基于Ecotect的樓體建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

高欣怡

探索綠色節(jié)能建筑可持續(xù)發(fā)展的有效途徑是根據(jù)建筑的地域化環(huán)境特征，基于科學的節(jié)能建模設(shè)計工具及節(jié)能分析方法形成切實可行的節(jié)能方案，以提升建筑能耗節(jié)約效率，保證建筑的科學合理性[1]。目前建筑能源消耗占我國總能源消耗的比重已超過30%，既有建筑由于設(shè)計、建設(shè)技術(shù)等問題存在建筑結(jié)構(gòu)、外觀節(jié)能不合理的現(xiàn)象，所以對既有建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計是建筑行業(yè)必須面對的問題。Ecotect Analysis軟件是一款模擬建筑物綜合性能并可協(xié)助使用者分析設(shè)計的軟件，也稱Ecotect軟件。Ecotect軟件的功能是針對光、風、聲、熱、日照、氣象、可視度、環(huán)境等進行分析，方案制定之初，首先模仿建筑物的整體結(jié)構(gòu)建模，在此基礎(chǔ)上進行交互式遞推模擬分析、性能預(yù)測及可視化模擬性能比較，形成建筑節(jié)能的最優(yōu)方案。本文選擇南寧市某既有樓體建筑為研究對象，通過Ecotect軟件為其樓體圍護進行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，并構(gòu)建改造設(shè)計后的樓體熱環(huán)境，系統(tǒng)分析改造前后能源消耗、圍護結(jié)構(gòu)熱不舒適度等參數(shù)，形成南寧市及周邊地區(qū)類似建筑合理的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計方案參考。

1.樓體優(yōu)化前熱環(huán)境分析

1.1 既有建筑情況介紹

此樓體是位于南寧市的磚混結(jié)構(gòu)既有建筑，樓體建成時間8年，總層高6層，高27m，占地面積約為700m2，室內(nèi)建筑面積為18793m2，朝向為南北向，窗體為鋁制窗框單層玻璃。南寧市位于廣西壯族自治區(qū)南部，屬亞熱帶季風氣候，在每年春末冬初，日照時間相對較長，采光好，每年冬末春初，受強冷空氣影響，常常出現(xiàn)連續(xù)低溫、陰雨、寡照的天氣，室內(nèi)采光、溫度、空氣濕度都受到了很大的影響。在這段時間，室內(nèi)溫度低、陰冷，用戶不得不采取使用電暖氣、空調(diào)等措施來保證室內(nèi)的舒適性，對能源的消耗量較大。

1.2 基于Ecotect建模分析

通過Ecotect軟件為既有樓體建模，根據(jù)樓體結(jié)構(gòu)等比例構(gòu)建維護模型，輸入樓體相應(yīng)材質(zhì)及南寧市環(huán)境參數(shù)，開啟熱工分析。

1.2.1 分析熱不舒適度參數(shù)

舒適度可用來表示建筑物的熱環(huán)境質(zhì)量，是被動性區(qū)域性能的唯一衡量指標。圖1是此既有建筑物室內(nèi)人員的每月的熱不舒適度情況結(jié)果。橫坐標表示分析月份，縱坐標表示熱不舒適度數(shù)值，熱不舒適度值小于0表示對應(yīng)冷感覺值，熱不舒適度值大于0表示對應(yīng)熱感覺值。根據(jù)圖1顯示，11月至次年1月期間，樓體室內(nèi)空間呈現(xiàn)冷的感覺較突出，表明在這幾個月期間應(yīng)進行節(jié)能優(yōu)化。

圖1 既有建筑物不舒適度情況

1.2.2 分析建筑能耗參數(shù)

既有建筑物能耗是其投入使用后在一定時間內(nèi)耗費能源的合計值，其消耗來源包括空調(diào)、采暖、通風、照明、電氣設(shè)備等?；贓cotect軟件進行模型建立，并計算出此既有建筑的能耗情況，具體結(jié)果如圖2所示。其中橫坐標表示分析月份，縱坐標表示既有建筑總能耗數(shù)值，由圖可見建筑物在12月、1月和2月三個月能耗值較高，且通過數(shù)值大小可以看到這三個月取暖耗能量要大于夏季室內(nèi)制冷耗能。所以在節(jié)能設(shè)計時應(yīng)考慮這期間的保溫節(jié)能。

圖2 既有建筑物能耗情況

從以上分析可知，南寧市冬季室內(nèi)能耗相比夏季要高，在室內(nèi)不舒適感更加不理想，應(yīng)著重考慮冬季的節(jié)能改造設(shè)計。

2.樓體優(yōu)化后熱環(huán)境分析

通過優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)對既有建筑進行節(jié)能改造是較常見且效果明顯的方案。通過對既有建筑圍護結(jié)構(gòu)增加節(jié)能隔熱層，以降低整體圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)，可有效阻止冬季的冷空氣和夏季的熱空氣進入建筑室內(nèi)，從而減少輔助設(shè)備干預(yù)而使室內(nèi)保持舒適的溫度，實現(xiàn)建筑節(jié)能。

既有建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的方式很多，可主要歸結(jié)為通過屋面改造法、窗體改造法和外墻改造法等三大主流的方式。根據(jù)此項目實際，計劃選擇外墻改造法、窗戶改造法等方案進行比對，最終確定最優(yōu)的節(jié)能改造方案。外墻改造法采取在建筑外墻側(cè)分別安裝玻璃纖維保溫板和礦棉材料兩種設(shè)計。而窗體改造法是將原有建筑的鋁框單層玻璃設(shè)計改造為更加隔熱保溫的雙層真空玻璃，外框選擇鋁合金材質(zhì)。方案選定后需在Ecotect軟件進行建模分析，查詢并設(shè)置對應(yīng)材料的U值，不同保溫材料U值如表1所示。

表1 不同保溫材料U值表

設(shè)置對應(yīng)材料的U值計算得出對比分析結(jié)果如下圖所示。

圖4 能源消耗總量對比情況

根據(jù)計算數(shù)據(jù)可見，針對該案例，采用窗體改造法更換窗體材料得出的不舒適度和能源消耗總量模擬數(shù)據(jù)顯示節(jié)能效果均是最明顯的，所以優(yōu)先選擇改變窗戶材料的節(jié)能設(shè)計方案。

3.樓體優(yōu)化設(shè)計效果分析

通過Ecotect軟件模擬分析，設(shè)計選擇更換窗體材料的優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)方法，得出最優(yōu)節(jié)能設(shè)計效果。

3.1 能耗效果分析

本文案例中既有建筑經(jīng)過優(yōu)化后能耗降低很多，較明顯體現(xiàn)差值的時間主要集中在冬夏兩季，如圖5所示。

圖5 節(jié)能優(yōu)化前后對比情況

3.2 熱不舒適度效果分析

對比節(jié)能優(yōu)化前后的既有建筑全年不舒適數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的總值有明顯下降，舒適度提升明顯，如下圖6所示。

圖6 節(jié)能優(yōu)化前后熱不舒適度效果圖

4.結(jié)束語

本文通過利用Ecotect軟件對南寧市某既有樓體建立模型，確定最優(yōu)設(shè)計方案，并通過方案實施前后節(jié)能數(shù)據(jù)分析，形成結(jié)論。對比效果顯示，采用改變窗戶材料的節(jié)能設(shè)計方案，有效地增加了樓體的隔熱系數(shù)，提升隔熱效果明顯，達到了節(jié)能設(shè)計預(yù)期。