

 

【講座導(dǎo)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(jì)算——建筑節(jié)能。

 

【微信講堂——實(shí)錄】

    建筑節(jié)能基礎(chǔ)知識(shí)：

 

    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(duì)什么標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能呢？   

  

    我國(guó)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(kāi)放初期建造建筑當(dāng)時(shí)的能耗為基礎(chǔ)，所以這類(lèi)建筑稱(chēng)為“基準(zhǔn)建筑”。包括“基準(zhǔn)建筑”圍護(hù)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(shí)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(jì)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(jì)算出的能耗為100%。而新建建筑的能耗，節(jié)能50%是相對(duì)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(guó)各地并不統(tǒng)一。例如：圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)各地取值不同;東北地區(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(guó)際《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》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(hù)門(mén)的面積。主要反應(yīng)建筑體型復(fù)雜程度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱面積的多少。

體形系數(shù)越大，對(duì)節(jié)能不利；體積大、較為簡(jiǎn)單的建筑，以及多層和高層建筑，體形系數(shù)較小，對(duì)節(jié)能較為有利。

 

    2.窗墻比。單一朝向外窗（門(mén)）面積和墻面積（含窗面積）的比值，一般稱(chēng)窗墻面積比。外窗面積越大，對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1度（K，℃），1s內(nèi)通過(guò)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(guò)程有關(guān)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)外界溫度波動(dòng)的抵抗能力。圍護(hù)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(dòng)影響就越小。

 

    4.遮陽(yáng)系數(shù)。m指實(shí)際通過(guò)玻璃的熱量與通過(guò)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(yáng)光能的能力，遮陽(yáng)系數(shù)越小，阻擋陽(yáng)光熱量向室內(nèi)輻射的性能越好。

 

5.系統(tǒng)效率?？照{(diào)或產(chǎn)暖系統(tǒng)轉(zhuǎn)換熱能并儲(chǔ)存起來(lái)的能力。對(duì)于建筑能耗也有很大的影響。

 

綠色建筑物理模擬計(jì)算——建筑節(jié)能：

 

1、節(jié)能設(shè)計(jì)軟件技術(shù)特點(diǎn)

北京綠建建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建在CAD平臺(tái)之上，通過(guò)三維建模，獲取節(jié)能模型。經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)定制，服務(wù)于建筑節(jié)能計(jì)算，緊扣國(guó)家及地方標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)計(jì)算。同時(shí)配套其他同類(lèi)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)o的二三維一體化技術(shù)，通過(guò)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(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)師操作習(xí)慣。并兼容主流的設(shè)計(jì)軟件，如天正、理正等軟件。

 

圖1

圖2是軟件模型觀(guān)察界面，可以直觀(guān)看到通過(guò)平面圖生成的三維信息模型。

 

圖2

 

3、維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1工程設(shè)置

如圖3所示為工程設(shè)置頁(yè)面，通過(guò)設(shè)置項(xiàng)目所處地理位置，軟件會(huì)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)地區(qū)氣象參數(shù)。再進(jìn)行選取公共建筑或居住建筑，以區(qū)分需要執(zhí)行不同類(lèi)型的建n的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

 

圖3

 

3.2工程構(gòu)造

完成工程設(shè)置后，需要進(jìn)行重要的一步，設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)（如圖4所示）。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括：屋頂、外墻、外挑樓板等。內(nèi)維護(hù)結(jié)構(gòu)包括：門(mén)、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(guó)各地材料庫(kù)，在材料庫(kù)中可直接選取所需材料，作為項(xiàng)目中維護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分。軟件系統(tǒng)中也錄入了全國(guó)各地的標(biāo)準(zhǔn)圖集，以方便設(shè)計(jì)師選用標(biāo)準(zhǔn)圖集中相應(yīng)做法。同時(shí)，也有部分材料'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(jì)師很快了解新的保溫材料情況，也直觀(guān)的讓設(shè)計(jì)師了解新保溫材料是否適用于其所做項(xiàng)目。

 

圖4 

 

3.3數(shù)據(jù)提取

設(shè)置好好維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫做法之后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)提?。▓D5所示，為設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)提取頁(yè)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(jì)算出其體形系數(shù)。

 

圖5

3.4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(hù)結(jié)構(gòu)做法進(jìn)行節(jié)能檢查，運(yùn)行節(jié)能檢查命令（如圖6所示），逐條對(duì)應(yīng)選定的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，檢查符合要求項(xiàng)和不符合要求項(xiàng)。當(dāng)然并不要求項(xiàng)目指標(biāo)全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求，有一些項(xiàng)目為了;求設(shè)計(jì)想法，它的體型系數(shù)或者窗墻比可能不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)，卻不能否定其為節(jié)能建筑。還可以通過(guò)計(jì)算其圍護(hù)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(jì)算的過(guò)程，項(xiàng)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(lái)判定是否滿(mǎn)足節(jié)能建筑要求。每個(gè)地方建筑節(jié)能計(jì)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(shuō)，節(jié)能軟件標(biāo)準(zhǔn)的定制是非常重要的。當(dāng)項(xiàng)目通過(guò)軟件計(jì)算，無(wú)論是耗熱量指標(biāo)或者空調(diào)耗冷耗熱量指標(biāo)滿(mǎn)足要求時(shí)，也可以判定為節(jié)能建筑。

 

 

 

圖6

經(jīng)過(guò)以上步驟，我們就能完成較為常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)建筑的節(jié)能計(jì)算，通過(guò)軟件輸出符合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)的計(jì)算書(shū)，以及當(dāng)?shù)匾蟮膱?bào)審表。

 

4、不規(guī)則建筑節(jié)能案例分享

    4.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

    項(xiàng)目名稱(chēng)：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(jì)單位：深圳市統(tǒng)計(jì)人建筑設(shè)計(jì)有限公司

    建筑面積：34.3萬(wàn)

 

國(guó)家綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)三星級(jí)

 

 

圖7

 

    騰訊濱海大廈（圖7所示為），綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)三星級(jí)的建筑，此項(xiàng)目在深圳，屬于夏熱冬暖地區(qū)，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方面主要考慮遮陽(yáng)、隔熱等方面對(duì)建筑能耗的影響。

 

上圖左側(cè)為項(xiàng)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(xiàng)目特點(diǎn)是遮陽(yáng)計(jì)算比較復(fù)雜，通常遮陽(yáng)計(jì)算主要考慮建筑外遮陽(yáng)設(shè)施，包括平板、百葉、玻璃自身遮陽(yáng)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(yáng)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，而建筑兩個(gè)雙子塔之間通過(guò)類(lèi)似連廊構(gòu)造連接，建筑的自遮陽(yáng)非常嚴(yán)重，若只考慮外遮陽(yáng)或自遮陽(yáng)，不考慮建筑的結(jié)構(gòu)之間遮陽(yáng)影響，非常不利于建筑物各項(xiàng)指標(biāo)分析。

 

比如兩棟建筑中間類(lèi)似連廊的結(jié)構(gòu)，對(duì)于下部房間的遮陽(yáng)影響非常嚴(yán)重，如果不考慮這些因素，下部采用遮陽(yáng)系數(shù)非常低的窗戶(hù)，對(duì)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(gè)項(xiàng)目，促進(jìn)了綠建斯維爾軟件的改進(jìn)，增加環(huán)境遮陽(yáng)對(duì)窗戶(hù)遮陽(yáng)的影響模擬計(jì)算，這個(gè)模擬計(jì)算得到了行內(nèi)專(zhuān)家的一致認(rèn)可。

 

另外，常規(guī)能耗模擬軟y、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(rèn)可的，美國(guó)伯克利DOE能耗模擬核心。該模擬核心對(duì)于常規(guī)建筑來(lái)講，計(jì)算比較準(zhǔn)確，速度快。但是濱海大廈房間比較多，DOE對(duì)房間數(shù)有要求，不能用DOE進(jìn)行能耗模擬，所以通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，我們又引進(jìn)伯克利EnergyPlus能耗模擬核心來(lái)完成該項(xiàng)目的能耗模擬計(jì)算，所以現(xiàn)在綠建模擬軟件是支持雙核心。

 

4.2項(xiàng)目簡(jiǎn)介

項(xiàng)目名稱(chēng)：大連國(guó)際會(huì)議中心

設(shè)計(jì)單位：大連市建筑設(shè)計(jì)研究院

建筑面積：14.68萬(wàn)

 

國(guó)家綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)三星級(jí)

 

 

圖8

圖8所示為大連國(guó)際會(huì)議中心，綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)三星級(jí)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(xiàng)目體型復(fù)雜，大量弧形結(jié)構(gòu)，在CAD中處理空間曲線(xiàn)是非常復(fù)雜，建模比較困難。

 

斯維爾節(jié)能設(shè)計(jì)建筑物理模型通過(guò)國(guó)外方案公司提供犀牛（Rhino）模型建立。圖9為軟件環(huán)境圖形截圖，通過(guò)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(kāi)的效果圖。通過(guò)CAD特性表里手動(dòng)賦予其屬性，因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)軟件無(wú)法自動(dòng)辨別哪部分是透光，哪部分是圍護(hù)結(jié)構(gòu)。但是可以用原有圖層信息，批量設(shè)置維護(hù)的屬性。完成這些屬性賦予，幾何信息完備，可通過(guò)軟件計(jì)算，就能完成建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(gè)專(zhuān)項(xiàng)計(jì)算

   （1）隔熱計(jì)算

    新老《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》均要求對(duì)建筑屋頂，東西向外墻進(jìn)行隔熱驗(yàn)算，對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防結(jié)露驗(yàn)算。因軟件中已設(shè)定維護(hù)結(jié)構(gòu)的做法，所以隔熱驗(yàn)算相對(duì)比較簡(jiǎn)單。主要通過(guò)《暖通空調(diào)規(guī)范》給出的計(jì)算公式，即可得出表面最高溫度，對(duì)比最高限值，驗(yàn)證隔熱是否滿(mǎn)足要求。

 

圖 10

 

滿(mǎn)足要求后，即可通過(guò)軟件輸入滿(mǎn)足最高要求驗(yàn)算的計(jì)算書(shū)（如圖11）。

 

圖 11

 

: 12

 

圖 13

（2）冷凝受潮驗(yàn)算

    相對(duì)于隔熱計(jì)算，冷凝受潮計(jì)算就要復(fù)雜很多。一些設(shè)計(jì)單位冷凝受潮驗(yàn)算書(shū)利用主斷面計(jì)算露點(diǎn)問(wèn)題，這是有問(wèn)題的。因?yàn)槭覂?nèi)結(jié)構(gòu)冷橋部位出現(xiàn)結(jié)露情況機(jī)率大，但是要精確冷橋部位結(jié)露會(huì)比較復(fù)雜。

    節(jié)能設(shè)計(jì)軟件通過(guò)設(shè)定冷橋部位節(jié)電保溫做法，設(shè)定節(jié)點(diǎn)詳圖（如圖14），描述每個(gè)部分的保溫情況，軟件通過(guò)解溫度場(chǎng)方式，計(jì)算冷橋部位每一單元塊溫度，進(jìn)行傳熱計(jì)算，來(lái)計(jì)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(bào)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(bào)告。

（3）綠建軟件能否進(jìn)行節(jié)能率的計(jì)算

     綠建節(jié)能軟件是依據(jù)當(dāng)?shù)貓?zhí)行或所選建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷建筑是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)。比如，北京公建建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)需要滿(mǎn)足節(jié)能65%，也就是軟件只能判斷建筑是否滿(mǎn)足節(jié)能65%的要求。能否要求節(jié)能率達(dá)y75%呢？軟件是不能這樣驗(yàn)算的，因?yàn)楣?jié)能標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)應(yīng)空調(diào)運(yùn)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(lái)設(shè)定。如果按照節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)65%來(lái)設(shè)定，如果僅僅通過(guò)提高維護(hù)結(jié)構(gòu)，很難達(dá)到所需節(jié)能率75%。這樣的話(huà)，我們需要引入另外的計(jì)算方法，即通過(guò)能效測(cè)評(píng)的方式調(diào)整空調(diào)性能參y等，進(jìn)行計(jì)算綜合節(jié)能率。

     比如按照項(xiàng)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

   另外按照設(shè)計(jì)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(shí)還可以設(shè)定或編制空調(diào)、人員、照明運(yùn)行時(shí)刻表，影響節(jié)能效果（如圖20）。

 

圖 20

另外還需要把計(jì)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(gè)指標(biāo)進(jìn)行考核定（如圖21）。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378-2006中，公共建筑節(jié)能優(yōu)選項(xiàng)中規(guī)定節(jié)能率達(dá)到20%（5.2.16建筑設(shè)計(jì)總能耗低于國(guó)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(duì)于比對(duì)建筑節(jié)能率達(dá)到20%,即可滿(mǎn)足優(yōu)選項(xiàng)要求。因?yàn)楸葘?duì)建筑是按照公建標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)能效比，標(biāo)識(shí)建筑能耗即是設(shè)計(jì)建筑的能耗。

 

圖21

通過(guò)建立分析模型，計(jì)算項(xiàng)目冷熱負(fù)荷。因?yàn)闊峁つＰ徒⒑弥?，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積和傳熱系數(shù)已經(jīng)確定，計(jì)算冷熱負(fù)荷參數(shù)已經(jīng)<備，軟件可以直接輸結(jié)果。

 

圖 22

通過(guò)模型生成全年負(fù)荷分布圖、計(jì)算結(jié)果、負(fù)荷曲線(xiàn)（如圖23）。

 

圖 23

Q：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(shì)必要降低窗戶(hù)遮陽(yáng)系數(shù)，減少夏季冷負(fù)荷，同時(shí)降低遮陽(yáng)系數(shù)，也會(huì)影響到采光。這是需要一個(gè)辯證的平衡過(guò)程，找出平衡=。如圖24所示，同樣的窗戶(hù)，外遮陽(yáng)取平板百葉遮陽(yáng)，左邊圖傾角45°的遮陽(yáng)效果達(dá)到0.57，效果還是不錯(cuò)的，右邊圖傾角30°遮陽(yáng)效果達(dá)到0.65，相對(duì)差一點(diǎn)。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(dá)到的2.42，滿(mǎn)足居住建筑對(duì)起居室采光系數(shù)的要求。

所以考慮外遮陽(yáng)時(shí)，要考慮遮陽(yáng)效果（也就是節(jié)能效果），同時(shí)也要考慮對(duì)采光的影響，不能因?yàn)檎陉?yáng)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(yáng)臺(tái)的衛(wèi)生間?

A：夏熱冬暖地區(qū)主要是考慮隔熱的問(wèn)題，應(yīng)該是要考慮的。沒(méi)有制冷設(shè)備，如果隔熱不利也會(huì)影響居室的舒適度。衛(wèi)生間也有舒適度要求，如果沒(méi)有隔熱措施，尤其是南面，夏季房間內(nèi)的溫度不好控制。節(jié)能是多a面的，比如朝向、墻體材料等，達(dá)到總體節(jié)能效果，最重要的還要滿(mǎn)足舒適度的要求。

 

拓展：理論上無(wú)機(jī)保溫材料很難滿(mǎn)足寒冷地區(qū)的節(jié)能要求，但是無(wú)機(jī)保溫材料的耐久性和提供寬泛的外.修選擇，又是他的優(yōu)勢(shì)。在寒冷地區(qū)的小框架結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)外裝修要去高的項(xiàng)目，其實(shí)也不是完全不能考慮的。選擇合適的保溫材料保溫方案應(yīng)該是更重要的。

 

呼吁：我對(duì)綠色建筑充滿(mǎn)信心，因?yàn)槲颐刻於寄芸吹椒浅６鄬?duì)綠色建筑滿(mǎn)懷抱負(fù)的人。