陳 婕

(陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

建筑能耗模擬產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代，之后由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得建筑環(huán)境模擬得以實(shí)現(xiàn)。國外以歐美為代表，開發(fā)了很多能耗模擬軟件，如BLAST、DOE-2、ESP-r等[1]，這些軟件均各有特點(diǎn)。建筑全能耗分析軟件的計(jì)算方法一般是基于動(dòng)態(tài)的環(huán)境，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，軟件需要室外逐時(shí)的氣象數(shù)據(jù)或典型氣象年的數(shù)據(jù)，而且需要盡可能詳細(xì)的熱工性能數(shù)據(jù)[2]。之前的開發(fā)軟件有些需要手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，有些需要編程，對(duì)使用者來說不易上手操作。全新的BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)包含了建筑能耗模擬分析的基礎(chǔ)及室外的氣象數(shù)據(jù)與建筑詳細(xì)的熱工數(shù)據(jù)，為建筑進(jìn)行冷熱負(fù)荷能耗模擬提供了有力的技術(shù)支持。運(yùn)用BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要手段，也是未來建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的發(fā)展方向[3]。

目前，我國城市建筑執(zhí)行的相關(guān)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使建筑能耗顯著降低，并且室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量明顯提高。由于農(nóng)村建筑多為居民自行建造，缺乏科學(xué)設(shè)計(jì)，因此，存在著圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差、能耗高、室內(nèi)熱環(huán)境不舒適等問題[4]?！禛B/T 50824—2013農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》2013年5月1日實(shí)施，旨在指導(dǎo)農(nóng)村建筑節(jié)能工作，但是農(nóng)村建筑的能耗一直居高不下。理論上建筑能耗受到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改變、照明、采暖、空調(diào)等多方面的影響，以往很多建筑能耗的研究工作著眼于建筑能耗與照明、采暖、空調(diào)的消耗，通過調(diào)查問卷、統(tǒng)計(jì)等方法進(jìn)行的。本文以陜南農(nóng)村建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于實(shí)地調(diào)查結(jié)果，對(duì)建筑物提供兩種不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案，并在BIM軟件中進(jìn)行詳細(xì)的能耗分類模擬計(jì)算，以期為陜南及夏熱冬冷地區(qū)的農(nóng)村建筑設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)際調(diào)研

由于特殊的地形、氣候、經(jīng)濟(jì)條件和生活習(xí)慣，陜南地區(qū)農(nóng)村住宅多采用無院式[5]。為研究該地區(qū)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)與能耗之間的關(guān)聯(lián)，本文選取典型的傳統(tǒng)磚混農(nóng)宅為研究對(duì)象，進(jìn)行能耗模擬分析。

1.1 實(shí)際調(diào)研概述

圖1 磚混建筑平面圖

調(diào)研地點(diǎn)為漢中市勉縣村鎮(zhèn)，實(shí)際對(duì)象是磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)宅，房屋結(jié)構(gòu)平面CAD圖如圖1所示。磚混農(nóng)宅為一層住宅，建于20世紀(jì)90年代末期，平面形式成一字型，3個(gè)開間，中間為堂屋，聯(lián)系左右客廳、臥室等主要房間。廚房、廁所、豬圈等依附主體建筑，搭建在房屋周圍。墻體主要建筑材料為紅色實(shí)心粘土磚與鋼筋混凝土，在建筑安全性方面有所提高(有鋼筋圈梁，可抵御地震、泥石流等災(zāi)害)，功能性(滿足較多的功能分區(qū)要求，例如廚房與廁所與主體建筑有一定距離)及舒適性(與生土建筑相比，屋頂為鋼筋混凝土預(yù)制板無漏雨現(xiàn)象，地面為找平水泥地)等方面。

1.2 測(cè)試結(jié)果及分析

由于空間內(nèi)外的空氣溫濕度與建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，本課題組于2018年7月對(duì)當(dāng)?shù)氐湫娃r(nóng)村住宅采用testo174H型溫濕度自動(dòng)記錄儀進(jìn)行主要房間室內(nèi)外溫濕度24 h監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖2和圖3所示。室外溫度波動(dòng)較大，尤其夜間室外溫度降低，室內(nèi)由于有圍護(hù)結(jié)構(gòu)夜間散熱，使得溫度波動(dòng)相對(duì)較小。該地區(qū)夏季的室外濕度在70%～90%之間波動(dòng)，磚混農(nóng)宅室內(nèi)的相對(duì)濕度峰值達(dá)到85%，比室外相對(duì)濕度峰值低。該磚混農(nóng)宅室內(nèi)溫度波動(dòng)較小，溫度降幅不大，室內(nèi)溫度偏高，不在舒適溫度范圍內(nèi)。室內(nèi)相對(duì)濕度偏大，房間偏潮濕。

圖2 磚混室內(nèi)測(cè)點(diǎn)空氣溫度曲線(夏) 圖3 磚混室內(nèi)測(cè)點(diǎn)空氣濕度曲線(夏)

漢中屬于冬冷夏熱地區(qū)，建筑材料一般就地取材，建筑成本較低。從圖4可以看出：勉縣農(nóng)村房屋的墻體主要材料大多數(shù)都是燒結(jié)粘土磚(約占總數(shù)的70%)，其他以生土為主(約占總數(shù)的27%)；墻體材料使用種類的不同充分反映所屬地區(qū)的環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)狀況，如村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)較好的墻體主要材料為燒結(jié)粘土磚，山區(qū)由于地理和經(jīng)濟(jì)條件比較惡劣，墻體材料中生土、木、竹所占比重較大(約占總數(shù)的37.5%)。

1.3 構(gòu)造換置模擬

對(duì)已建成投入使用的建筑來說，更換圍護(hù)結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)，而BIM軟件提供了模擬建筑中圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的多樣選擇，進(jìn)而對(duì)不同方案的建筑模型進(jìn)行冷熱負(fù)荷能耗模擬。根據(jù)圖1磚混建筑平面圖，在BIM中的Ecotect(綠色建筑分析軟件之一)建立同尺寸的模型，并對(duì)于模型里屋頂、外墻、外窗、地面、天花、門等各個(gè)構(gòu)件賦予設(shè)計(jì)構(gòu)造A。構(gòu)造A是調(diào)研磚混建筑實(shí)際各個(gè)構(gòu)件，各個(gè)構(gòu)件構(gòu)造詳情與傳熱系數(shù)如表1所示，圖5為各構(gòu)件的構(gòu)造詳圖。構(gòu)造B是選取規(guī)范里的構(gòu)造限值[6]，在軟件中賦予模型。軟件對(duì)A、B兩棟模擬建筑物進(jìn)行具體的熱工性能分析，進(jìn)一步進(jìn)行能耗模擬計(jì)算。

圖4 勉縣村鎮(zhèn)住宅墻體主要材料統(tǒng)計(jì)圖

表1 建筑A、B構(gòu)造對(duì)比及材料參數(shù)

圖5 建筑構(gòu)件的構(gòu)造詳圖

2 能耗模擬

2.1 模擬計(jì)算條件

過去建筑能耗的研究工作是通過調(diào)查問卷、統(tǒng)計(jì)等方法進(jìn)行的，單棟建筑能耗通過能源消耗(電、水、經(jīng)濟(jì)方面的消耗)來表示，對(duì)于建筑本身的能耗變化研究意義不大。由于受到室外氣象因素及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的影響，建筑本體的冷熱負(fù)荷能耗不易計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，而BIM則可以提供更換圍護(hù)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行全年的冷熱負(fù)荷計(jì)算。本文采用對(duì)實(shí)際建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)改換，進(jìn)行同一建筑構(gòu)造A、B能耗詳細(xì)地分類模擬，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 模型B能耗計(jì)算

在Ecotect軟件中建立同尺寸的模型，加載漢中的氣象參數(shù)，熱環(huán)境設(shè)置選擇混合系統(tǒng)(mixed-mode system)，即一半空調(diào)系統(tǒng)，一半無空調(diào)自然通風(fēng)系統(tǒng)。在系統(tǒng)類型里的下拉菜單中有無系統(tǒng)(none)、自然通風(fēng)(nature ventilation)、混合模式系統(tǒng)(mixed-mode system)、全空調(diào)系統(tǒng)(full air condition)、僅采暖(heating only)、僅制冷(cooling only)6個(gè)選項(xiàng)[7]，考慮到現(xiàn)在的農(nóng)村住宅也可能安裝空調(diào)，選擇混合系統(tǒng)。Ecotect軟件中對(duì)模型B的全年逐月供暖、制冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖6所示。供暖能耗最大月在1月，負(fù)荷超過7.2×106W。制冷能耗最大月在7月，負(fù)荷不到3.6×106W。中線(縱坐標(biāo)為0 W)以上表示供暖，中線以下表示制冷。

圖6 模型B逐月供暖、制冷負(fù)荷圖

圖7 B建筑最熱日、最冷日各項(xiàng)能耗圖

Ecotect對(duì)模型B各項(xiàng)能耗計(jì)算結(jié)果如圖7所示，其中空白柱狀圖表示模型B在最熱日(大暑)、斜紋柱狀圖表示模型B在最冷日(冬至)的各項(xiàng)能耗，包含了采暖空調(diào)負(fù)荷(Hvac load)在最熱日制冷的能耗不到2×105W·h，而在最冷日供暖需要超過2.5×105W·h的能耗；圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱(Fabric)在最熱日得到的能耗約大于1.5×105W·h，而在最冷日需要的能耗超過2.5×105W·h；太陽輻射得熱(Solar)在最熱和最冷日得到能耗相差不大，數(shù)值較小，都恒為正值；冷風(fēng)滲透得失熱(Ventilation)在最熱日得到能耗與太陽輻射得熱比較偏多一點(diǎn)，而最冷日由于冷風(fēng)需要補(bǔ)充的能耗量更大一些；室內(nèi)人員與設(shè)備得熱(Inter)在最熱和最冷日得到能耗數(shù)值相差不大，都恒為正值；區(qū)域間得失熱(Zonal)在最熱日失去能耗較小，為負(fù)值，最冷日失去能耗非常微小，為負(fù)值，幾乎在圖上看不出來。

2.3 模型AB能耗比較

Ecotect計(jì)算模型A(空白柱狀圖)、B(斜紋柱狀)每個(gè)月能耗量如圖8所示。A、B建筑能耗模擬值柱狀圖變化趨勢(shì)一致，最冷月1月需要能耗(供暖)接近8×106W·h，最熱月7月能耗(制冷)則需要相對(duì)較少，不到3×106W·h。模型B比模型A每月能耗值低。Ecotect計(jì)算模型A、B建筑在供暖、制冷、總能耗值的對(duì)比如圖9所示，縱坐標(biāo)是建筑的能耗值，模型B較A在全年供暖、制冷、總能耗三方面的值均有所降低。

圖8 A、B逐月能耗對(duì)比圖 圖9 A、B建筑供暖、制冷、總能耗對(duì)比圖

3 結(jié)束語

本文根據(jù)陜南地區(qū)已建成的磚混建筑，采用典型通用的戶型作為Ecotect軟件模擬的實(shí)例，對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及各個(gè)構(gòu)件的熱工參數(shù)(主要是傳熱系數(shù))進(jìn)行了確定，對(duì)比該構(gòu)造類型的現(xiàn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)和規(guī)定性指標(biāo)，在模擬計(jì)算中對(duì)比各項(xiàng)能耗量。規(guī)定性指標(biāo)是《節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》的各種指標(biāo)限值，比現(xiàn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)要求高，所以模擬計(jì)算結(jié)果顯示：模型B逐月能耗較模型A低，全年各項(xiàng)能耗值也是模型B低。

運(yùn)用BIM技術(shù)改換現(xiàn)成建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要手段，也是未來建筑節(jié)能設(shè)的計(jì)發(fā)展方向。研究結(jié)果是《JGJ 134—2010夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的各種指標(biāo)限值，雖然有利于節(jié)能，但是模型B的能耗值降幅不大；建筑本身能耗除了與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與其他因素如體形系數(shù)、窗墻面積比等相關(guān)。因此，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮墻體、門窗、屋面以及它們之間的關(guān)系。