■ 莫弘之 Mo Hongzhi 賓慧中 Bin Huizhong 王海松 Wang Haisong

建筑設(shè)計(jì)階段計(jì)算機(jī)模擬全年熱工負(fù)荷的應(yīng)用
——以SRB樓為范例

■ 莫弘之 Mo Hongzhi 賓慧中 Bin Huizhong 王海松 Wang Haisong

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，可以對(duì)設(shè)計(jì)圖紙階段的建筑進(jìn)行實(shí)際使用狀態(tài)下的熱工表現(xiàn)和能耗模擬，熟練應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，可以在建筑設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑的被動(dòng)式設(shè)計(jì)屬性以及如何盡量利用建筑所處的氣候和使用條件進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。以諾丁漢大學(xué)SRB樓作為模擬對(duì)象，使用Ecotect等軟件進(jìn)行建筑所處氣候分析以及建筑的全年能耗模擬計(jì)算，介紹了建筑師如何獲取在建筑設(shè)計(jì)階段不斷調(diào)整優(yōu)化建筑熱工表現(xiàn)的方法。

建筑真實(shí)能耗模擬；Ecotect；被動(dòng)式設(shè)計(jì)原則

建筑師可以通過(guò)建筑效果圖表達(dá)建筑完成后的效果。而建筑建成后的真實(shí)熱工和能耗表現(xiàn)則往往需要等到建筑被建造并使用后，才會(huì)得到真實(shí)的數(shù)據(jù)。但是建筑的熱工性能和能耗表現(xiàn)，很大一部分是由建筑設(shè)計(jì)本身所確定的。建筑的體型、朝向、門(mén)窗、建筑材料的熱工性能和實(shí)際使用情況等無(wú)不時(shí)刻影響到建筑的熱工和能耗表現(xiàn)。

在建筑建成并投入使用后再去仔細(xì)研究這棟建筑的能耗已經(jīng)于事已晚，只有建筑師在建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，充分考慮利用自然因素，通過(guò)對(duì)建筑所處的氣候、周?chē)h(huán)境，以及建筑師對(duì)被動(dòng)式設(shè)計(jì)的理解，才能從一開(kāi)始幫助建筑達(dá)到一個(gè)更加綠色節(jié)能的設(shè)計(jì)結(jié)果。

本文通過(guò)對(duì)英國(guó)諾丁漢大學(xué)建筑環(huán)境學(xué)院SRB實(shí)驗(yàn)樓（圖1）的計(jì)算機(jī)熱工模擬計(jì)算，簡(jiǎn)要介紹了通過(guò)一系列軟件對(duì)設(shè)計(jì)階段建筑的能耗進(jìn)行真實(shí)使用條件下的全年實(shí)時(shí)熱工和能耗的模擬計(jì)算，從而給建筑師在設(shè)計(jì)階段提供不斷驗(yàn)算建筑設(shè)計(jì)能耗表現(xiàn)情況的方法，幫助建筑師在建筑設(shè)計(jì)時(shí)尋找更好的被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略。

圖1 SRB實(shí)驗(yàn)樓

1 氣候分析與被動(dòng)式環(huán)境設(shè)計(jì)策略

SRB（Sustainable Research Building）建筑的長(zhǎng)軸指向西北-東南向。最南側(cè)架空一層作為建筑的入口，北側(cè)有連廊連接Marmont中心。建筑的1層為實(shí)驗(yàn)室，2層和3層的部分為繪圖教室，3樓南側(cè)為架空的講堂。

通過(guò)Ecotect的氣候工具，可以初步解讀當(dāng)?shù)氐臏貛夂?，基本較為宜人，有舒適的夏季，但是冬季漫長(zhǎng)并且有些寒冷。最熱月為7月，平均氣溫為15.7℃。最冷月為1月，平均溫度2.8℃?？梢?jiàn)冬季的舒適度為主要的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，冬季如何吸收和保存熱量是設(shè)計(jì)的重心。夏季濕度較低，冬季濕度較高。年最高輻射強(qiáng)度發(fā)生在6月（圖2）。通過(guò)圖3的諾丁漢全年日干球氣溫圖，可以看到大部分時(shí)間氣溫都位于舒適度溫度以下。建筑的保溫吸熱應(yīng)為舒適性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

焓濕圖上的月平均氣溫分布也標(biāo)示了諾丁漢是一個(gè)典型的英國(guó)濕冷氣候（圖4）。由此可得濕冷且日照不足的冬季使得太陽(yáng)能采暖不足，人工供暖成為必須。但夏季炎熱天數(shù)很少，所以一般來(lái)說(shuō)大部分建筑不安裝冷氣空調(diào)設(shè)備。合理地設(shè)計(jì)窗戶(hù)并且設(shè)置相應(yīng)的儲(chǔ)熱材料可以盡量吸收太陽(yáng)能并且減小日夜溫差。夏季可以通過(guò)自然通風(fēng)來(lái)解決建筑過(guò)熱的問(wèn)題。

圖3 諾丁漢全年日干球氣溫圖

圖4 諾丁漢月平均氣溫分布圖

2 建筑圍護(hù)材料的選用及模擬

圖2 Ecotect繪制的全年氣溫、濕度、輻射強(qiáng)度以及風(fēng)玫瑰圖

在這樣的氣候條件下，低K值的外圍護(hù)材料可以有助于熱量保持在建筑中。儲(chǔ)熱體提供一個(gè)熱的存儲(chǔ)空間，用以緩解日夜間的溫差波動(dòng)。建筑材料的熱時(shí)差可以將熱量延后送達(dá)建筑室內(nèi)。

同時(shí)，材料內(nèi)部的冷凝也是必須避免的一個(gè)因素。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)建筑材料，可以查表來(lái)獲取材料的熱工屬性和結(jié)露情況。但如果需要設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的復(fù)合材料，則沒(méi)有現(xiàn)成的熱工性能和結(jié)露情況的資料可查，但可以通過(guò)Hevacomp等類(lèi)似的軟件進(jìn)行復(fù)合材料熱工和結(jié)露情況的模擬。筆者模擬了3種墻體材料（分別為墻1、墻2、墻3）、1種屋面材料、1種樓板材料。各種復(fù)合材料的構(gòu)造見(jiàn)表1。

Hevacomp初始環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)為：室內(nèi)溫度20℃，外側(cè)空氣熱阻0.060 m2K/W，內(nèi)側(cè)空氣熱阻 0.120 m2K/W，室外干球溫度-1℃，室外濕球溫度-1℃（年最低氣溫，并考慮100%的最不利的濕度條件）。

表1 材料構(gòu)造表

由于墻1的第一次模擬結(jié)果顯示墻內(nèi)溫度曲線(xiàn)同水蒸氣分壓力曲線(xiàn)發(fā)生交叉，故材料在極端氣候條件下有內(nèi)部結(jié)露的危險(xiǎn)（圖5）。為此，在墻內(nèi)混凝土板和礦棉之間增加一層鋁箔隔蒸汽層，并重新模擬。

從圖6得到的熱工數(shù)據(jù)可以清楚地看到，鋁箔保溫層徹底防止了墻體在極端氣候下的內(nèi)部冷凝的發(fā)生。

圖7可見(jiàn)墻2的熱工性能復(fù)合設(shè)計(jì)需求。墻3是傳統(tǒng)的空氣間層砌塊墻的構(gòu)造措施?？梢钥吹?，雖然K值略高，但是建造成本最低，且沒(méi)有發(fā)生冷凝的危險(xiǎn)（圖8）。

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)，陶土瓦塊屋面為建筑提供了一個(gè)不同風(fēng)格的獨(dú)特外立面效果。第一次模擬，產(chǎn)生了內(nèi)部結(jié)露。增加一層鋁箔后解決結(jié)露問(wèn)題。雖然K值較其他幾種建材高，但屋面由于不能使用重型材料，普遍來(lái)說(shuō)，對(duì)厚度的要求等都使得屋面比墻面的熱工性能要差。且該建筑的屋頂陶土瓦部分面積并不大，此熱工性能可以接受（圖9）。

圖5 墻1的第一次模擬結(jié)果

圖6 墻1的第二次模擬

圖7 墻2的熱工模擬結(jié)果

圖8 墻3的熱工模擬結(jié)果

3 Ecotect能耗和舒適度模擬結(jié)果

圖10為Ecotect建模示意圖。建筑外圍護(hù)材料的熱工性能按照Hevacomp模擬的結(jié)果輸入Ecotect模型。

3.1 模型參數(shù)設(shè)置

對(duì)于建筑來(lái)說(shuō)，空氣滲透永遠(yuǎn)是無(wú)法回避的問(wèn)題。除了建筑之外，門(mén)、窗等的氣密性會(huì)嚴(yán)重影響建筑的熱工表現(xiàn)。冬季采暖是英國(guó)的主要環(huán)境控制因素，且SRB樓并不計(jì)劃設(shè)置冷氣裝置。但是同樣需要對(duì)夏季熱工舒適度表現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)算，以防止建筑產(chǎn)生可能的過(guò)熱問(wèn)題。

使用者的新陳代謝，電器（燈具、電腦、儀器設(shè)備等）無(wú)不產(chǎn)生熱量。這些熱量直接散發(fā)到建筑空間中去。電器設(shè)備不僅產(chǎn)生熱量，也等量產(chǎn)生了建筑的能耗。雖然建筑師并不能真正控制使用者的使用行為，但是按照設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)和房間的功能，還是可以初步估算出使用者的行為模式，Ecotect有Schedule日程模式來(lái)設(shè)置使用者和電器的使用行為。Ecotect使用Zone設(shè)置來(lái)區(qū)別設(shè)置每個(gè)建筑內(nèi)部的使用情況。通過(guò)不同房間使用者的不同設(shè)置，來(lái)模擬

使用者的真實(shí)使用情況（表2）。

圖9 陶土瓦屋面構(gòu)造的熱工模擬結(jié)果（第一次（1）有冷凝；第二次加入隔蒸汽層（2）無(wú)冷凝）

圖10 SRB樓在Ecotect中的建模示意圖

表2 峰值使用情況下每層樓的使用者情況

建筑內(nèi)部的采光設(shè)計(jì)為，繪圖室20盞燈，辦公室4盞燈，皆為雙35W日光燈管吊燈。講堂燈在實(shí)際使用條件下，由于所有講解都基于PPT，照明燈具大部分時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)。

每個(gè)使用者最佳的換氣率為7L/s。在繪圖教室，由于邊上的Marmont中心擁有計(jì)算機(jī)室，學(xué)生在繪圖教室不怎么攜帶并使用電腦。

通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

峰值通風(fēng)率考慮所有人都在建筑內(nèi)部時(shí)的通風(fēng)率。由于建筑采用集中供暖且不設(shè)置熱工分區(qū)，共計(jì)峰值時(shí)候使用者為20+50+50+50=170人；

建筑容積（考慮建筑層高3.6m，乘以每層面積可得）為1 217m3+1 438m3+1 881m3=4 536m3；

新鮮空氣需求量為170（人）×7（L/人·S）×3600（S/ h）=4 283m3；

完成證件打印。從所需動(dòng)作分析，完成一個(gè)證件的打印共需2個(gè)水平運(yùn)動(dòng)、2個(gè)垂直方向運(yùn)動(dòng)以及抓紙及松紙動(dòng)作。水平方向的縱向、橫向運(yùn)動(dòng)分別由2個(gè)氣缸控制，抓手的上下移動(dòng)要求定位準(zhǔn)確，采用伺服電機(jī)通過(guò)絲桿驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[1]。所有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各種動(dòng)作完成后，均由傳感器發(fā)出信號(hào)來(lái)連接相互位置關(guān)系。

可得換氣率為4 283/4 536=0.94（次/h）；

以上數(shù)據(jù)可以直接輸入Ecotect的Zone設(shè)置（圖11）。

表3 峰值照明能耗

以上，建筑被設(shè)置為24h X 7days工作的狀態(tài)。可以使用Schedule日程安排狀態(tài)設(shè)置建筑在不同日期的使用比率。假設(shè)在學(xué)期中間，SRB樓每天09∶00～17∶00被充分使用。17∶00～22∶00則只有20%使用者在使用。假期和周末的09∶00～18∶00，則只有20%的使用者。

至于照明情況，假設(shè)白天只需要打開(kāi)50%的燈，晚上需要打開(kāi)所有的燈。在建筑關(guān)閉的情況下，為了安保要求，仍然保持10%的燈光打開(kāi)（圖12）。

圖11 Ecotect Zone設(shè)置中輸入的數(shù)據(jù)

圖12 燈光開(kāi)啟日程表

通風(fēng)的日程表和使用者密切相關(guān)，可以直接用使用者日程來(lái)應(yīng)用于通風(fēng)日程。

至此，已經(jīng)在電腦中模擬出SRB建筑的建筑形態(tài)、建筑材料的熱工性能以及使用情況。現(xiàn)在可以使用Ecotect進(jìn)行全年舒適度和能耗的模擬了。

3.2 建筑的熱工表現(xiàn)

在考慮建筑熱工表現(xiàn)的時(shí)候，不需要在模型中設(shè)置暖氣和冷氣系統(tǒng)，以便于觀(guān)察建筑在不依賴(lài)HVAC系統(tǒng)時(shí)的室內(nèi)舒適度表現(xiàn)。先將建筑的熱工舒適度設(shè)置為18～26℃，然后選取一年中最冷日并得到室內(nèi)日小時(shí)溫度結(jié)果（圖13）?？梢钥吹讲灰蕾?lài)HVAC，整棟樓在最冷日的氣溫很低，不如人意。

圖13 最冷日每小時(shí)溫度模擬結(jié)果圖

圖14 最冷日每小時(shí)得失熱圖

可以看到最熱日的氣候條件下，建筑室內(nèi)會(huì)維持19～27℃的舒適溫度。建筑室內(nèi)的電器和使用者產(chǎn)生的熱量是主要的產(chǎn)熱源。以上的模擬基于0.94和冬季相同點(diǎn)的換氣率就已經(jīng)可以達(dá)到舒適區(qū)間，可見(jiàn)通過(guò)開(kāi)窗的方式增加換氣率可以讓建筑內(nèi)部的舒適度更容易控制（圖15、16）。

但是通過(guò)模型的模擬可以發(fā)現(xiàn)，出乎意料的是最熱日通過(guò)增大換氣率并不能顯著改變室內(nèi)溫度。由于當(dāng)日的環(huán)境氣溫極為接近室內(nèi)溫度，所以過(guò)大的換氣率并不能提高舒適性。這種通過(guò)軟件模擬獲得的出乎預(yù)判的結(jié)果，正顯示出軟件模擬技術(shù)對(duì)于建筑熱工預(yù)判的不可靠性，并可以由此對(duì)初步的預(yù)判進(jìn)行校正（圖17）。

3.3 建筑的能耗表現(xiàn)

由于建筑只設(shè)計(jì)了取暖裝置，則將能耗計(jì)算中設(shè)置為“只取暖”。并將鍋爐的效率設(shè)置為95%（圖18）。鍋爐設(shè)置為8∶00（提前開(kāi)門(mén)1h啟動(dòng)以預(yù)熱建筑），并于22∶00關(guān)閉。取暖的目標(biāo)為維持室內(nèi)溫度不低于18℃。

由此得到了SRB建筑的采暖能耗的模擬結(jié)果（圖19、表4）。雖然提高建筑圍護(hù)材料的K值可以提高建筑的保溫性能，但是由于建筑外圍護(hù)材料的接觸傳熱并不是建筑失熱的主要路徑，進(jìn)一步提高建筑圍護(hù)材料的K值起到的效果相當(dāng)有限。根據(jù)木桶原理，通過(guò)這樣的分析可以很快找到一個(gè)建筑最大的失熱路徑，并集中精力去改進(jìn)。片面地提高某個(gè)部件的節(jié)能性能或者能耗表現(xiàn)，并不能有效減少建筑能耗，必須找到木桶中最短的那塊木頭才能起到效果。

圖15 最熱日的室內(nèi)溫度圖

圖16 每小時(shí)得熱圖

圖17 最熱日，換氣率分別為0.94；2；3；4

圖18 暖氣能耗設(shè)置為“只取暖”，鍋爐效率設(shè)置為95%

圖19 月取暖能耗模擬結(jié)果圖

表4 月取暖能耗模擬結(jié)果

得到了年度取暖能耗的數(shù)據(jù)之后，就可以很簡(jiǎn)單地計(jì)算建筑的碳排放指標(biāo)。前面只考慮到暖氣系統(tǒng)95%的能耗表現(xiàn)，而對(duì)于鍋爐來(lái)說(shuō)也沒(méi)有100%能耗的鍋爐，按照一個(gè)優(yōu)秀的冷凝式鍋爐92%的能耗來(lái)看：93 764 kWh/0.92=101 917 kWh；101 917kWh×0.19 kg/ kWh=19.4tonCO2。再平均到SRB的1269.14m2，每平方米可得CO2：19 400kg/1 269.14m2=15.3 kg / （m2年）；101 917/1 269.14=80.3 kWh/ （m2年）。

根據(jù)“好設(shè)計(jì)”資料庫(kù)中冬季取暖辦公建筑[79 kWh/（m2年）]的取暖能耗標(biāo)準(zhǔn)，SRB[80.3 kWh/ （m2年）]正好達(dá)到了好建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（表5）。

進(jìn)一步還可以驗(yàn)算照明能耗的表現(xiàn)。峰值照明功率為1 400 W +1 680 W +1 680 W =4 760W，則按照照明系統(tǒng)的日程表計(jì)算（表6）。

比對(duì)表5，SRB實(shí)驗(yàn)樓的照明能耗也符合“好建筑”的標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，可以在建筑周?chē)砑又車(chē)h(huán)境、綠化等對(duì)建筑熱工產(chǎn)生影響。本例通過(guò)在SRB的Ecotect模型西側(cè)插入樹(shù)林作為遮擋，并重新模擬建筑的能耗以觀(guān)察樹(shù)林對(duì)SRB實(shí)驗(yàn)樓的影響（圖20）。

通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，由于英國(guó)冬季日照時(shí)間短，且集中于南側(cè)，西側(cè)的樹(shù)林對(duì)于建筑太陽(yáng)輻射的遮擋作用幾乎可以忽略。且西側(cè)的樹(shù)林也可以阻擋西北方向的風(fēng)，所以對(duì)于建筑的遮擋并不構(gòu)成熱工上的損失（圖21～23）。

表5 “好設(shè)計(jì)”資料庫(kù)中冬季取暖辦公建筑的能耗標(biāo)準(zhǔn)[kWh/（m2年）]

表6 照明系統(tǒng)耗電日程計(jì)算表

圖20 在SRB模型中插入西側(cè)的樹(shù)林作為遮擋

圖21 最冷日室內(nèi)溫度比較（（1）為無(wú)樹(shù)，（2）為有樹(shù)）

圖22 最熱日室內(nèi)溫度比較（（1）為無(wú)樹(shù)，（2）為有樹(shù)）

圖23 全年暖氣能耗表現(xiàn)（（1）無(wú)樹(shù)時(shí)73.88 kWh/m2/year，（2）有樹(shù)時(shí) 74.19 kWh/m2/year）

4 結(jié)語(yǔ)

可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)SRB建筑實(shí)際能耗動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)例研究，為建筑師提供一種通過(guò)Ecotect一類(lèi)的軟件對(duì)在設(shè)計(jì)階段預(yù)判建筑設(shè)計(jì)熱工表現(xiàn)的手段。建筑師可以在建筑完成前就預(yù)先獲知自己的建筑設(shè)計(jì)將遇到的所有熱工上的問(wèn)題，并且在設(shè)計(jì)階段就可以通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化建筑的能耗需求。通過(guò)這樣的手段，建筑師才能夠在建筑設(shè)計(jì)階段盡可能考慮建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)的性能，從而優(yōu)化建筑的能耗表現(xiàn)。

Application of Computer Simulated Year-Round Thermal Load in Building Design Phase --Taking SRB Building for Instance

The computer simulating technology can be used for simulating thermal performance and energy consumption under practical service condition of buildings in design drawing phase. By skillfully using this technology, it will be able to carry out optimized design to passive design nature of building in design phase and how to utilize the climate and service conditions of the building’s location. With the SRB building of the University of Nottingham as the simulating tar get, the paper carried out climate analysis for the building’s location and simulated calculation on the building’s year-round energy consumption by employing Ecotect, and introduced how do architects obtain the method for continuously adjusting and optimizing the building's thermal performance in the design phase.

building real energy consumption simulation, Ecotect, passive design principle

2015-11-29）

莫弘之，博士，上海大學(xué)建筑系講師；賓慧中，博士，上海大學(xué)建筑系副教授；王海松，博士，上海大學(xué)建筑系教授。