高寒地區(qū)低能耗民居建筑DeST模擬

韓 秀，劉 男

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150030)

1 引言

為了降低能耗需求[1]，最大限度地實現(xiàn)熱量的循環(huán)利用，在建筑設計和規(guī)劃中結合當?shù)靥厥獾牡乩須夂颦h(huán)境，建設高質量、低能耗的住宅建筑是十分必要的[2]。

針對建筑能耗模擬問題，文獻[3]使用Climate Consultant氣候分析軟件，對某地溫度和太陽輻射量實施分析比對，獲得滿足當?shù)亟ㄖl件的被動式設計策略，并通過Design Builder對其進行模擬驗證，為改建或新建民居選擇設計方案提供參考與借鑒。但該方法沒有考慮除太陽輻射的其它氣候條件，模擬精度較差；文獻[4]設計一種人工蜂群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡下的能耗預測算法。依照民居建筑特點，挑選多個能耗影響因素當作輸入?yún)?shù)樣本特征，將模擬成果當作網(wǎng)絡學習與檢測數(shù)據(jù)，組建能耗預測模型。但該方法前期準備工作較多，計算復雜度高。文獻[5]以常用綠化樹種櫸樹為樣本，進行樹冠三維模型構建。通過三維激光掃描技術獲取點云數(shù)據(jù)，研究樹冠三維模型的構建，得到不同的三維模型構建效果，構建的三維模型精細程度較高，可作為計算冠層結構參數(shù)的基礎和依據(jù)。

綜合以上內容，本文創(chuàng)建高寒地區(qū)民居建筑模型，了解民居建筑的具體設計情況，設置民居建筑模型參數(shù)，利用DeST軟件模擬外墻、外窗和屋面對室內溫度的影響，得到有效的高寒地區(qū)低能耗建筑改進方案基礎數(shù)據(jù)。

2 高寒地區(qū)民居建筑模型構建

以北方某高寒地區(qū)居民住宅為例，使用激光掃描儀對該建筑進行三維建模，為低能耗模擬提供實驗數(shù)據(jù)。以測距機理為前提，把三維激光掃描儀劃分成三角法測距、脈沖式測距和相位法測距。相位測距經(jīng)過推導發(fā)射脈沖與接收脈沖間的相位差p，其精度高，一般為毫米級，可以有效獲得反射信號，因此，本文設計中采用相位測距方法融合光的傳播速率計算距離大小。

假設脈沖頻率是f，相位差是Φ，光速是c，則距離S的計算過程為

(1)

推算脈沖射出與接收的時間差值，推測被測對象與脈沖間的距離

(2)

其中，Δt是記載的時間差。

運用一體化高效掃描儀完成模型構建，測距方法是脈沖式測距，其測距原理和關鍵技術參數(shù)可參見圖1和表1。

表1 掃描儀關鍵技術參數(shù)

圖1 脈沖式三維激光掃描儀測距原理示意圖

為精準描述多個點之間的空間關聯(lián)，還要明確各個點坐標，將三維激光掃描儀當作原點的局部坐標系坐標。坐標運算原理如圖2所示。

圖2 局部坐標系下的坐標示意圖

圖2中，θ表示掃描角度和水平方向上的夾角，α表示點P(x，y，z)在水平面上的投影點Q及X方向的夾角。P點局部坐標系推導解析式為

(3)

在掃描過程中，外部環(huán)境會阻礙掃描對象[6]，并形成各種干擾噪聲。因此，有必要對點云數(shù)據(jù)進行過濾，去除數(shù)據(jù)中的不平衡點。在實際應用中，需要選擇合適的過濾方法來完成自動過濾。

掃描系統(tǒng)具有一定剛性，點云配準過程中產(chǎn)生的坐標轉換可以當作三維剛體的坐標轉換，兩個點云間的尺度比λ是1。轉換模型內擁有以下獨立參數(shù)：平移參數(shù)Δx、Δy、Δz和旋轉參數(shù)α、β、γ。

計算旋轉矩陣R與平移矩陣T實現(xiàn)配準，了解配準函數(shù)并獲取最優(yōu)轉換參數(shù)。坐標轉換模型為

(4)

式中

(5)

R(α，β，γ)=cosαcosγ+sinαsinβsinγ

(6)

僅利用點云無法形成真實的居住建筑層次結構。為了修復建筑物表面的拓撲關聯(lián)，完成高寒地區(qū)居住建筑的三維模型，構建過程包括特征線提取和模型建立兩個部分。

特征線提取方法眾多，目標建筑前方有很多遮擋物，讓點云數(shù)據(jù)某些區(qū)域激光不能直達建筑物表面，形成空洞[7]，因此在提取特征線過程中，使用繪制軟件預先描繪三維結構線，并投影至二維平面。

基于線畫圖的三維模型構建中心思想是由線成面。把CAD線劃圖導進3DMAX軟件內。在點云數(shù)據(jù)下，各個方向構建的線劃圖之間均擁有明確的位置關聯(lián)，把前后左右上下的立面圖同時導入，即能合成建筑架構示意圖。

因民居住宅面積較大，現(xiàn)階段對建筑物的整體構件識別并全部自主建模沒有很好的解決方式。在建模過程中會分離建筑物各個構件，并將其劃分成規(guī)則與不規(guī)則兩種模式。針對需要保存現(xiàn)狀的建筑物構件，應當創(chuàng)建一個三角網(wǎng)模型[8]。三角網(wǎng)模型精度很高，可展現(xiàn)出民居建筑初始面貌。

通過上述過程，將建筑構件分別建模并放置在同一個文件中。在完成整體測量控制的前提下，所有構件都有一個統(tǒng)一的坐標系，可以將它們組合在一起，形成完整的住宅模型。

3 民居建筑模型參數(shù)設定

為更好地展現(xiàn)出民居建筑室內實際狀態(tài)，在民居建筑模型基礎上，隨機挑選某一房間，設定其室內能耗參數(shù)。

3.1 空調參數(shù)設定

按照擬定溫度的忍耐界線來展現(xiàn)空調運行狀態(tài)，當高于擬定溫度閾值界線時，空調自主運轉，而在此期間，室內溫度會控制在擬定溫度固定值內[9]。譬如嚴寒地區(qū)冬天擬定房間溫度是19℃，忍耐溫度是17℃，假設室內溫度大于17℃時，空調系統(tǒng)不運行，在小于17℃時，空調系統(tǒng)自動運行，把溫度約束在19℃之上，保持室內溫度舒適性。

空調參數(shù)擬定參見表2。

表2 空調參數(shù)擬定表

3.2 通風參數(shù)設定

用戶利用開關窗改善室內通風條件，使室內溫度發(fā)生變化。結果表明，在夏季，用戶通常使用敞開的門窗來改善室內的通風條件，特別是在晚上，打開門窗有助于室內熱環(huán)境的相互循環(huán)。當室外溫度逐漸升高時，可以用空調來調節(jié)室內溫度。高寒地區(qū)早晚溫差較大，居民可在夜間開窗，白天關窗，以提高室內溫度，使室內溫度處于較舒適的狀態(tài)。

自然通風的風量多少和區(qū)域氣候、周邊環(huán)境等元素相關，無法準確獲悉風量數(shù)值。因此本文設置民居建筑的開窗風量通風換氣為15次/h，關窗風量通風換氣為1次/h。

3.3 選擇典型日

在進行住宅能耗模擬時，應選取一個典型日作為模擬對象。典型日可以代表整個采暖期的大部分時間特征，從而探討室內溫度和室內能耗的變化。根據(jù)內容選擇典型日的測定方法。本文主要對高寒地區(qū)的低能耗建筑進行分析，選擇最不利的條件進行實施。

高寒地區(qū)的室內大部分熱量來自太陽輻射。這個地區(qū)的建筑和一般的建筑有很大的區(qū)別。沒有相對穩(wěn)定的室溫。室內溫度受室外氣候條件的影響，且元素多，室內日溫差特別大。本文研究住宅建筑的關鍵是采用合理的結構形式設計，以減少室外氣候條件引起的室內溫度波動。

在建筑物外的氣象要素中，太陽輻射的影響最大。太陽光照射是一個不斷變化的過程，建筑物在每個時間段獲得的輻射能是不相等的，特別是晝夜循環(huán)變化，住宅建筑也處于熱增量和熱損失的反復變化中[10]。

冬至日照期短，太陽高度角低。在太陽輻射相對較短的情況下，室內溫度有所提高，但長時間無光照時，室內處于熱損失狀態(tài)，室內溫差較大。冬至作為低能耗實驗的波動數(shù)據(jù)。

4 仿真研究

DeST是一種建筑環(huán)境模擬軟件，在本次仿真中，根據(jù)建筑設計的層次結構(外墻、外窗、屋面)，分析住宅建筑的熱工特性，計算室內溫度，計算全年動態(tài)荷載。同時，將設計過程與系統(tǒng)整體情況有機結合，得到建筑物本身的年度實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高寒地區(qū)低能耗民居建筑DeST模擬。

4.1 外墻對高寒地區(qū)民居建筑能耗的影響

外墻的保溫性能取決于其傳熱系數(shù)，它對建筑總能耗有著非常重要的影響。如果換熱系數(shù)小，建筑保溫效果好，但成本較高，工藝復雜，實施困難[11]。隨著大量節(jié)能墻體技術的發(fā)展，新型墻體材料進入了市場

混凝土多孔磚由水泥和砂組成，具有優(yōu)良的節(jié)能效果；加氣混凝土具有多孔材料，重量輕，耐火性能優(yōu)良，具有一定的抗震性能，作用于非承重墻；粘土多孔磚由粘土制成，并且空腔的增加可以提高其保溫性能；灰砂磚的原材料是灰砂，與其它墻體材料相比，它具有良好的蓄熱性能和較強的隔聲效果；粉煤灰陶?；炷恋脑牧鲜欠勖夯遥瑩饺肷倭渴?，石膏與外加劑，并利用水化反應形成人工輕骨料。表3為以上各類墻體材料的熱性參數(shù)。

表3 墻體熱性參數(shù)

外墻傳熱系數(shù)包含墻體架構熱橋和墻面上不同部分的加權均值Km，模擬建筑外墻的加權均值是0.613W/(m2·K)，把外墻傳熱系數(shù)范圍擴大到0.4W/(m2·K)和1.5W/(m2·K)，模擬結果如圖3所示。

圖3 外墻對建筑冷、熱負荷的作用

從圖3可知，加權均值從左往右逐步變大，冷熱負荷都伴隨外墻傳熱系數(shù)的變大而升高，且二者和加權均值呈現(xiàn)出線性關聯(lián)，與冷負荷相比，熱負荷對圍護結構的傳熱性能更為敏感。針對寒冷地區(qū)供暖期長的地區(qū)，提升外墻保溫的是十分必要的，也是降低冷負荷的關鍵途徑。

4.2 外窗對高寒地區(qū)民居建筑能耗的影響

外窗是圍護結構的關鍵部分，通過外窗的能量損失占總能耗的55%以上[12]。低能耗住宅建筑內外窗的熱工性能有以下兩個要素：外窗具有集熱功能，可以讓太陽輻射到室內，提高室內溫度；另外，外窗的傳熱系數(shù)高于外窗在其它建筑圍護結構構件中，夜間無太陽輻射時熱損失最大。因此，有必要對高寒地區(qū)的區(qū)域條件和太陽輻射資源進行模擬。

建筑外窗的窗框材料種類繁多，各種窗框材料各有優(yōu)缺點。目前，鋁合金窗和塑鋼窗廣泛應用于住宅建筑中。本文介紹了塑鋼窗在低能耗住宅中的應用。

玻璃是窗戶材料的透明部分，占窗戶面積的大部分。外窗玻璃是住宅建筑能耗的主要組成部分。隨著科學技術的進步，市場上的外窗玻璃款式繁多，性能也不盡相同，表現(xiàn)出不同的光、熱性能。表4是幾類常見的玻璃類型和其光熱性能系數(shù)。

表4 玻璃光熱性能系數(shù)

高寒地區(qū)通常以被動式方法運用太陽能資源解決冬季采暖問題，本文建筑模型選擇6mm單玻窗、9mm中空玻璃作為外窗玻璃材料進行試驗對比，探究最行之有效的低耗能住宅條件。

窗墻比表示窗洞大小和室內內部單元面積的比值。窗墻比大，夏季空調制冷能耗越高。高寒地區(qū)窗墻比限值如表5所示。

表5 高寒地區(qū)窗墻比

本文以陽光照射較少的北向外窗為例，研究其能耗影響因素。北向外窗在不同窗墻比下依次使用普通單玻窗、中空窗的南北向室內溫度和日溫差如圖4、5所示。

圖4 北向外窗對南向房間的溫度影響

圖5 北向外窗對北向房間的溫度影響

從圖4和圖5中可以看到，伴隨北向窗墻比的提升，北向房間室內溫度下降，室內日溫差上升；南向房間室內溫度有所降低，室內日溫差相差不多?？傻玫饺缦陆Y論：北向窗墻比越低，越有助于保證南北向房間內的適宜溫度，在符合北向房間采光與通風前提下，要最大限度降低北向窗墻比。

窗墻比固定時，南北向房間室內溫度均值從大到小分別是中空窗、單玻窗，室內日溫差值從大到小分別是單玻窗、中空窗。

4.3 屋面對高寒地區(qū)民居建筑的影響

屋面的傳熱性能好壞對頂層負荷具有直接影響，一般要達到45%上下，建筑總體影響與建筑類型相關，大體來說，屋面對建筑冷熱負荷影響很小，如圖6所示。

圖6 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對建筑冷熱負荷影響

屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在0.4～1.0W/(m2·K)中變化時，冷熱負荷都是線性增長態(tài)勢，熱負荷改變更加顯著。但以整個民居建筑而言，屋面影響依舊十分有限。

綜上所述，高寒地區(qū)每年的供暖與供冷需求大致相同，在成本承受范圍內，可提升外墻保溫層的保溫功效降低外墻傳熱系數(shù)，并同時減少冷熱負荷。外窗是民居建筑外部圍護結構的薄弱環(huán)節(jié)，但其傳熱系數(shù)對負荷的影響較小，外窗的傳熱系數(shù)降低會導致成本的增長，應當選擇適當?shù)牟ＡР馁|保持建筑的低能耗狀態(tài)。屋面對建筑的全局負荷影響很小，為確保民居建筑頂層的熱舒適性，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要控制在合理范圍內，不能過高。

5 結論

1)為降低高寒地區(qū)建筑能耗，使用三維激光激光掃描儀獲得建筑外觀數(shù)據(jù)，創(chuàng)建民居建筑模型。

2)通過設定模型參數(shù)，選擇6mm單玻窗、9mm中空玻璃作為外窗玻璃材料進行試驗對比，運用DeST軟件對高寒地區(qū)室內能耗影響進行模擬分析，北向窗墻比越低，越有助于保證南北向房間內的適宜溫度。

3)增強外墻保溫層能效，挑選玻璃材質維持建筑低能耗模態(tài)，嚴格約束屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值范圍，其中，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在0.4～1.0W/(m2·K)中變化時，冷熱負荷都是線性增長態(tài)勢，熱負荷改變更加顯著。