建筑耗能計(jì)算機(jī)模擬分析

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本文作者：王芙蓉、文亮、王濤 單位：西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院、中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院

1（略）

利用計(jì)算機(jī)模擬，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)建筑能耗分析的不足，幫助建筑師直觀地判斷方案設(shè)計(jì)對(duì)于建筑能耗的影響，從而將建筑能耗成為建筑設(shè)計(jì)考慮的重要條件，在建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)和單體設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。從建筑全壽命周期來(lái)看，前期的方案設(shè)計(jì)階段所做的決策對(duì)于建筑的能耗會(huì)產(chǎn)生重要的影響(圖1)，對(duì)降低后期建筑運(yùn)行的能耗具有重要意義。目前建筑模擬軟件很多，本文采用Ecotect和Pheonics進(jìn)行光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境模擬。

2西安市園丁花苑小區(qū)概況

2．1區(qū)位及規(guī)劃布局

園丁花苑小區(qū)位于西安市灞橋區(qū)紡織城東北部，是灞橋區(qū)為廣大教師建設(shè)的安居工程(圖2)。整個(gè)小區(qū)規(guī)劃用地面積265畝，全部工程分兩期完成。一期工程由A、B兩個(gè)區(qū)組成(圖3)，占地5.68公頃，其中A區(qū)總用地面積2.23公頃，B區(qū)總用地面積3.45公頃，A，B區(qū)之間相隔一條寬約110m的綠地。

2．2建筑現(xiàn)狀分析

本論文對(duì)A區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)狀分析及改造。A區(qū)包含10棟6層住宅樓以及1棟6層辦公樓，住宅總戶數(shù)360戶，建筑總面積約4500m2。建筑密度30%，基本采用行列式布局形式(圖4)，是北方地區(qū)常采用的形式之一。住宅為多層板樓，磚混結(jié)構(gòu)體系，都為6層，層高為2.8m。戶型主要有A，B兩種形式(圖5，6)，均采用北向入戶的布置。根據(jù)A，B兩種戶型的標(biāo)準(zhǔn)層平面可以看出，戶型平面均南北通透，室內(nèi)房間基本都面向南北開窗(山墻面有局部開窗)，內(nèi)部主要使用空間(臥室、客廳)基本都朝南布置。陽(yáng)臺(tái)全部采用封閉陽(yáng)臺(tái)形式，立面沒(méi)有進(jìn)行遮陽(yáng)設(shè)計(jì)。西安雖然屬于寒冷地區(qū)，但夏季氣候炎熱，建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)遮陽(yáng)以及自然通風(fēng)考慮較少。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，用戶夏季空調(diào)安裝與使用率有不斷提高的趨勢(shì)，因此本文主要對(duì)夏季的遮陽(yáng)和自然通風(fēng)進(jìn)行模擬分析。

3規(guī)劃布局模擬分析

3．1小區(qū)日照模擬

Ecotect提供了強(qiáng)大的日照分析功能，并且可視化較高，便于建筑師在方案階段進(jìn)行輔助分析和設(shè)計(jì)。首先建立建筑體量模型，導(dǎo)入西安地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，便可以利用Ecotect中的“遮擋及日照時(shí)間”分析模塊進(jìn)行計(jì)算。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是采用大寒日為日照時(shí)間，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，大寒日的日照有效時(shí)間段為8點(diǎn)到16點(diǎn)。為此，將軟件計(jì)算時(shí)間設(shè)置為8點(diǎn)到16點(diǎn)，開始日期和結(jié)束日期均選擇1月20日。根據(jù)建筑一層的窗臺(tái)高度將計(jì)算界面選擇為1.6m高的水平平面。通過(guò)模擬便能夠精確地得到計(jì)算界面內(nèi)所有區(qū)域大寒日一天內(nèi)的日照時(shí)間。

根據(jù)GB50180—93《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》應(yīng)滿足大寒日最低兩小時(shí)的日照要求，對(duì)于西安地區(qū)，應(yīng)該盡量爭(zhēng)取較長(zhǎng)的冬季日照時(shí)間以吸收太陽(yáng)輻射。小區(qū)由于采取行列式布局，前排建筑東西間距較小，對(duì)后排建筑日照遮擋影響較大，除南面第一排建筑外的后排建筑都難以滿足日照要求(圖7)。在不改變建筑規(guī)劃布局的前提下，通過(guò)對(duì)建筑南北間距的調(diào)整，所有住宅建筑南立面平均基本能達(dá)到3h以上的日照時(shí)間(圖8)。

3．2小區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬

小區(qū)建筑布局中，需要考慮風(fēng)環(huán)境的影響主要有兩個(gè)方面，一是冬季的防風(fēng)保溫，另一是夏季的通風(fēng)。西安地區(qū)受冬季風(fēng)影響較小，風(fēng)環(huán)境主要考慮夏季自然通風(fēng)的利用。利用Pheonics軟件作者對(duì)場(chǎng)地建筑群進(jìn)行了模擬。

西安地區(qū)夏季盛行西南風(fēng)，由于建筑布局的影響，通過(guò)模擬分析的結(jié)果可以觀察到西南風(fēng)氣流經(jīng)過(guò)行列式布局的建筑群體時(shí)，風(fēng)向由于受到建筑的影響發(fā)生了改變，與建筑的表面相平行(圖9)，給室內(nèi)自然通風(fēng)的組織帶來(lái)了不利的影響。在單體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮進(jìn)行構(gòu)造措施設(shè)計(jì)以增強(qiáng)自然通風(fēng)效果。

4建筑單體模擬分析

4．1自然采光分析

利用Ecotect建立單體戶型模型，首先對(duì)整個(gè)戶型平面進(jìn)行自然采光模擬，通過(guò)分析網(wǎng)格的設(shè)置計(jì)算結(jié)果會(huì)按照數(shù)值以網(wǎng)格顯示(圖10)。由于戶型進(jìn)深較大，給室內(nèi)自然采光造成了不利的影響。默認(rèn)情況下顯示的是采光系數(shù)，同時(shí)程序還將在繪圖區(qū)右側(cè)顯示出數(shù)據(jù)圖例，室內(nèi)照度的分布從窗口到室內(nèi)逐步減小，其絕對(duì)值在100lux左右，基本滿足房間自然采光要求，但由于其分布不均，特別是對(duì)于有陽(yáng)臺(tái)的臥室，由于陽(yáng)臺(tái)的遮陽(yáng)作用對(duì)自然采光影響較大。同時(shí)，窗戶和門洞的大小及形式會(huì)對(duì)自然采光的效果產(chǎn)生影響，例如臥室采用的是單扇1m寬木門，通過(guò)改變臥室開門的形式，將單扇門改為1.5m寬雙層玻璃雙扇推拉門，臥室的自然采光效果能夠得到有效的提升(圖11)。

4．2遮陽(yáng)分析

從建筑單體的現(xiàn)狀調(diào)研來(lái)看，住宅南向使用房間除陽(yáng)臺(tái)外沒(méi)有任何遮陽(yáng)措施。遮陽(yáng)措施能夠減少太陽(yáng)的直射，減少由窗戶所吸收的太陽(yáng)輻射，在夏季提高室內(nèi)舒適度的同時(shí)，可以有效地減少空調(diào)等電器的使用從而降低用電消耗。理想的遮陽(yáng)措施應(yīng)當(dāng)減少夏季太陽(yáng)直射，同時(shí)不影響冬季太陽(yáng)輻射的吸收，通過(guò)冬夏兩季太陽(yáng)入射高度角的差異能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求(圖12，13)。利用Ecotect的太陽(yáng)輻射分析可以對(duì)南向開窗冬夏兩季所接受的太陽(yáng)輻射進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)南向臥室開窗進(jìn)行模擬分析得出:夏季(6月1號(hào)到8月30號(hào))直接吸收的太陽(yáng)輻射總量為340078.94Wh，冬季(12月1號(hào)到2月30號(hào))為139167.4Wh(圖14，15)。通過(guò)Ecotect自動(dòng)生成水平百葉遮陽(yáng)構(gòu)件(圖16)，其尺寸為1.8m×1.7m。自動(dòng)生成的水平百葉夏季太陽(yáng)輻射總量為139167.4Wh，冬季為58743.85Wh，在夏季太陽(yáng)輻射降低了59%的同時(shí)，冬季的太陽(yáng)輻射量也降低了58%，從經(jīng)濟(jì)上分析明顯不劃算。西安地區(qū)大寒日的太陽(yáng)高度角大約為33度，大暑日太陽(yáng)高度角約為77度。

根據(jù)大暑日太陽(yáng)高度角以及窗戶高度，利用三角函數(shù)求得遮陽(yáng)板寬度約為0.3m，由于高度角采用的是最大值，適當(dāng)增加寬度采用0.4m(圖17)，然后對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算。將遮陽(yáng)板寬度改為0.4m之后，窗戶夏季吸收太陽(yáng)輻射總量為189419.59Wh，冬季為115102.95Wh。同不采用任何遮陽(yáng)措施相比，夏天吸收的太陽(yáng)輻射總量減少了44.4%，冬季吸收的太陽(yáng)輻射總量則減少了17.3%，總體來(lái)看，對(duì)于減少夏季太陽(yáng)輻射起到了明顯的作用，同時(shí)對(duì)于冬季吸收太陽(yáng)輻射影響較小，可以為設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

4．3室內(nèi)通風(fēng)模擬

通過(guò)之前的小區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬，已分析出由于受建筑群體布局的影響，夏季盛行的西南風(fēng)經(jīng)過(guò)小區(qū)時(shí)風(fēng)向與后排建筑平行，入射角變?yōu)?度，給戶內(nèi)的通風(fēng)造成了不利影響。利用PHOENICS軟件，假設(shè)夏季西南風(fēng)環(huán)境下，作者對(duì)戶型A的南向臥室進(jìn)行了模擬(圖18)。可以觀察到，當(dāng)外部氣流與窗戶平行時(shí)，室內(nèi)很難形成有效的自然通風(fēng)，需要利用構(gòu)造措施增強(qiáng)自然通風(fēng)效果，在窗戶外部加設(shè)寬度0.4m的豎向?qū)эL(fēng)板，再次對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行模擬(圖19)，室內(nèi)的自然通風(fēng)效果得到了顯著的提升，平均風(fēng)速增長(zhǎng)了1倍，但由于進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口位置都靠向一側(cè)，導(dǎo)致了室內(nèi)風(fēng)速分布不均，存在明顯死角。

通過(guò)調(diào)整窗戶位置，對(duì)窗戶靠另一側(cè)設(shè)置(圖20)和居中設(shè)置(圖21)的兩種情況進(jìn)行模擬。在窗戶洞口大小不變的前提下，窗戶居中時(shí)室內(nèi)自然通風(fēng)分布及平均風(fēng)速能夠獲得更好的效果。為了對(duì)導(dǎo)風(fēng)板的導(dǎo)風(fēng)作用做進(jìn)一步的分析，還對(duì)導(dǎo)風(fēng)板不同寬度條件下的導(dǎo)風(fēng)效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析。當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板寬度0.2m，0.4m，0.6m和0.8m時(shí)，室內(nèi)氣流環(huán)境如圖22～25所示。當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板寬度為0.2m時(shí)，對(duì)增強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)效果影響較小;當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板寬度為0．4～0.8m時(shí)，隨著導(dǎo)風(fēng)板寬度增加室內(nèi)平均風(fēng)速有所增加，但總體效果不太明顯。結(jié)合之前遮陽(yáng)板的寬度，選取擋風(fēng)板寬度為0.4m。

5方案設(shè)計(jì)改造

以上的日照以及風(fēng)環(huán)境分析，可以了解到如何在建筑布局中利用模擬技術(shù)掌握?qǐng)龅氐娜照窄h(huán)境和光環(huán)境，從而根據(jù)需要進(jìn)行建筑布局調(diào)整，以及在建筑單體設(shè)計(jì)中，考慮自然采光、遮陽(yáng)和自然通風(fēng)等條件，進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。通過(guò)模擬分析，結(jié)合遮陽(yáng)板、導(dǎo)風(fēng)板、空調(diào)機(jī)的安裝需求，進(jìn)行了立面的構(gòu)造措施設(shè)計(jì)。0．4m寬水平遮陽(yáng)板能夠遮擋夏季太陽(yáng)的直射，同時(shí)不影響冬季太陽(yáng)輻射的吸收，東側(cè)豎直擋風(fēng)板能夠增強(qiáng)自然通風(fēng)效果，西側(cè)豎直活動(dòng)百葉能夠根據(jù)遮陽(yáng)或通風(fēng)的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，窗臺(tái)底部能夠進(jìn)行室外空調(diào)機(jī)的安裝(圖26，27)。

6結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)例應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)住宅區(qū)的規(guī)劃和單體進(jìn)行日照和風(fēng)環(huán)境分析，從而將建筑節(jié)能作為考慮條件進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬手段，從發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，今后將被越來(lái)越多地應(yīng)用