裴雨露 強天偉 李躍奇

基于Ecotect軟件的西安某辦公樓圍護結構優(yōu)化設計

裴雨露 強天偉 李躍奇

（西安工程大學城市規(guī)劃與市政工程學院 西安 710048）

目前我國很多既有建筑的節(jié)能性并不能達到國家的綠色建筑節(jié)能標準，會對環(huán)境產生較大的影響。擬對建筑的圍護結構改造進行模擬研究。首先采用Ecotect建筑節(jié)能軟件對西安某辦公樓圍護結構進行節(jié)能改造模擬，其次對改造后的建筑熱環(huán)境進行模擬分析，最后得出最優(yōu)圍護結構節(jié)能改造方案。模擬結果顯示改變窗戶材質可以最大化降低建筑能耗，為既有建筑的節(jié)能優(yōu)化設計提供一定的理論依據。

ecotect；既有建筑；節(jié)能改造

0 引言

隨著人類社會的發(fā)展，環(huán)境和資源發(fā)展也越來越嚴峻，作為如今經濟發(fā)展命脈的建筑業(yè)在滿足人類需求的同時也在消耗大量的能源。大量現(xiàn)有建筑由于時間、技術問題存在許多不符合綠色節(jié)能標準的情況，影響現(xiàn)代城市建筑發(fā)展，統(tǒng)計顯示建筑的能耗占一次能源利用的20%～40%[1,2]。因此，現(xiàn)有建筑的改造和優(yōu)化是當今建筑從業(yè)人員面臨的一個重要問題。重慶大學的魯華章教授[3]從節(jié)能機制角度分析我國既有建筑節(jié)能現(xiàn)狀并提出優(yōu)化策略；清華大學的林波榮教授[4]對不同地區(qū)既有建筑分析，得出節(jié)約能耗和改善環(huán)境的技術策略；Reinhard，Martin[5]通過更換德國既有住宅的圍護結構和供熱系統(tǒng)對節(jié)能改造偏好進行了分析；Somsak Nopparat[6]研究了安裝百葉窗后對建筑室內熱環(huán)境的影響。

Ecotect是一個全面的技術性能分析輔助設計軟件，提供了一種交互式的分析方法，便于逐步推進方案。其包含了熱、光、聲、風、日照、經濟型及環(huán)境影響、可視度六類分析功能，還附帶一個可視化氣象數(shù)據分析模塊。在方案的初始階段，通過計算機模擬建筑的空間，體型等對其模型進行性能預測，通過可視化進行分析比較，得出最佳設計方案[7]。本文以西安某辦公樓為例，對其圍護結構進行改造優(yōu)化，利用生態(tài)模擬軟件ecotect對現(xiàn)有建筑及優(yōu)化后建筑進行熱環(huán)境模擬，深入分析其溫度分布、圍護結構得熱、能源消耗和熱舒適度，得出適用于西北地區(qū)既有建筑的優(yōu)化策略。

1 優(yōu)化設計前辦公樓熱環(huán)境分析

1.1 項目概況

本項目是一棟建筑年紀10年的典型辦公樓，位于陜西省西安市，地理位置在建筑熱工劃分區(qū)中屬于夏熱冬冷地區(qū)，太陽輻射全年幅度變化不大，全年濕度較為平均。在冬季采用市政集中供暖，夏季空調制冷，建筑能耗較大。辦公樓為磚混結構，南北方向布置，窗戶采用單層玻璃鋁制窗，一字型平面帶天臺，共6層，2個單元。長27m，寬21m，總高24m，建筑面積約為13608m2。

1.2 ECOTECT模擬分析

在模擬軟件ecotect里建立辦公樓模型，如圖1所示，按照辦公樓的圍護結構構造賦予各個構件相對應的材質，導入西安地區(qū)的氣候條件進行熱工分析。

圖1 辦公樓能耗模擬模型

（1）逐月能耗分析模擬

建筑能耗是指建筑物（包括民用，商業(yè)及其他生產部分）建成后消耗商品能源的總和，包括了采暖，空調，照明，熱水供應，通風，電梯等。其中采暖和空調占了建筑能耗的一大部分。本文用能耗分析軟件模擬出了整個辦公樓及各個區(qū)域的能耗，結果如圖2所示。柱狀圖表示的是不同月份辦公樓的總能耗量，從圖中可以看出在12月-2月，建筑的能耗較大，表示辦公樓的冬季供暖能耗遠高于夏季的制冷能耗，也就是說在優(yōu)化設計時應特別加強冬季的保溫措施，防止熱量散失。

圖2 既有辦公樓逐月能耗分析

（2）逐月熱不舒適度分析

舒適度是被動性區(qū)域性能的唯一衡量指標，它能反應建筑熱環(huán)境的質量。圖3所示為自然通風狀室內有辦公人員的逐月熱不舒適度。其橫坐標為月份，縱坐標表示熱不舒適度，正數(shù)代表熱感覺增加，負數(shù)代表冷感覺加重。如圖3所示，12月-2月的室內不舒適度更高，表現(xiàn)為過冷，其中在1月份最冷，也說明在改善舒適度方面，需要加強冬天的改善措施。

圖3 既有辦公樓逐月熱不舒適度分析

（3）逐時得熱分析

逐時得熱分析顯示的是在一天24h之內熱量的變化，得熱量單位為瓦特（W）。默認條件下此分析的是整個建筑1月9日24小時內各種來源得熱的變化曲線。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，對于整個建筑來說，在冬季影響最大的是暖通空調系統(tǒng)，損失較多，圍護結構得熱基本趨于平穩(wěn)，太陽得熱較小，室內的熱量變化趨于穩(wěn)定，也反應了圍護結構保溫措施需改進。

圖4 既有辦公樓逐時得熱分析曲線圖

通過eccotect軟件對西安某辦公樓的熱環(huán)境分析，可以發(fā)現(xiàn)西安地區(qū)的冬季氣溫更為寒冷，能耗也較夏季高，人體不舒適性更不為理想，在優(yōu)化設計中應該著重冬天的防護措施。

2 優(yōu)化設計后辦公樓熱環(huán)境分析

對于既有建筑來說，改造圍護結構是一項有效簡易的節(jié)能措施。根據JGJ134-2001《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》[8]，通過在既有建筑的圍護結構上增加保溫的隔熱層，來減小圍護結構的傳熱系數(shù).夏季通過阻止室外的空氣進入室內，以使得室內的溫度保持在較低的溫度，從而減少制冷需要降低的溫度；冬季同樣阻止室外的冷空氣進入室內，讓室內溫度保持在較高的溫度，以減少供熱，從而達到節(jié)能降耗的目的。

陜西省的圍護結構節(jié)能標準有三大類，外墻構造方法，窗戶改造，屋面構造法共十四種。結合本項目，擬選取三種方法來改變其圍護結構，綜合比較更節(jié)能的方案。對于窗戶改造，既有建筑采用的是單玻璃鋁窗，門窗節(jié)能改造后，窗框選用了鋁合金，而能量損耗最大的玻璃則選擇了保溫隔熱性能更好的雙層中空玻璃。對于既有建筑外墻，擬采用在主體外墻外側鋪設礦棉和玻璃纖維保溫板兩種方案。模擬方法如上，需要在能耗分析軟件中改變材料的值，查閱文獻知既有辦公樓的單玻璃鋁窗值為6.0W/m2·K，外墻值為1.880W/m2·K優(yōu)化后采用的雙層玻璃鋁窗值為2.7W/m2·K，選用的保溫材料為礦棉的值為0.920W/m2·K，采用玻璃纖維的外墻值為0.640W/m2·K。模擬分析結果如圖5～6所示。

圖5 各方案總能源消耗量

圖6 各方案熱不舒適度分析

從模擬結果可知，對于該辦公樓，通過改變門窗的材質達到的節(jié)能效果遠大于改變不同外墻墻材的節(jié)能效果，改變窗材料，對提高熱舒適度的貢獻最大，綜合考慮本項目的優(yōu)化方案以改變窗材為主。

3 優(yōu)化方案比較

本文通過改變圍護結構來改變其傳熱性能，運用軟件對該建筑及優(yōu)化后建筑進行模擬分析，得出優(yōu)化結果。

（1）能耗對比

通過圖7可知，優(yōu)化后的全年平均能耗量比之前的既有建筑平均能耗有所下降。從圖8的逐月能耗對比分析可以看出，能耗減少主要集中在夏季和冬季，可以顯示出優(yōu)化后的設計改善了室內的能耗問題。

圖7 優(yōu)化前后建筑平均能耗分析

圖8 優(yōu)化前后建筑逐月能耗分析

（2）熱不舒適度分析對比

如圖9所示的是既有建筑的全年不舒適度總和與優(yōu)化后的全年不舒適度對比，從圖中也可以看出優(yōu)化后的建筑不舒適度總和比既有建筑的不舒適度總和低，表示了優(yōu)化后室內的熱舒適度有所提升。

圖9 優(yōu)化前后建筑熱不舒適度對比

（3）建筑圍護結構得熱分析對比

圖10表示既有建筑的圍護結構得熱，圖11表示的是優(yōu)化后建筑圍護結構得熱，對比分析可以看，冬季的既有建筑的失熱明顯比優(yōu)化后的建筑失熱多，而夏季，既有建筑的圍護結構得熱比優(yōu)化后的建筑得熱多。對比也說明，對既有建筑的圍護結構改造，其保溫隔熱性能有所提高，建筑能耗會因此降低，也會提高熱舒適度，達到預期效果。

圖10 優(yōu)化前建筑圍護結構得熱分析圖

圖11 優(yōu)化后建筑圍護結構得熱分析圖

4 結論

本文用ecotect對西安市某辦公樓以及優(yōu)化設計后的熱環(huán)境進行模擬，分析其能耗，不舒適度以及得熱對比，可得出在節(jié)能改造中通過改變圍護結構的方法，可以降低圍護結構的傳熱能力，增加圍護結構的保溫隔熱系數(shù)，從而減少了現(xiàn)有建筑的能源消耗以及不舒適度時間，提高了室內熱舒適性，達到了優(yōu)化的目的。本文為類似方案的改造提供了一定的參考。

[1] Energy Information Administration. International Energy Outlook,2013[M]. Government Printing Office, 2013.

[2] Castleton H F, Stovin V, Beck S B, et al.Green roofs,building energy savings and the potential for retrofit[J]. Energy and Buildings, 2010,42(10).

[3] 魯華章.既有大型公共建筑節(jié)能激勵機制優(yōu)化設計[J].城市開發(fā),2015,(12):80-81.

[4] 林波榮,李紫微.氣候適應型綠色公共建筑環(huán)境性能優(yōu)化設計策略研究[J].南方建筑,2013,(3):17-21.

[5] Martin Achtnichta, Reinhard Madlener. Factors influencing Germanhouse owners preferences on energy retrofits[J]. Energy Policy, 2014,(68):254-263.

[6] Nopparat Khamporn, Somsak Chaiyapinunt. Effect of installing a venetian blind to a glass window on human thermal comfort[J]. Building and Environment, 2014,(82):713-725.

[7] 柏慕培訓.Autodesk Ecotect Analysis綠色建筑分析應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[8] JGJ134-2001,夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

Optimal Design of Enclosure Structure of an Office Building in Xi’an Based on Ecotect Software

Pei Yulu Qiang Tianwei Li Yueqi

( Xi’an Polytechnic University,School of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi’an, 710048)

At present, many existing buildings in China energy-saving can not meet the country's green building energy-saving standards, will have a greater impact on the environment. This paper intends to carry on the simulation research to the building enclosure structure transformation. Firstly, the energy-saving reconstruction of an office building in Xi' an is simulated by using Ecotect building energy saving software, and then the thermal environment of the reconstructed building is simulated and analyzed, and the energy-saving transformation scheme of the optimal envelope structure is finally obtained. The simulation results show that changing the window material can minimize the energy consumption of the building and provide some theoretical basis for the energy saving optimization design of the existing building.

ecotect; existing building; energy saving

TU243.2

A

1671-6612（2020）01-081-05

裴雨露（1997-），女，在讀碩士研究生，E-mail：1253541342@qq.com

強天偉（1970.11-），男，博士研究生，教授，E-mail：254599797@xpu.edu.cn

2019-06-17