任慶元

【中圖分類號】TU111.195【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）02-0188-01

隨著我國的城市化進程加快，能源需求持續(xù)增高，建筑節(jié)能設計成為十分重要的節(jié)能方法。建筑能耗模擬分析軟件在建筑設計中發(fā)揮著越來越重要的作用。如何在建筑設計過程中適時并正確地使用能耗模擬分析軟件，為建筑設計提供了理論依據(jù)，對提高節(jié)能設計工作效率具有重要意義。

統(tǒng)計結果表明，大約有三分之一的能量被消耗在了建筑物上，如何節(jié)省建筑能耗問題也開始變成建筑設計的一個挑戰(zhàn)。目前仍存在一些問題如下：

1） 建筑物的設計壽命很長，設計一旦被決定，就將被使用相當長的一段時間。

2） 越早期的節(jié)能設計對改善建筑物的節(jié)能表現(xiàn)越有效，而后期的改造耗資巨大卻收效較小。

3） 絕大多數(shù)的建筑都設有空調(diào)通風系統(tǒng)，因此對于這些建筑的能耗分析十分必要。

建筑室內(nèi)環(huán)境是由許多因素決定的，包括室外氣候條件、室內(nèi)外通風狀況及室內(nèi)各種熱源的發(fā)熱狀況、人員活動等。隨著建筑環(huán)境狀況的變化，建筑環(huán)境建筑環(huán)境控制系統(tǒng)也需要隨之改變運行狀況，以實現(xiàn)滿足舒適性及其它要求。由于建筑環(huán)境的變化很復雜，因此只有通過計算機模擬的方法才能有效地預測建筑環(huán)境在不同情況下可能出現(xiàn)的狀況，例如室內(nèi)溫濕度隨時間的變化、建筑在不同室外風速下的通風情況、采暖空調(diào)系統(tǒng)的逐時能耗，以及建筑物全年環(huán)境控制所需的能耗。

從20世紀60年代到今天，世界各國都開發(fā)出了不同的模擬軟件，可以很方便的對建筑物進行全年動態(tài)模擬。美國開展建筑節(jié)能的研究較早，建筑節(jié)能中應用的計算機技術也最為廣泛。當前，在美國，與節(jié)能標準相關的軟件有120多種。這些模擬軟件的開發(fā)和運用可以定性或定量地對建筑能耗進行模擬與評估，從而使建筑節(jié)能規(guī)范的實施變得相對容易，也促進了規(guī)范本身的完善和發(fā)展。

為了進一步貫徹建筑節(jié)能的基本方針，建設部頒布的《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB50736-2012；《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》JGJ134一2001；《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》JGJ75-2003和《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189一2005。這些標準均要求采用全年逐時動態(tài)負荷計算方法計算空調(diào)供暖的冷、熱負荷，并評價節(jié)能效果。

若能在設計階段盡早地進行能耗模擬分析，將可增加設計過程的可控性。建筑節(jié)能要從建筑方案和建筑設備系統(tǒng)的設計開始。不同的建筑造型、不同的建筑圍護結構、不同的建筑設備系統(tǒng)可以組合成很多方案，要從眾多方案中選出最經(jīng)濟節(jié)能的方案，就必須對每個方案的能耗進行模擬與分析，這就要用到建筑能耗模擬技術。

大型建筑非常復雜，建筑與環(huán)境系統(tǒng)存在動態(tài)作用，這些都需要建立模型，進行動態(tài)的分析與模擬。因此建筑能耗模擬，是建筑節(jié)能設計的必要工作之一?，F(xiàn)在有很多用來設計或分析建筑及暖通空調(diào)系統(tǒng)的軟件，它們具有不同的功能和復雜程度，面向不同的用戶，大致可分為以下四大類。

1、設計用軟件：建筑師、工程師等用計算機技術輔助設計的軟件，如AutoCAD；

2、建筑全能耗分析軟件：用來模擬建筑及系統(tǒng)的實際運行狀況，從而預測年運行能耗和費用的軟件；

3、專業(yè)分析軟件：用于專項解決某些問題，擁有專門開發(fā)的精確的模型，例如計算流體力學（CFD）模擬軟件Fluent；照明模擬軟件Radiance等。

建筑設計中幾種常用軟件介紹：

1、Ecotect軟件

Ecotect（生態(tài)建筑大師）是一個全面的技術性能分析輔助設計軟件，提供了友好的三維建模設計界面。它主要具有速度快，直觀，技術性強等優(yōu)勢，而且可以和一系列精確分析軟件相結合做進一步的分析。Ecotect可以在建筑設計的各個階段進行太陽輻射、熱、光學、聲學、建筑投資等綜合的技術分析。Ecotect模擬計算可以貫穿整個設計過程，針對不同的模擬對象，模型的建立可簡潔可復雜。計算分析過程簡單快捷，結果直觀。

2、DeST軟件

清華大學建筑技術科學系經(jīng)過10余年的努力，根據(jù)國內(nèi)的實際情況，逐步開發(fā)出一套面向設計院人員的設計用模擬工具DesT（Desingers SimulationToolkit），目的是把模擬分析技術引入工程設計之中，為設計人員提供全面有力的幫助。Dest對建筑的模擬分成建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬、空調(diào)方案模擬、輸配系統(tǒng)模擬、冷熱源經(jīng)濟性分析幾個階段，對應服務于建筑設計的初步設計（研究建筑物本身的特性）、方案設計（研究系統(tǒng)方案）、詳細設計（設備選型、管路布置、控制設計等）幾個階段，具體的應用包括：

1）在建筑初步設計階段，通過對建筑物的熱環(huán)境分析，可以為建筑圍護結構方案，如窗墻比選用，圍護結構熱工參數(shù)選擇、建筑遮陽方案設計等，提供參考建議。

2）在空調(diào)系統(tǒng)方案設計階段，通過空調(diào)系統(tǒng)模擬分析，可以判斷空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)是否合理、比較不同空調(diào)系統(tǒng)方案的經(jīng)濟性、預測不同方案未來的室內(nèi)熱狀況及滿意率。

3）在空調(diào)系統(tǒng)詳細設計階段，通過輸配系統(tǒng)的模擬可以指導風機、水泵等設備的選型并比較不同輸配系統(tǒng)方案的經(jīng)濟性。通過冷熱源經(jīng)濟分析，可以指導設計者選擇合適的冷熱源。

3、CFD軟件（FLUENT）

流體流動的數(shù)值模擬即在計算機上離散求解空氣流動遵循的流體動力學方程組，并將結果用計算機圖形學技術形象直觀的表現(xiàn)出來，這樣的技術就是計算流體力學技術。相比模型實驗等手段，數(shù)值模擬具有成本低、周期短、資料完備、易模擬真實條件等優(yōu)點。如今已經(jīng)在多個領域發(fā)揮很大作用。

FLUENT是用于計算復雜幾何條件下流動和傳熱問題的程序。FLUENT是目前功能最全面、適用性最廣、國內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件之一。FLUENT提供了非常靈活的網(wǎng)格特性，讓用戶可以使用非結構網(wǎng)格，包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網(wǎng)格來解決具有復雜外形的流動，它允許用戶根據(jù)解的具體情況對網(wǎng)格進行修改（細化或粗化）。FLUENT使用GAMBIT作為前處理軟件，它可讀入多種CAD軟件的三維幾何模型和多種CAE軟件的網(wǎng)格模型。

在天津歡某水公園實際項目設計中，模擬技術輔助設計具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

1） 圍護結構優(yōu)化設計：通過計算模擬、理論分析，綜合考慮建筑保溫、隔熱、通風及采光性能，對建筑外墻、外窗及屋面進行優(yōu)化設計，尤其是冬季外圍護結構保溫及內(nèi)表面結露問題。主要應用的模擬軟件是Dest。

2） 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設計：對冬季采暖系統(tǒng)運行策略進行分析研究，從室內(nèi)空調(diào)采暖形式、新風熱回收、空調(diào)室內(nèi)運行參數(shù)等各方面。通過模擬計算，以期獲得較好的空調(diào)系統(tǒng)運行節(jié)能控制方案。主要用到Dest軟件。

3） 自然通風系統(tǒng)優(yōu)化設計：利用CFD工具，模擬分析過渡季和夏季引入室外新風降溫的可能性，計算為滿足室內(nèi)通風降溫所需的進出風口位置和面積。在確定窗口參數(shù)的情況下，對室內(nèi)通風情況進行模擬分析，確定室內(nèi)溫度情況及自然通風節(jié)能效果。主要用到FLUENT軟件。

4） 全年運行能耗分析研究：利用動態(tài)負荷數(shù)值計算工具對建筑全年能耗進行模擬分析，為空調(diào)通風系統(tǒng)設計提供設計依據(jù)。主要用到Dest軟件。

5） 室內(nèi)天然采光與照明系統(tǒng)優(yōu)化設計：通過模擬分析，確定外圍護結構的天然采光位置及面積大小，圍護結構透光率等參數(shù)，從而進行室內(nèi)照度分析，對室內(nèi)天然采光水平和質(zhì)量進行優(yōu)化設計。主要用到Ecotect軟件。

結論：隨著建筑形式的復雜程度變高，建筑能耗模擬軟件在建筑設計中起到越來越重要的作用。模擬技術在建筑設計的各個階段都有相應的應用場合，而且模擬技術介入設計階段越早，所能起到的節(jié)能效果就越明顯。