劉昕曄

(中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司 綠色建筑研究中心，北京 100089)

數(shù)字化模擬技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)策劃中的關(guān)鍵作用

劉昕曄

(中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司 綠色建筑研究中心，北京 100089)

我國(guó)的綠色建筑發(fā)展正式步入“深綠”階段，新版《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB50378-2014的內(nèi)容也相比2006版有了巨大的進(jìn)步，對(duì)綠色建筑的認(rèn)識(shí)與要求從此進(jìn)入“以實(shí)際效果為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)”階段。這意味著多年前那種把新型建材、新技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單地堆砌在一起，號(hào)稱“綠色建筑”的做法已經(jīng)適應(yīng)市場(chǎng)的要求，更不符合國(guó)家的政策；只有以運(yùn)營(yíng)階段取得真實(shí)高效的節(jié)能減排、提升室內(nèi)外環(huán)境品質(zhì)為目的進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，才是滿足“深綠”階段設(shè)計(jì)要求的唯一手段，進(jìn)而在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中良性成長(zhǎng)。必須強(qiáng)調(diào)的是，盡管檢驗(yàn)綠色建筑實(shí)效性重點(diǎn)落在了運(yùn)營(yíng)階段，設(shè)計(jì)階段仍然是決定建筑擁有良好“綠色”基礎(chǔ)的最重要階段。在設(shè)計(jì)中制定優(yōu)秀的綠色建筑策略，確保應(yīng)用適宜適量的建筑技術(shù)，是做到綠色建筑的首個(gè)關(guān)鍵步驟。本文以實(shí)例論述了數(shù)字化模擬技術(shù)在精細(xì)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要作用。數(shù)字化模擬技術(shù)以其高可靠性、低投入成本、占據(jù)工程周期短、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)成為了制定綠色建筑策劃并預(yù)判各類綠色技術(shù)未來(lái)效果的可靠工具。

綠色建筑；節(jié)能；數(shù)字化模似

引言

自2014年開(kāi)始我國(guó)的綠色建筑發(fā)展正式步入“深綠”階段，伴隨著新版《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB50378-2014的實(shí)施，國(guó)家對(duì)于綠色建筑的要求越來(lái)越趨于實(shí)效性和量化性——改善了多大的自然采光條件，提高了多少自然通風(fēng)效果，采用的新能源和新型技術(shù)設(shè)備節(jié)省了多少單位的水、電、燃?xì)獾?。這說(shuō)明我國(guó)的綠色可持續(xù)發(fā)展已從初期簡(jiǎn)單的注重新型能源設(shè)備的技術(shù)堆砌，提升到注重運(yùn)營(yíng)階段節(jié)約資源、提升室內(nèi)外環(huán)境品質(zhì)等效果的落實(shí)上。

由于建筑本身是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)綜合體，其內(nèi)外環(huán)境、資源消耗等數(shù)據(jù)可以同時(shí)受到多重因素的影響，因此如果在綠色建筑設(shè)計(jì)策略的制定中不經(jīng)綜合量化分析推敲，很可能通過(guò)眾多昂貴新技術(shù)堆砌起來(lái)的“綠色建筑”會(huì)在運(yùn)營(yíng)階段反而比同等級(jí)的建筑浪費(fèi)更多的寶貴資源，同時(shí)沒(méi)有起到提升自身環(huán)境品質(zhì)的目地。比如著名的LEED白金級(jí)項(xiàng)目美國(guó)銀行大廈(2010年獲得)，當(dāng)年被譽(yù)為全球最環(huán)保的高層辦公樓，最終被證明其石化能源的消耗量以及連帶溫室氣體的釋放量遠(yuǎn)高于同等規(guī)模的同類建筑，連最基本的節(jié)能都沒(méi)有做到，這種局面可以說(shuō)是綠色建筑發(fā)展的悲劇[1]。為了避免這類事件的重演，使用數(shù)字化模擬分析技術(shù)模擬復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下各類技術(shù)在建筑上作用效果，保證設(shè)計(jì)策劃的可行性，就成了做好綠色建筑第一步的重心。

1 綠色建筑策劃的意義

所謂綠建策劃，實(shí)際上是指綠色建筑方案的。在綠色建筑發(fā)展之初，高等級(jí)綠色建筑在實(shí)施中往往意味著需要比普通建筑高得多的初投資，因?yàn)樾枰黝愋履茉础⑿录夹g(shù)設(shè)備的投入。我國(guó)能源基金會(huì)節(jié)能項(xiàng)目部通過(guò)對(duì)不同區(qū)域不同綠色建筑星級(jí)的公共建筑整體調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，一星級(jí)公建的平均成本增量為43元/m2；二星級(jí)和三星級(jí)分別達(dá)到了121元/m2和358元/m2之高；根據(jù)對(duì)中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)2012年評(píng)審的148個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行綠色建筑增量成本統(tǒng)計(jì)，公建項(xiàng)目一星級(jí)、二星級(jí)、三星級(jí)綠色建筑的增量成本分別為29.9元/m2、87.3元/m2、216.4元/m2；而市場(chǎng)上的設(shè)計(jì)院對(duì)一個(gè)公共建筑的設(shè)計(jì)費(fèi)用收費(fèi)也不過(guò)平均100-200多元/m2。而諸如美國(guó)銀行大廈這樣運(yùn)營(yíng)多年的高等級(jí)綠色建筑實(shí)例又證明了高技術(shù)堆砌未必能夠帶來(lái)高資源的節(jié)約，那么在設(shè)計(jì)階段通過(guò)科學(xué)的方案優(yōu)選，組合出最佳的綠色建筑設(shè)計(jì)策劃方案的意義就十分重大了。

以我公司近期完成的哈爾濱某國(guó)家級(jí)大型綜合生化實(shí)驗(yàn)樓(圖1)綠色建筑三星級(jí)設(shè)計(jì)為例，該項(xiàng)目位于哈爾濱市，為新建科研實(shí)驗(yàn)樓、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物用房。用地呈矩形，東西寬約447m，南北約600m，總用地面積約10 880 m2，建筑面積為45 509m2，地上6層，面積35 161m2，地下1層，面積10 348m2，是我國(guó)綠色建筑評(píng)價(jià)中第一個(gè)大型綜合實(shí)驗(yàn)室綠色三星案例。實(shí)驗(yàn)室建筑由于其巨大的通風(fēng)換氣量和嚴(yán)格的室內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)境要求，決定了自身必是能耗大戶，更何況本項(xiàng)目是處在冬天最低氣溫可達(dá)零下40℃的哈爾濱。

然而經(jīng)過(guò)數(shù)年的精細(xì)策劃和設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目最終綠色三星級(jí)建筑成本增量?jī)H210.99萬(wàn)元，合46.14元/m2，預(yù)計(jì)節(jié)能成本回收期在3年半內(nèi)(詳見(jiàn)下表1)。這一方面是由于業(yè)主擁有較高的節(jié)能減排社會(huì)責(zé)任感，在整個(gè)設(shè)計(jì)階段給予了充分的支持和信任，另一方面是由于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從方案設(shè)計(jì)階段便與綠色建筑團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了緊密協(xié)同，從建筑形體推敲、主朝向調(diào)整、外保溫優(yōu)選到冷熱源論證、自然采光設(shè)計(jì)、外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)與建筑冷熱負(fù)荷耦合論證，太陽(yáng)能熱水與電伴熱論證等問(wèn)題均得到了迅速的數(shù)值模擬分析與解決；并在擴(kuò)初至施工圖設(shè)計(jì)階段保證了綠色策劃的嚴(yán)格落實(shí)，取得了比較好的設(shè)計(jì)成果。

圖1 哈爾濱某國(guó)家級(jí)大型綜合實(shí)驗(yàn)樓

表1 某國(guó)家級(jí)大型綜合實(shí)驗(yàn)樓綠色建筑增量成本統(tǒng)計(jì)

項(xiàng)目建筑面積(平方米):45509.00工程總投資(萬(wàn)元)26207.00為實(shí)現(xiàn)綠色建筑面而增加的初投資成本(萬(wàn)元)210.99綠色建筑可節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用(萬(wàn)元/年)6.98(照明節(jié)約)+7.74(太陽(yáng)能節(jié)電)+50.11(燃?xì)?+3.86(水)=68.69萬(wàn)元/年實(shí)施綠建采取的措施標(biāo)準(zhǔn)建筑采用的常規(guī)技術(shù)和產(chǎn)品單價(jià)應(yīng)用量應(yīng)用面積(m2)增量成本備注(補(bǔ)貼)地下自然光照明光導(dǎo)管照明系統(tǒng)8000元/套18套9589144000元元西側(cè)外遮陽(yáng)400可調(diào)處遮陽(yáng)系統(tǒng)400元/m2100套20964100000元元圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)于地標(biāo)規(guī)定加厚保溫層50元/m2-45509865900元元空氣質(zhì)量監(jiān)控空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)2000元/點(diǎn)284點(diǎn)9072568000元元太陽(yáng)能熱水太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)1200元/m21套45509432000元元合計(jì)210.99元

2 綠色建筑適宜技術(shù)的組合優(yōu)選

組合優(yōu)選原則[2]：

以降低建筑全年能耗為優(yōu)先;

以被動(dòng)式節(jié)能為先，主動(dòng)式節(jié)能為后;

不以犧牲室內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)境品質(zhì)為代價(jià);

將運(yùn)營(yíng)效果的落實(shí)與能源監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)要求統(tǒng)一;

時(shí)刻考慮未來(lái)運(yùn)行階段的行為節(jié)能策略;

避免將來(lái)源不穩(wěn)定，節(jié)能效果的條件較多的技術(shù)方案作為節(jié)能重點(diǎn)方案，如自然通風(fēng)、自然采光、場(chǎng)地風(fēng)能利用等[3]。

隨著綠色建筑概念在社會(huì)上的廣泛傳播以及國(guó)家政策的大力推動(dòng)，許多建筑材料、機(jī)電設(shè)備、功能性軟件都打出了“綠色建筑技術(shù)”的旗號(hào)。其中確實(shí)有在綠色建筑要求的一些方面有較好效果的技術(shù)，但是項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、咨詢單位需在綠色建筑策劃中嚴(yán)格實(shí)施數(shù)值化可行性分析，依照?qǐng)D2中列出的6個(gè)綠色建筑技術(shù)方面，保證整體達(dá)到真正的節(jié)能減排效果。在這一階段，需要使用計(jì)算機(jī)模擬分析軟件對(duì)各類方案進(jìn)行組合分析，本項(xiàng)目在方案階段主要使用了英國(guó)的IES-VE軟件與Ecotect軟件進(jìn)行總圖設(shè)計(jì)與能源系統(tǒng)優(yōu)選的耦合分析，保證分析的快速高效，可以靈活組合并且易于修改。圖3是用于能源與室內(nèi)環(huán)境分析的三維建筑模型(IES-VE模型)。

圖2 綠色建筑節(jié)約資源技術(shù)的6個(gè)主要方面

圖3 實(shí)驗(yàn)樓三維建筑模型(IES-VE模型)

2.1 太陽(yáng)能熱水與電伴熱的選擇

在確定了項(xiàng)目的主要冷熱源(傳統(tǒng)冷熱源)之后，就是考慮項(xiàng)目使用可再生能源可行性的時(shí)候了。經(jīng)過(guò)使用數(shù)值模擬技術(shù)，可以對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)地的可再生能源潛力進(jìn)行預(yù)判，風(fēng)能、地?zé)崮?、太?yáng)能光電等均被確認(rèn)為項(xiàng)目的“不適宜能源”。其中針對(duì)綠色建筑中的自然通風(fēng)要求，本項(xiàng)目基于場(chǎng)地各季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)環(huán)境分析確認(rèn)了自然通風(fēng)條件良好的房間位置以及適合自然通風(fēng)的季節(jié)，這樣可以將綠建標(biāo)準(zhǔn)要求面積比例的可開(kāi)啟外窗優(yōu)先分配給這些房間。(見(jiàn)圖4項(xiàng)目場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境速度云圖、圖5項(xiàng)目場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境壓力云圖)

圖4 項(xiàng)目場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境速度云圖

圖5 項(xiàng)目場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境壓力云圖

經(jīng)過(guò)可再生能源方案分析優(yōu)選，只有太陽(yáng)能光熱比較適宜本項(xiàng)目，此時(shí)需要對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)未來(lái)集熱能力進(jìn)行快速分析，以判斷使用太陽(yáng)能供生活熱水所需要的預(yù)留面積、最佳位置組合等。在確認(rèn)了太陽(yáng)能熱水的可行性后，又遇到了是否使用電伴熱的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)哈爾濱地區(qū)20年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的分析以及本項(xiàng)目用熱水的性質(zhì)，最終確定了將生活熱水水箱放置在建筑內(nèi)區(qū)，不再額外設(shè)置電熱鍋爐對(duì)太陽(yáng)能熱水進(jìn)行補(bǔ)充。模擬計(jì)算的氣象參數(shù)采用哈爾濱市標(biāo)準(zhǔn)典型氣象參數(shù)，其溫度及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，場(chǎng)地有利于太陽(yáng)能集熱的位置如圖6、7、8所示。

圖6 哈爾濱市日干球溫度統(tǒng)計(jì)圖

圖7 哈爾濱市太陽(yáng)全年逐時(shí)輻射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)圖

2.2 自然采光、可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)與防眩光設(shè)計(jì)

在進(jìn)行外立面推敲的過(guò)程中，建筑設(shè)計(jì)綜合了綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自然采光、遮陽(yáng)的條文要求以及業(yè)主本身對(duì)自然光環(huán)境的關(guān)注——希望增加自然采光同時(shí)控制夏季的夕曬與眩光問(wèn)題；同時(shí)希望在冬季為室內(nèi)盡可能的引入陽(yáng)光直射。由于涉及到的可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)和光導(dǎo)管都屬于單位投資成本增量較高的技術(shù)，項(xiàng)目使用模擬技術(shù)預(yù)判未來(lái)的運(yùn)營(yíng)效果，力求根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》以最少的安裝數(shù)量滿足需求。在綜合權(quán)衡了全陰天條件下自然采光、冬夏季太陽(yáng)高度角、眩光控制與夏季室內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱多種問(wèn)題后確認(rèn)了項(xiàng)目可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)的數(shù)量、安裝位置與冬夏季的主要調(diào)節(jié)角度；優(yōu)化了服務(wù)于地下車庫(kù)的光導(dǎo)管數(shù)量。在圖9中顯示的是針對(duì)可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)安裝位置與遮陽(yáng)設(shè)備自身型號(hào)，以及調(diào)節(jié)角度的優(yōu)選分析，保證了造價(jià)和使用方便上的考慮，僅在必需的位置設(shè)置可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)。

同時(shí)進(jìn)行的分析還有立面開(kāi)窗與外遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)自然采光條件的影響。在冬季嚴(yán)寒的哈爾濱，大面積的外窗意味著冬季采暖能耗的急劇增加；為了找到自然采光與能耗優(yōu)化的平衡點(diǎn)，項(xiàng)目使用耦合數(shù)值模擬技術(shù)，針對(duì)有自然采光需求的房間進(jìn)行了自然采光與冬季采暖熱負(fù)荷權(quán)衡分析。

圖9 可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)的冬夏季角度設(shè)置分析

圖10 建筑自然采光設(shè)計(jì)分析

按照自然采光條件的分析，建筑平面將辦公科研室盡量集中到了擁有良好采光條件的部位，而大量對(duì)自然光非必需條件的實(shí)驗(yàn)室、細(xì)胞房、器械庫(kù)房被移至內(nèi)區(qū)，交通布置也因此從方案階段便確定下來(lái)。同時(shí)考慮到哈爾濱夏季的冷負(fù)荷峰值同樣較高且主要來(lái)自太陽(yáng)輻射得熱，因此專門(mén)進(jìn)行了外遮陽(yáng)冬夏、過(guò)度季最佳角度轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，保證夏季遮陽(yáng)，冬季進(jìn)光，全年保證自然采光，降低眩光。

2.3 建筑總冷熱負(fù)荷動(dòng)態(tài)分析與節(jié)能

在對(duì)該實(shí)驗(yàn)室建筑進(jìn)行節(jié)能問(wèn)題探討時(shí)，曾經(jīng)考慮到是否要完全放棄綠色建筑的能耗優(yōu)化一項(xiàng)。因?yàn)樵摻ㄖ闹饕δ軈^(qū)域——實(shí)驗(yàn)室擁有巨大的換氣次數(shù)且由于排風(fēng)有一定的腐蝕性而不宜設(shè)置排風(fēng)熱回收系統(tǒng)；同時(shí)為了保障整個(gè)建筑不處于負(fù)壓，其他辦公等區(qū)域不再設(shè)置排風(fēng)，由這些區(qū)域部分彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)造成的負(fù)壓。為此項(xiàng)目組在采用諸如適宜的提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)、所有非實(shí)驗(yàn)室區(qū)域采用二氧化碳濃度控制新風(fēng)量等方法的同時(shí)，想到了一個(gè)釜底抽薪的方法。本項(xiàng)目由大量的消防噴淋系統(tǒng)覆蓋，同時(shí)有院區(qū)自身的中水處理站提供中水，消防水管、中水供水是沿外區(qū)布置，出于防凍防裂的考慮，很多罕有人員停留或行走的走管區(qū)域都設(shè)置了采暖末端以保護(hù)冬季的消防、中水水管。針對(duì)這種保護(hù)性設(shè)計(jì)，可以使用IES-VE的全年動(dòng)態(tài)性能化分析，綜合室外溫度、太陽(yáng)輻射等外擾和臨近相連的采暖區(qū)、非采暖區(qū)以及設(shè)備自發(fā)熱區(qū)域的內(nèi)擾變化進(jìn)行水管走管區(qū)域的動(dòng)態(tài)溫度分析。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)此分析，發(fā)現(xiàn)在防凍設(shè)計(jì)溫度為5℃時(shí)，有95%的區(qū)域在20年內(nèi)的最極端狀態(tài)下無(wú)需采暖；即使將防凍設(shè)計(jì)溫度提高到8℃，仍有90%以上的保護(hù)性采暖末端可以不需采暖，這樣項(xiàng)目最終優(yōu)化了88%的非必要采暖，使建筑整體能耗相對(duì)現(xiàn)行節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)能耗降低了12%，對(duì)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)量占建筑總新風(fēng)量90%以上且無(wú)法進(jìn)行熱回收的項(xiàng)目，這一結(jié)果可謂難得。

圖11 針對(duì)眩光影響所做的可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)角度設(shè)置分析

圖12 耦合計(jì)算分析的在多重內(nèi)外擾及機(jī)械、自然通風(fēng)干預(yù)下的環(huán)境參數(shù)變化

下圖為模擬水管管壁上空氣溫度的全年動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)即使在室外-44℃的極端情況，處于外區(qū)的走管空間溫度仍能夠在不采暖的情況下保持5.05℃以上超過(guò)18h的，而導(dǎo)致室內(nèi)溫度降低的主要因素-室外溫度早已在達(dá)到極端溫度的5h后大幅度回升。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)此大型國(guó)家級(jí)綜合實(shí)驗(yàn)室建筑的綠色設(shè)計(jì)步驟闡述，可以看到其對(duì)數(shù)值模擬分析技術(shù)的倚重。自方案設(shè)計(jì)之初至整個(gè)設(shè)計(jì)階段，數(shù)值模擬技術(shù)為項(xiàng)目的綠色建筑策劃提供了大量的方案優(yōu)選數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在將這些數(shù)據(jù)分析結(jié)果結(jié)合在建筑、機(jī)電設(shè)計(jì)中后，才篩選出一批綜合型適宜技術(shù)；而項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自方案—初設(shè)—施工圖—竣工圖階段的緊密溝通與審核保障了綠色建筑策劃的一步步落實(shí)，也是本項(xiàng)目以低廉成本達(dá)到綠色建筑設(shè)計(jì)三星級(jí)目標(biāo)的關(guān)鍵。本項(xiàng)目并未以全力爭(zhēng)取綠色建筑三星標(biāo)識(shí)為目的進(jìn)行綠建策劃，而是著眼真正的運(yùn)營(yíng)階段節(jié)約資源，便于靈活管理，優(yōu)化室內(nèi)外環(huán)境等目標(biāo)，其綠色建筑三星級(jí)的一紙認(rèn)證僅僅是設(shè)計(jì)中的附加價(jià)值。

[1]Sam Roudman, Bank of America's Toxic Tower, New Republic July 28, 2013.

[2]CIBSE Guide F Energy Efficiency in Buildings

[3]CIBSE Applications Manual AM10, Natural ventilation in non-domestic buildings

[4]賽楊.動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室建筑能耗的模擬及優(yōu)化

Key Role of Simulation in Green Building Design Strategy

Liu Xinye

(ChinaIPPRInternationalEngineeringCo.,LTD.,GreenBuildingGroup,Beijing100089,China)

Green building development has stepped into the “deep green” phase, which means that the so-called green building of new building materials and new technologies can neither meet the requirements of the market nor be in line with the national policies. More importantly, although the effectiveness of green building is usually considered at the operation phase, the design phase has always been the most crucial phase for the building to start with a good green foundation. The first key step for a green building is to work out good green building strategy in design and to use suitable building technologies. The article analyzes the important role of digital simulation technology in fine design. With its high reliability, low cost, short project life circle and flexibility, digital simulation technology has become a reliable tool for working out green building planning and predict the future results of all kinds of green technologies.

Green Building; Energy Efficiency; Simulation

劉昕曄(1983-)，男，碩士，英國(guó)皇家特許暖通工程師，英國(guó)皇家特許機(jī)電工程師協(xié)會(huì)企業(yè)代表，LEED AP，中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司綠色建筑研究中心主任， 北京市綠色建筑專業(yè)評(píng)價(jià)組成員。主要研究方向：綠色建筑。

TU201·5；TP391·98

A

1674-7461(2015)01-0053-07