王文韜 顏禧妮

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)浦口校區(qū)信息管理學(xué)院，江蘇 南京210031）

1 概述

隨著能源消耗問題的日益加重，現(xiàn)實證明，合理的利用資源才是人類生存的長久之計。在建筑領(lǐng)域，建筑總能耗現(xiàn)今已達(dá)到國家能源消耗的32%，搭建房屋建筑所需建筑材料能耗約達(dá)13%，建筑能源消耗總量已經(jīng)達(dá)到全國能源消耗的45%左右[1]，其中既有建筑中圍護(hù)結(jié)構(gòu)在建筑總能耗中所占比例高達(dá)72%，故既有建筑建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造問題的解決迫在眉睫[2-3]。同時，隨著生活水平的提高，居民對于建筑舒適度的要求也不斷提高，因此提升建筑熱環(huán)境舒適度也顯得尤為重要[4]。針對以上問題，本文采用ECOTECT 軟件，通過制定并對各個圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造方案進(jìn)行模擬分析，得出各方案的節(jié)能情況和熱環(huán)境舒適情況，為建筑節(jié)能提供依據(jù)。

2 既有建筑概況及節(jié)能方案的確定

2.1 既有建筑概況

本文選取是一棟具有代表意義，位于南京市浦口區(qū)某小區(qū)的住宅建筑。該建筑為磚混結(jié)構(gòu)，建造于1997 年，坐北朝南，共4 單元，其中各單元戶型相同，建筑長88.8m，寬18.0m，建筑面積3196.8m2，一般層高2.8m，高度25.2m，建筑的CAD 圖紙如圖1 所示。

經(jīng)過對建筑的實地調(diào)研以及相關(guān)資料的查找，最終得到其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料及構(gòu)造組成，計算得出各個結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)，匯總?cè)绫? 所示。

2.2 節(jié)能改造方案的確定

對于既有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案，目前方法的選取通常是在已有的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加保溫隔熱的材料層，從而達(dá)到減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的目的，降低需要維持室內(nèi)舒適溫度的能源消耗。

圖1 建筑CAD 圖紙

表1 原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

表2 原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

結(jié)合著本既有建筑的結(jié)構(gòu)特點以及南京地區(qū)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則，分別從外墻改造、外窗改造、添加遮陽結(jié)構(gòu)三個方面擬定了6 項圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造方案，各方案的材料結(jié)構(gòu)構(gòu)成及導(dǎo)入系數(shù)指標(biāo)如表2 所示。

3 原建筑及各改造方案能耗模擬

結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及結(jié)構(gòu)特點，對其進(jìn)行簡化處理，在軟件ECOTECT 中建立模型，選擇南京市的CSWD 氣候數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)氣候參數(shù)；根據(jù)實際建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻、窗及屋頂?shù)牟牧蠘?gòu)成、構(gòu)造做法和布局形式賦予材質(zhì)，計算并賦予對應(yīng)參數(shù)；同時，根據(jù)建筑的實際情況設(shè)置室內(nèi)人員數(shù)量及熱環(huán)境的基本情況，最終模型可視化圖形如圖2 所示。

3.1 總能源消耗量對比分析

對于建筑能源消耗，通常是指在維持保證建筑正常功能的建筑物在運營過程所消耗的能量，包括室內(nèi)暖通空調(diào)、家用照明電器等消耗，其中，暖通空調(diào)在建筑能耗中占據(jù)較大部分，ECOTECT 軟件即可以計算模擬建筑物總體和部分的逐月及年總能耗數(shù)據(jù)。將原圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料與各改造方案進(jìn)行能耗分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理可得到圖3。

由結(jié)果可知，A 方案、B 方案和C 方案三方案的能源消耗量相近，且均有較好的節(jié)能效果，D 方案和E 方案的能源消耗量相近，而原建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和F 方案的能源消耗量最多。A-E 種改造方案均能達(dá)到能降低該建筑的能源消耗量，據(jù)此便可知導(dǎo)熱系數(shù)U 小、傳熱能力弱、保溫性高的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對于能耗的降低是有利的。

圖2 建筑模型

據(jù)結(jié)果從總能源消耗的角度，針對南京地區(qū)的既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造，改造外墻體的節(jié)能效果比改造外窗的節(jié)能效果略有優(yōu)勢。

圖3 年總能耗對比

3.2 逐月能源消耗量對比分析

將各個方案的逐月能源消耗模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理可得結(jié)果如圖4。

圖4 逐月能耗對比

根據(jù)分析結(jié)果可知，逐月能耗模擬結(jié)果與總能耗結(jié)果有一定差異，其中10 月～4 月和5 月期間，6 種方案能源消耗量呈明顯的兩端高低相差較大，處于中間的方案能耗較少，基本與總能源消耗量趨勢一致。

同時，4 月D 方案和E 方案能耗量高于A、B 和C 方案，表示外窗U 值小、傳熱性能低且保溫較好，當(dāng)環(huán)境由低溫至高溫過度時期對于能耗的降低不利。主要原因為室外溫度回升，外窗由于傳熱能力過低而不利于室內(nèi)外溫度的傳遞，居民則覺得冷，進(jìn)而采用暖通空調(diào)的或其它方式使高室內(nèi)溫度達(dá)到舒適狀態(tài)，結(jié)果導(dǎo)致能耗量提升。11 月份時D 方案和E 方案能耗量也同樣高于A、B 和C 方案，室外環(huán)境氣候從高溫轉(zhuǎn)變到低溫時，室外低溫不易被導(dǎo)入室內(nèi)，室內(nèi)居民覺得熱故使用空調(diào)或其它方式溫，結(jié)果導(dǎo)致能耗量增加。

其中，6 月～8 月六種方案的能源消耗降低量沒有11 月～3月那么明顯，表現(xiàn)出保溫隔熱性能好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在冬天對于能耗是有益的，但在夏季節(jié)能的效果不是很明顯。

4 原建筑及各改造方案熱環(huán)境舒適度模擬

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱比率分析

ECOTECT 軟件可以對被動組分得熱進(jìn)行分析，從而在一定程度上反映出建筑的熱環(huán)境情況，并可以將逐日得失熱狀況表現(xiàn)在一張圖中，得到各內(nèi)容所比例、有圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱、綜合溫度產(chǎn)熱、太陽直射輻射、冷風(fēng)滲透、內(nèi)部人員等方面的得失熱共六項。

對原建筑情況及6 種方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)全年得失熱量進(jìn)行分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 各方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱百分比

由圖5 可知，E 方案和D 方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量的比率相近，A、B 方案和C 方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量百分比相近，原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和F 方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量的百分比率相對較大，然而雖然不同的改造方案之間有差距，但總體上變化波動幅度不大，則可說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變對于建筑整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱失熱量百分比率的影響較小。6 種方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量百分比中A-E 方案整體相較于原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)呈下降趨勢,失熱量與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性是成正比的，同時也由于F 方案未有改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)，故其失熱量相較于原方案并未有太大的變化。其中C 方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量百分比最低，這個結(jié)果與總能耗模擬結(jié)果一致，由于其導(dǎo)熱系數(shù)相較而言為一個最優(yōu)的情況。

4.2 熱舒適度參數(shù)PMV-PPD 指標(biāo)的計算

表3 各改造方案PPD、PMV 指標(biāo)

5 結(jié)論

本文通過對南京市既有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同節(jié)能改造方案進(jìn)行模擬分析，最終得到以下結(jié)論：

5.1 針對南京地區(qū)氣候特點和既有建筑的結(jié)構(gòu)特點，通過改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻體、外窗的材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)成以降低其導(dǎo)熱系數(shù)，提升保溫隔熱性能，能夠有效的達(dá)到減少建筑能源消耗、降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱百分比、提升建筑物室內(nèi)熱環(huán)境舒適度的目的。而僅僅的增加遮陽結(jié)構(gòu)對于既有建筑的節(jié)能情況和熱環(huán)境舒適度的優(yōu)化情況效果并不明顯。

5.2 針對南京地區(qū)既有建筑節(jié)能效果方面，從總能源消耗量和逐月能源消耗的角度分析，外墻體增加保溫隔熱材料的節(jié)能效果要相對優(yōu)于采用更加節(jié)能的窗體材料和結(jié)構(gòu)；從熱環(huán)境舒適度優(yōu)化的角度，優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外窗體效果相對于更好。因此，從節(jié)能的目的出發(fā)，應(yīng)優(yōu)先選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻體節(jié)能改造。結(jié)合本既有建筑的實際情況，最佳的方案為E 方案。

5.3 對于今后建筑的建造，應(yīng)在設(shè)計階段即考慮建筑能耗以及熱環(huán)境舒適度情況的模擬與分析，本文即提供了一種具有實際參考意義的方法思路，通過控制變量法結(jié)合Ecotect Analysis 軟件模擬的對比分析，選擇出最有利于建筑需求的方案進(jìn)行施工。