張成龍 李介鵬*,2

1.吉林建筑大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

2.上海海上藝號(hào)教育培訓(xùn)有限公司

1 引言

木結(jié)構(gòu)建筑在節(jié)能環(huán)保、綠色低碳、防震減災(zāi)、工廠化預(yù)制、施工效率等方面也凸現(xiàn)了更多的優(yōu)勢(shì)。木結(jié)構(gòu)建筑的大規(guī)模興建對(duì)于實(shí)現(xiàn)東北嚴(yán)寒地區(qū)的建筑節(jié)能、興建綠色建筑甚至零能耗建筑都有十分重要的參考價(jià)值，對(duì)于建設(shè)兩型社會(huì)，提高生態(tài)文明水平，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。而當(dāng)前對(duì)于現(xiàn)有建筑，對(duì)其進(jìn)行木結(jié)構(gòu)建筑的改建替代設(shè)計(jì)，運(yùn)用數(shù)字化建筑能耗模擬的方法對(duì)其進(jìn)行能耗模擬計(jì)算，可以很好地指導(dǎo)新建木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、施工和建造[1]。

本文將從吉林建筑大學(xué)逸夫教學(xué)館寒地城市設(shè)計(jì)研究中心的現(xiàn)有辦公和木結(jié)構(gòu)改建空間的建筑能耗模擬入手，結(jié)合模擬計(jì)算后的能耗參數(shù)對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑空間提出合理的改造策略。

2 研究方法

2.1 研究對(duì)象

吉林建筑大學(xué)逸夫教學(xué)館位于吉林省長(zhǎng)春市凈月區(qū)，建筑面積27492m2，于2011 年10 月破土動(dòng)工，2013 年5 月投入使用。主要用于建筑與規(guī)劃學(xué)院和藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院的教學(xué)、辦公及科研。寒地城市設(shè)計(jì)研究中心工作室空間位于逸夫教學(xué)館一層[1]，建筑面積為162m2，高度為3.5m，為2 位中心主任老師和約14 名科研人員提供辦公、學(xué)習(xí)場(chǎng)所。

原有辦公工作空間建成初期為學(xué)校的學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心，一度也為學(xué)校的設(shè)計(jì)研究院提供師生的辦公學(xué)習(xí)場(chǎng)所，現(xiàn)擬對(duì)該辦公空間進(jìn)行改造，成立校級(jí)科研平臺(tái)寒地城市設(shè)計(jì)研究中心，以適應(yīng)當(dāng)前與接下來(lái)學(xué)校的科研發(fā)展需求。原建筑結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，整棟建筑為長(zhǎng)春市統(tǒng)一供暖，暖氣為靠墻式暖氣片供暖，考慮到建筑為寒地建筑，因此設(shè)計(jì)之初無(wú)夏季制冷措施，并無(wú)節(jié)能措施，因此需進(jìn)行改造。

2.2 研究方法與軟件選擇

（1）建筑能耗模擬：美國(guó)暖氣和空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHAE）將能耗模擬方法分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是“正向模擬法”（或經(jīng)典方法）；另一種是“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法”（或逆向模擬法）。本案例主要應(yīng)用了正向模擬法對(duì)建筑空間進(jìn)行模擬[1]。

（2）Energy Plus：EnergyPlus由美國(guó)能源部（Department of En?ergy，DOE）和勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley Na?tional Laboratory，LBNL）共同開(kāi)發(fā)的一款建筑能耗模擬內(nèi)核引擎，是性能比較優(yōu)異、可靠性較強(qiáng)的能耗模擬軟件，可以對(duì)建筑、構(gòu)件、空間界面等對(duì)象進(jìn)行采暖、制冷、照明、通風(fēng)以及其他能源消耗的等價(jià)換算和進(jìn)行全面能耗模擬分析。常見(jiàn)的EnergyPlus的用戶(hù)界面有兩種，OpenStudio（Legacy Openstudio）和Design?Builder，本案例使用的二次開(kāi)發(fā)軟件為DesignBuilder，可以比較準(zhǔn)確地對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全方位能耗模擬。

（3）DesignBuilder：內(nèi)置了EnergyPlus 的能耗模擬內(nèi)核，是EnergyPlus 的再次開(kāi)發(fā)軟件，可以實(shí)現(xiàn)自然采光模擬分析、大規(guī)模模型的能耗模擬分析，其內(nèi)置了建筑的地理位置系統(tǒng)，可以直接進(jìn)行當(dāng)?shù)貧夂虻膮?shù)設(shè)置，并具備了數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)等一系列功能，可以大大提高分析的易用性和可操作性。

3 寒地城市設(shè)計(jì)研究中心既有工作室空間數(shù)字化能耗模擬

3.1 建立規(guī)范性建筑能耗基本模型

一般設(shè)計(jì)過(guò)程中的建筑建模更多的是為了體現(xiàn)建筑的造型、材質(zhì)、功能等方面，但對(duì)于建筑能耗模擬而言，更側(cè)重于建筑各個(gè)功能空間區(qū)域的能耗模擬計(jì)算，因此所建模型并不一定需要直觀，各個(gè)功能空間區(qū)域可以直接簡(jiǎn)化為熱工分區(qū)（zone），并進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，本案例的功能空間有研究員辦公空間、教職工工作空間、儲(chǔ)藏空間、接待空間、休憩空間等，各個(gè)空間的人流量和熱工需求不同，因此對(duì)于不同熱工分區(qū)，其內(nèi)部的熱工參數(shù)需要進(jìn)行不同的設(shè)置。

數(shù)字化模型具有簡(jiǎn)易性、確定性和線形設(shè)置等特點(diǎn)，與實(shí)際建筑有很大的不同，因此在建模過(guò)程中需要對(duì)原有模型進(jìn)行簡(jiǎn)易化提取，對(duì)樓地板、墻面等維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：

（1）本模擬對(duì)象為工作室空間，實(shí)際空間中并無(wú)墻體分隔，工作空間人員的流動(dòng)性很大，參照《公共建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于“不同類(lèi)型房間人均占有的使用面積”的規(guī)定，接待空間（zone1，含小型會(huì)議空間）取值2.5m2/人，研究員辦公空間（zone2）取值4m2/人，教職工工作空間（zone3）取值8m2/人，休憩與會(huì)議空間（zone4）取值2.5m2/人，儲(chǔ)藏空間（zone5）取值0m2/人。

（2）本空間模型參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)建筑南向開(kāi)窗面積的規(guī)定，按照選取區(qū)間中的中間值來(lái)進(jìn)行設(shè)置，取值30%。

（3）本項(xiàng)目位于吉林省長(zhǎng)春市，屬于嚴(yán)寒地區(qū)的室內(nèi)空間，模型建立時(shí)外墻參數(shù)按照吉林省長(zhǎng)春市典型氣象年參數(shù)設(shè)置，屋頂部分及內(nèi)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)吉林建筑大學(xué)逸夫教學(xué)館地源熱泵檢測(cè)室測(cè)量的全年室內(nèi)外溫度統(tǒng)計(jì)表取全年平均值進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

3.2 基本參數(shù)組建與工況介紹

（1）室外熱工參數(shù)。長(zhǎng)春市屬于嚴(yán)寒C類(lèi)地區(qū)，年平均氣溫最高11℃，年平均最低氣溫0℃，年平均氣溫為5.5℃，極低的溫度為建筑的保溫設(shè)計(jì)提出了更高的要求，同時(shí)相較于其他地區(qū)，建筑的能耗也更大，每年月平均氣溫低于-10℃的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月，利用DesignBuilder內(nèi)置的EnergyPlus的典型氣象年參數(shù)，對(duì)建筑換氣次數(shù)、建筑溫濕系統(tǒng)、假期時(shí)長(zhǎng)參數(shù)、空間得熱比例等參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值或相同參數(shù)，項(xiàng)目頂部的溫度設(shè)置則采用檢測(cè)室測(cè)量的全年平均氣溫進(jìn)行設(shè)置，其他參數(shù)，如維護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)、建筑設(shè)計(jì)參數(shù)、維護(hù)導(dǎo)熱系數(shù)等需要查找材料后手工錄入。

表1 建筑造價(jià)表（元）

（2）室內(nèi)熱工參數(shù)。本項(xiàng)目需建立現(xiàn)狀模型與節(jié)能改造模型進(jìn)行能耗對(duì)比分析，分別對(duì)不同的熱工模型進(jìn)行建筑模擬參數(shù)的錄入和計(jì)算最后進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，現(xiàn)狀模型的熱工參數(shù)主要參照原設(shè)計(jì)技術(shù)圖紙和設(shè)計(jì)規(guī)范，節(jié)能改造模型的熱工參數(shù)設(shè)置則主要參照設(shè)計(jì)規(guī)范及加拿大木業(yè)協(xié)會(huì)提供的材料熱工數(shù)據(jù)進(jìn)行參照設(shè)置。

本項(xiàng)目的原有空間為典型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其熱工參數(shù)可直接在DesignBuilder 軟件中進(jìn)行設(shè)置，改建的木結(jié)構(gòu)空間模型采用節(jié)能幕墻系統(tǒng)，參照上?，F(xiàn)代集團(tuán)提供的節(jié)能木墻墻體的傳熱系數(shù)，墻體內(nèi)部使用巖棉和玻璃纖維作為保溫材質(zhì)，墻體龍骨尺寸為38mm×89mm，設(shè)置使用巖棉的墻體傳熱系數(shù)為0.37W/（m2·k）～0.40W/（m2·k），改進(jìn)墻體龍骨尺寸為38mm×140mm且增加外墻保溫構(gòu)造，使傳熱系數(shù)下降為0.3W/（m2·k）以下。經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)模型的熱能耗性能得到了極大的加強(qiáng)，原有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)若需達(dá)到改進(jìn)模型的熱工效能，墻體厚度需增加10cm 以上，或增設(shè)成本較高的外保溫板。由此可知在嚴(yán)寒地區(qū)，節(jié)能木墻系統(tǒng)的加入可以是建筑的節(jié)能性能更加優(yōu)異。在本項(xiàng)目的參數(shù)設(shè)置中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)部分參數(shù)按照GB 50189－2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于辦公建筑的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，外墻參數(shù)參照加拿大木業(yè)協(xié)會(huì)提供的《輕型木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)》中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。

3.3 HVAC

HVAC（Heating, Ventilation and Air Conditioning），即供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是對(duì)構(gòu)筑物內(nèi)溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的系統(tǒng)，本項(xiàng)目中的HVAC 系統(tǒng)主要涉及的有采暖供熱系統(tǒng)，夏季制冷系統(tǒng)在改進(jìn)模型中采用學(xué)校逸夫教學(xué)樓中統(tǒng)一設(shè)置的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行制冷換氣，根據(jù)建筑能耗模擬標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE62.1，系統(tǒng)設(shè)置加熱溫度參數(shù)為13℃～20℃，制冷溫度參數(shù)為26℃～32℃，本項(xiàng)目的改造模型也加入了簡(jiǎn)單的遮陽(yáng)系統(tǒng)進(jìn)行夏季遮陽(yáng)。

由于現(xiàn)有工作室納入到了城市統(tǒng)一供熱系統(tǒng)，采暖周期設(shè)置為10 月20 日～3 月20 日，供熱系統(tǒng)采用學(xué)?，F(xiàn)有的AUX HW loop 集中供熱系統(tǒng)?，F(xiàn)有的供熱系統(tǒng)現(xiàn)率較低，改進(jìn)模型中進(jìn)行了升級(jí)改造，在原有模型基礎(chǔ)上啟用逸夫教學(xué)館設(shè)有的土壤源熱泵系統(tǒng)。本項(xiàng)目的地源熱泵系統(tǒng)采用的是雙U 型垂直埋管，配備有中心日本機(jī)房，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑室內(nèi)溫度，配備了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)，建筑內(nèi)有兩個(gè)熱工環(huán)路，設(shè)有內(nèi)外環(huán)井各一個(gè)，外環(huán)井間距為5m，內(nèi)環(huán)井間距為4m、5m、6m。

4 基于數(shù)字能耗模擬的木結(jié)構(gòu)改造空間優(yōu)化對(duì)比分析

4.1 建筑能耗模擬能耗基礎(chǔ)分析

利用DesignBuilder 軟件自帶的簡(jiǎn)易建模功能對(duì)兩個(gè)空間模型進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置并運(yùn)行能耗計(jì)算后，可以得到以下結(jié)論：

改進(jìn)模型加入了全新的HAVC 系統(tǒng)，全年的溫度變化比較均衡，長(zhǎng)期保持在20℃上下，原有空間并無(wú)夏季制冷系統(tǒng)，夏季最高氣溫可達(dá)30℃以上，全年氣溫變化強(qiáng)烈，土壤源熱泵系統(tǒng)的加入，使得實(shí)際能耗大大降低，同時(shí)由于地?zé)崮茉磳儆跐崈艨稍偕茉?，相較于原有的化石能源，對(duì)外界環(huán)境的影響大大降低，節(jié)能效果顯著。

兩種計(jì)算模型均有不同的HAVC 系統(tǒng)，無(wú)法單純比較外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能效力，因此可將兩種模型的HAVC 模型變量去除再次進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算后發(fā)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部室內(nèi)溫度自10月至次年6月期間的單位月平均溫度要比原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的模型高2℃～4℃，在7 月至9 月的單位月平均溫度要比原模型低1℃。證明木結(jié)構(gòu)模型比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型的人體舒適度要高，建筑能耗性能要好。

4.2 建筑造價(jià)及溫室氣體排放分析

4.2.1 建筑模型造價(jià)分析

在DesignBuilder 軟件分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)空間界面進(jìn)行能耗模型建模中，利用Cost and Carbon 計(jì)算模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，可以快速計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)、HVAC、采光、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、上層結(jié)構(gòu)、玻璃窗等構(gòu)件的工程造價(jià)，并預(yù)估出項(xiàng)目的總體造價(jià)（見(jiàn)表1）。

通過(guò)計(jì)算可以得出，以木結(jié)構(gòu)為主要維護(hù)空間的建筑模型比以鋼筋混凝土為主要維護(hù)空間的建筑模型在整體建筑的造價(jià)上要節(jié)省三分之二左右，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的造價(jià)變化不大，改造空間模型由于加入了遮陽(yáng)系統(tǒng)，因此造價(jià)有所升高，但就建筑的總體造價(jià)來(lái)看，木結(jié)構(gòu)建筑模型比鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)模型的總造價(jià)要低4萬(wàn)元左右。

4.2.2 溫室氣體排放分析

由DesignBuilder 軟件模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，木結(jié)構(gòu)改造空間的溫室氣體排放量為10555.8kg，僅為混凝土建筑的三分之一左右（35771.7kg），對(duì)建筑的外環(huán)境影響遠(yuǎn)小于混凝土建筑，木結(jié)構(gòu)界面節(jié)能效果顯著。

4.3 建筑能耗比較

對(duì)兩種空間模型進(jìn)行單位采暖熱量檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總分析。利用現(xiàn)有實(shí)際測(cè)量所得到的年平均氣溫和年平均室內(nèi)外溫度差進(jìn)行原空間的能耗模擬計(jì)算，然后對(duì)木結(jié)構(gòu)空間進(jìn)行采暖耗熱量的計(jì)算。最后根據(jù)計(jì)量和檢測(cè)建筑物室內(nèi)外平均溫度,得到實(shí)測(cè)采暖耗熱量和折算到標(biāo)準(zhǔn)年?duì)顟B(tài)下的建筑物單位采暖耗熱量。通過(guò)以上的方法進(jìn)行的能耗模擬計(jì)算，對(duì)原有模型可以有比較準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)性，能夠?qū)ζ渌梢赃M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算的建筑場(chǎng)景建模計(jì)算有很好的指導(dǎo)性和借鑒性。

根據(jù)檢測(cè)計(jì)算,原有空間體形系數(shù)為0.63，建筑面積為160.75m2, 供熱期供熱天數(shù)為178d, 實(shí)際檢測(cè)研究天數(shù)為284d（40周,26816h）,原有空間實(shí)測(cè)采暖耗熱量為1726.5 MJ/m2/year,折算到標(biāo)準(zhǔn)年的建筑物單位采暖耗熱量為35.77W/m2，采暖耗煤量為212.813kg/m2。根據(jù)檢測(cè)計(jì)算, 木結(jié)構(gòu)空間體形系數(shù)為0.63,建筑面積為160.75m2,供熱期供熱天數(shù)為178d,實(shí)際檢測(cè)

研究天數(shù)為284d（40 周, 26816h），理論計(jì)算的采暖耗熱量為

1689.8 MJ/m2/year,采暖耗煤量為64.505kg/m2。通過(guò)對(duì)比可以得出，木結(jié)構(gòu)模型比鋼筋混凝土模型有更好的節(jié)能效力。

5 結(jié)束語(yǔ)

木結(jié)構(gòu)建筑在生命全周期內(nèi)可再生重復(fù)利用，其低能耗、吸濕性、低技術(shù)易獲得等方面都比當(dāng)前常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在建筑模型的能耗模擬對(duì)比計(jì)算上,木結(jié)構(gòu)空間與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)空間的單位面積建筑能耗性能均高于60%以上。木結(jié)構(gòu)建筑在對(duì)保溫隔熱要求較高的地區(qū)尤其是東北嚴(yán)寒地區(qū)的建筑能耗性能極佳，可以很好地保持室內(nèi)的舒適性。