基于Ecotect的某檔案館建筑能耗仿真及分析

馮 志 文

[陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710003]

0 引 言

隨著我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展,伴隨而來的是建筑能耗越來越大,故降低建筑能源消耗,實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能建筑勢在必行。近年來,通過對農(nóng)村建筑能耗的分析,已經(jīng)得到了一些切實(shí)可靠的結(jié)論[1]。相比于農(nóng)村住宅建筑,城市公共建筑的規(guī)模更大、使用頻率更高、能源消耗更多,其節(jié)能減耗的潛在空間更大。

為了降低公共建筑能耗,研究人員對被動式超低能耗建筑、建筑部分參數(shù)設(shè)定、暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化、多元線性回歸方法分析建筑模型等方面進(jìn)行了廣泛的研究[2-10]。本文主要是運(yùn)用Ecotect軟件對某檔案館二層的局部區(qū)域進(jìn)行建模,然后通過選擇不同材質(zhì)對其模型進(jìn)行能耗模擬分析,從而初步估計(jì)其實(shí)際能耗,并對建筑的選材給出參考,這對實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能的公共建筑具有一定的實(shí)際意義。

1 基于Ecotect軟件對某檔案館進(jìn)行建模

對某檔案館2F局部的衛(wèi)生間、電梯前廳、休息室、大廳、樓梯間、樓梯前廳和辦公室等空間進(jìn)行建模分析[9]。某檔案館2F局部區(qū)域三維模型如圖1所示。

圖1 某檔案館2F局部區(qū)域三維模型

建完模型之后需要選擇建筑材質(zhì)。為了更好地比較選材對建筑能耗的影響,選取兩種不同的材質(zhì)進(jìn)行分析。第一種為普通非節(jié)能材料,在保溫性能方面較差,受外界溫度變化的影響較大,需要消耗更多的能源來維持室內(nèi)溫度的恒定。第二種選用導(dǎo)熱系數(shù)(主要影響因素)、準(zhǔn)入系數(shù)、太陽吸收率、熱衰減系數(shù)、熱滯后等方面性能更好的材料。兩種選材方案如表1所示。兩種選材方案的材料導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。

表1 兩種選材方案

材料導(dǎo)熱系數(shù)越小,其保溫隔熱性能越好。從表2可以看出,第二種選材方案的所有構(gòu)件導(dǎo)熱系數(shù)都要比第一種選材方案的導(dǎo)熱系數(shù)小,說明第二種選材方案更符合節(jié)能保溫材料的要求。

表2 兩種選材方案的材料導(dǎo)熱系數(shù)

2 熱工計(jì)算及能耗分析

2.1 屬性參數(shù)設(shè)置

對該檔案館2F的局部區(qū)域進(jìn)行熱工分析。在建筑氣象資料的設(shè)置中,將位置改為陜西西安;在區(qū)域管理中設(shè)置室內(nèi)熱舒適性區(qū)域環(huán)境的基本信息。

房間的區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置如圖2所示。

圖2 房間的區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置

在建筑內(nèi)部設(shè)計(jì)要求中,選擇人員的服裝設(shè)置為褲子和T恤,其熱阻值為0.6。室內(nèi)相對濕度為60%,風(fēng)速為0.50 m/s,照度水平為300 lx[4]。

在人員活動與設(shè)備運(yùn)行方面,根據(jù)開放辦公區(qū)域人均占有面積20 m2,可計(jì)算出該檔案館2F各個房間可容納的人數(shù)?！癝edentaty—55W”選項(xiàng)是根據(jù)建筑內(nèi)人員不同的工作行為來確定人的平均生物熱功率,通常情況下在辦公室工作的人的平均生物熱功率為55 W。根據(jù)室內(nèi)單位面積照明和設(shè)備負(fù)荷參數(shù),顯熱得熱為5 W/m2,潛熱得熱為2 W/m2。按照建筑內(nèi)部使用氣密性,空氣交換率設(shè)置為0.5 ach,環(huán)境附加換氣率為0.25 ach[4]。

“時間表”選項(xiàng)是用來確定人員在建筑內(nèi)活動的時間表,可以通過人員的工作時長來確定時間表。通過選擇不同時間的曲線節(jié)點(diǎn)來確定各個時間段的人員在室率,同時將星期一～星期五設(shè)置為工作日,星期六和星期日設(shè)置為休息日。建筑內(nèi)人員活動時間表如圖3所示。

圖3 建筑內(nèi)人員活動時間表

2.2 逐時溫度分析

在溫度分析的控制面板中,以建筑物全年中最冷的一天為研究對象進(jìn)行模擬分析。第一種選材的逐時溫度曲線圖如圖4所示;第二種選材的逐時溫度曲線圖如圖5所示。圖4、圖5是一年中最冷一天的溫度變化。

圖4 第一種選材的逐時溫度曲線圖

圖5 第二種選材的逐時溫度曲線圖

由圖4和圖5可見,室內(nèi)溫度變化都隨室外的溫度升高而升高,降低而降低,但整體上室內(nèi)溫度均基本保持恒定。圖4中這幾個房間的室內(nèi)溫度均維持在-4 ℃,與室外0∶00～10∶00溫度(-7 ℃)僅相差3 ℃;圖5中這幾個房間的室內(nèi)溫度都維持在-2 ℃,比室外0∶00～10∶00溫度(-7 ℃)高5 ℃,且這幾個房間的室內(nèi)溫度相比第一種選材的室內(nèi)溫度更加穩(wěn)定,說明使用第二種材料的保溫性能更好,所需的能耗更低。

2.3 逐月能耗分析

第一種選材的逐月能耗分析如圖6所示;第二種選材的逐月能耗分析如圖7所示。

圖6 第一種選材的逐月能耗分析

由圖6、圖7檔案館2F的局部區(qū)域冷熱負(fù)荷模擬結(jié)果,可以直觀看出建筑物每個月制冷和制熱所需的能耗,便于逐月能耗對比。

圖7 第二種選材的逐月能耗分析

第一種、第二種選材逐月能耗數(shù)據(jù)分別如表3、表4所示。

表3 第一種選材逐月能耗數(shù)據(jù)

由表3可以看出,全年總制冷量為5 332 DegHr,總制熱量為19 510 DegHr,總能耗為24 842 DegHr;由表4可以看出,全年總制冷量為10 013 DegHr,總制熱量為12 066 DegHr,總能耗為22 078 DegHr。由此可知,第二種選材的建筑總能耗更低,因此在實(shí)際運(yùn)用中盡可能地選擇綠色節(jié)能的建筑材質(zhì)。

表4 第二種選材逐月能耗數(shù)據(jù)

2.4 熱負(fù)荷分布分析

為了清楚直觀地了解建筑在不同途徑中得/失熱情況,從而了解影響建筑得/失熱的主要方面,需進(jìn)一步改善其性能和優(yōu)化設(shè)計(jì),從而達(dá)到建筑節(jié)能的目的。

第一種選材、第二種選材的熱負(fù)荷分布分別如圖8、圖9所示。

圖8 第一種選材的熱負(fù)荷分布

圖9 第二種選材的熱負(fù)荷分布

第一種、第二種選材熱負(fù)荷分布數(shù)據(jù)如表5、表6所示。

表5 第一種選材熱負(fù)荷分布數(shù)據(jù)

表6 第二種選材熱負(fù)荷數(shù)據(jù)

由表5和表6可知,第一種選材的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱占比高達(dá)94.50%,而第二種選材的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱占比為53.20%,說明第二種的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性更好,第一種選材的建筑受太陽光照射獲得的熱量達(dá)到75.20%,而第二種選材的建筑受太陽光照射獲得的熱量僅為17.50%,說明第二種選材的建筑隔熱性能更好;第一種選材的建筑從房間內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行和人員活動獲得的熱量僅占15.80%,而第二種選材的建筑從房間內(nèi)設(shè)備運(yùn)行和人員活動獲得的熱量高達(dá)72.30%,說明第一種選材的建筑蓄熱性能和門窗的氣密性都較差,相比于第一種選材,第二種選材的建筑在蓄熱和門窗的氣密性方面都表現(xiàn)較好。

通過對熱量損耗與獲取途徑進(jìn)行分析,可以獲得建筑物不同構(gòu)件的能耗得/失詳細(xì)情況,從而得知對建筑物能源消耗影響最大的是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。為了盡可能地降低建筑能耗,應(yīng)對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的熱工性能進(jìn)行深入了解,可以對建筑物的材料選擇、外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及采暖空調(diào)系統(tǒng)的選擇提供參考依據(jù)。

3 采光分析

為了使人工照明的損耗降到最低,需要合理利用白天的自然采光,因此需要對該區(qū)域自然采光進(jìn)行分析。

在采光分析的控制面板中,選擇CIE全陰天的天氣條件對該檔案館進(jìn)行采光模擬分析,是為了模擬最差天氣環(huán)境中的室內(nèi)采光條件,得出某檔案館自然采光的模擬結(jié)果。自然采光分析如圖10所示。采光系數(shù)如表7所示。

圖10 自然采光分析

表7 采光系數(shù)

根據(jù)GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中第2.1.5條,采光系數(shù)是指在室內(nèi)參考平面上的一點(diǎn),由直接或間接地接收來自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而產(chǎn)生的照度與同一時刻該天空半球在室外無遮擋水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度之比。根據(jù)GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.8條相關(guān)規(guī)定,“采光系數(shù)滿足采光要求的面積比例達(dá)到60%”方可得分。

由表7可知,在自然采光的條件下,采光系數(shù)大于2%的面積比為21.24%,遠(yuǎn)低于60%。因此,在對建筑設(shè)計(jì)初期,應(yīng)充分考慮建筑的窗地面積比,盡可能利用天然光使建筑房間內(nèi)的采光系數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值,從而減少人工照明能耗。

4 結(jié) 語

通過運(yùn)用Ecotect軟件對某檔案館進(jìn)行建筑能耗模擬分析,可以得出某檔案館2F的局部區(qū)域一年制熱所需要的能耗和制冷所需要的能耗,以及一年中不同月份所需的能耗量,這對公共建筑的能源規(guī)劃管理具有一定的參考價值。在對建筑的照明設(shè)計(jì)方面,應(yīng)對建筑的門和窗進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì),以便能夠充分利用自然光,降低建筑照明能耗,實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。建筑物熱量散失主要是通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)散失的,因此在對建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時著重考慮其保溫隔熱的性能。