韓 秀,劉 男
(東北林業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150030)
為了降低能耗需求[1],最大限度地實現(xiàn)熱量的循環(huán)利用,在建筑設(shè)計和規(guī)劃中結(jié)合當(dāng)?shù)靥厥獾牡乩須夂颦h(huán)境,建設(shè)高質(zhì)量、低能耗的住宅建筑是十分必要的[2]。
針對建筑能耗模擬問題,文獻(xiàn)[3]使用Climate Consultant氣候分析軟件,對某地溫度和太陽輻射量實施分析比對,獲得滿足當(dāng)?shù)亟ㄖl件的被動式設(shè)計策略,并通過Design Builder對其進(jìn)行模擬驗證,為改建或新建民居選擇設(shè)計方案提供參考與借鑒。但該方法沒有考慮除太陽輻射的其它氣候條件,模擬精度較差;文獻(xiàn)[4]設(shè)計一種人工蜂群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下的能耗預(yù)測算法。依照民居建筑特點,挑選多個能耗影響因素當(dāng)作輸入?yún)?shù)樣本特征,將模擬成果當(dāng)作網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與檢測數(shù)據(jù),組建能耗預(yù)測模型。但該方法前期準(zhǔn)備工作較多,計算復(fù)雜度高。文獻(xiàn)[5]以常用綠化樹種櫸樹為樣本,進(jìn)行樹冠三維模型構(gòu)建。通過三維激光掃描技術(shù)獲取點云數(shù)據(jù),研究樹冠三維模型的構(gòu)建,得到不同的三維模型構(gòu)建效果,構(gòu)建的三維模型精細(xì)程度較高,可作為計算冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)和依據(jù)。
綜合以上內(nèi)容,本文創(chuàng)建高寒地區(qū)民居建筑模型,了解民居建筑的具體設(shè)計情況,設(shè)置民居建筑模型參數(shù),利用DeST軟件模擬外墻、外窗和屋面對室內(nèi)溫度的影響,得到有效的高寒地區(qū)低能耗建筑改進(jìn)方案基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
以北方某高寒地區(qū)居民住宅為例,使用激光掃描儀對該建筑進(jìn)行三維建模,為低能耗模擬提供實驗數(shù)據(jù)。以測距機(jī)理為前提,把三維激光掃描儀劃分成三角法測距、脈沖式測距和相位法測距。相位測距經(jīng)過推導(dǎo)發(fā)射脈沖與接收脈沖間的相位差p,其精度高,一般為毫米級,可以有效獲得反射信號,因此,本文設(shè)計中采用相位測距方法融合光的傳播速率計算距離大小。
假設(shè)脈沖頻率是f,相位差是Φ,光速是c,則距離S的計算過程為
(1)
推算脈沖射出與接收的時間差值,推測被測對象與脈沖間的距離
(2)
其中,Δt是記載的時間差。
運(yùn)用一體化高效掃描儀完成模型構(gòu)建,測距方法是脈沖式測距,其測距原理和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)可參見圖1和表1。
表1 掃描儀關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)
圖1 脈沖式三維激光掃描儀測距原理示意圖
為精準(zhǔn)描述多個點之間的空間關(guān)聯(lián),還要明確各個點坐標(biāo),將三維激光掃描儀當(dāng)作原點的局部坐標(biāo)系坐標(biāo)。坐標(biāo)運(yùn)算原理如圖2所示。
圖2 局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)示意圖
圖2中,θ表示掃描角度和水平方向上的夾角,α表示點P(x,y,z)在水平面上的投影點Q及X方向的夾角。P點局部坐標(biāo)系推導(dǎo)解析式為
(3)
在掃描過程中,外部環(huán)境會阻礙掃描對象[6],并形成各種干擾噪聲。因此,有必要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾,去除數(shù)據(jù)中的不平衡點。在實際應(yīng)用中,需要選擇合適的過濾方法來完成自動過濾。
掃描系統(tǒng)具有一定剛性,點云配準(zhǔn)過程中產(chǎn)生的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以當(dāng)作三維剛體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,兩個點云間的尺度比λ是1。轉(zhuǎn)換模型內(nèi)擁有以下獨(dú)立參數(shù):平移參數(shù)Δx、Δy、Δz和旋轉(zhuǎn)參數(shù)α、β、γ。
計算旋轉(zhuǎn)矩陣R與平移矩陣T實現(xiàn)配準(zhǔn),了解配準(zhǔn)函數(shù)并獲取最優(yōu)轉(zhuǎn)換參數(shù)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型為
(4)
式中
(5)
R(α,β,γ)=cosαcosγ+sinαsinβsinγ
(6)
僅利用點云無法形成真實的居住建筑層次結(jié)構(gòu)。為了修復(fù)建筑物表面的拓?fù)潢P(guān)聯(lián),完成高寒地區(qū)居住建筑的三維模型,構(gòu)建過程包括特征線提取和模型建立兩個部分。
特征線提取方法眾多,目標(biāo)建筑前方有很多遮擋物,讓點云數(shù)據(jù)某些區(qū)域激光不能直達(dá)建筑物表面,形成空洞[7],因此在提取特征線過程中,使用繪制軟件預(yù)先描繪三維結(jié)構(gòu)線,并投影至二維平面。
基于線畫圖的三維模型構(gòu)建中心思想是由線成面。把CAD線劃圖導(dǎo)進(jìn)3DMAX軟件內(nèi)。在點云數(shù)據(jù)下,各個方向構(gòu)建的線劃圖之間均擁有明確的位置關(guān)聯(lián),把前后左右上下的立面圖同時導(dǎo)入,即能合成建筑架構(gòu)示意圖。
因民居住宅面積較大,現(xiàn)階段對建筑物的整體構(gòu)件識別并全部自主建模沒有很好的解決方式。在建模過程中會分離建筑物各個構(gòu)件,并將其劃分成規(guī)則與不規(guī)則兩種模式。針對需要保存現(xiàn)狀的建筑物構(gòu)件,應(yīng)當(dāng)創(chuàng)建一個三角網(wǎng)模型[8]。三角網(wǎng)模型精度很高,可展現(xiàn)出民居建筑初始面貌。
通過上述過程,將建筑構(gòu)件分別建模并放置在同一個文件中。在完成整體測量控制的前提下,所有構(gòu)件都有一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系,可以將它們組合在一起,形成完整的住宅模型。
為更好地展現(xiàn)出民居建筑室內(nèi)實際狀態(tài),在民居建筑模型基礎(chǔ)上,隨機(jī)挑選某一房間,設(shè)定其室內(nèi)能耗參數(shù)。
按照擬定溫度的忍耐界線來展現(xiàn)空調(diào)運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)高于擬定溫度閾值界線時,空調(diào)自主運(yùn)轉(zhuǎn),而在此期間,室內(nèi)溫度會控制在擬定溫度固定值內(nèi)[9]。譬如嚴(yán)寒地區(qū)冬天擬定房間溫度是19℃,忍耐溫度是17℃,假設(shè)室內(nèi)溫度大于17℃時,空調(diào)系統(tǒng)不運(yùn)行,在小于17℃時,空調(diào)系統(tǒng)自動運(yùn)行,把溫度約束在19℃之上,保持室內(nèi)溫度舒適性。
空調(diào)參數(shù)擬定參見表2。
表2 空調(diào)參數(shù)擬定表
用戶利用開關(guān)窗改善室內(nèi)通風(fēng)條件,使室內(nèi)溫度發(fā)生變化。結(jié)果表明,在夏季,用戶通常使用敞開的門窗來改善室內(nèi)的通風(fēng)條件,特別是在晚上,打開門窗有助于室內(nèi)熱環(huán)境的相互循環(huán)。當(dāng)室外溫度逐漸升高時,可以用空調(diào)來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。高寒地區(qū)早晚溫差較大,居民可在夜間開窗,白天關(guān)窗,以提高室內(nèi)溫度,使室內(nèi)溫度處于較舒適的狀態(tài)。
自然通風(fēng)的風(fēng)量多少和區(qū)域氣候、周邊環(huán)境等元素相關(guān),無法準(zhǔn)確獲悉風(fēng)量數(shù)值。因此本文設(shè)置民居建筑的開窗風(fēng)量通風(fēng)換氣為15次/h,關(guān)窗風(fēng)量通風(fēng)換氣為1次/h。
在進(jìn)行住宅能耗模擬時,應(yīng)選取一個典型日作為模擬對象。典型日可以代表整個采暖期的大部分時間特征,從而探討室內(nèi)溫度和室內(nèi)能耗的變化。根據(jù)內(nèi)容選擇典型日的測定方法。本文主要對高寒地區(qū)的低能耗建筑進(jìn)行分析,選擇最不利的條件進(jìn)行實施。
高寒地區(qū)的室內(nèi)大部分熱量來自太陽輻射。這個地區(qū)的建筑和一般的建筑有很大的區(qū)別。沒有相對穩(wěn)定的室溫。室內(nèi)溫度受室外氣候條件的影響,且元素多,室內(nèi)日溫差特別大。本文研究住宅建筑的關(guān)鍵是采用合理的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計,以減少室外氣候條件引起的室內(nèi)溫度波動。
在建筑物外的氣象要素中,太陽輻射的影響最大。太陽光照射是一個不斷變化的過程,建筑物在每個時間段獲得的輻射能是不相等的,特別是晝夜循環(huán)變化,住宅建筑也處于熱增量和熱損失的反復(fù)變化中[10]。
冬至日照期短,太陽高度角低。在太陽輻射相對較短的情況下,室內(nèi)溫度有所提高,但長時間無光照時,室內(nèi)處于熱損失狀態(tài),室內(nèi)溫差較大。冬至作為低能耗實驗的波動數(shù)據(jù)。
DeST是一種建筑環(huán)境模擬軟件,在本次仿真中,根據(jù)建筑設(shè)計的層次結(jié)構(gòu)(外墻、外窗、屋面),分析住宅建筑的熱工特性,計算室內(nèi)溫度,計算全年動態(tài)荷載。同時,將設(shè)計過程與系統(tǒng)整體情況有機(jī)結(jié)合,得到建筑物本身的年度實時統(tǒng)計數(shù)據(jù),實現(xiàn)高寒地區(qū)低能耗民居建筑DeST模擬。
外墻的保溫性能取決于其傳熱系數(shù),它對建筑總能耗有著非常重要的影響。如果換熱系數(shù)小,建筑保溫效果好,但成本較高,工藝復(fù)雜,實施困難[11]。隨著大量節(jié)能墻體技術(shù)的發(fā)展,新型墻體材料進(jìn)入了市場
混凝土多孔磚由水泥和砂組成,具有優(yōu)良的節(jié)能效果;加氣混凝土具有多孔材料,重量輕,耐火性能優(yōu)良,具有一定的抗震性能,作用于非承重墻;粘土多孔磚由粘土制成,并且空腔的增加可以提高其保溫性能;灰砂磚的原材料是灰砂,與其它墻體材料相比,它具有良好的蓄熱性能和較強(qiáng)的隔聲效果;粉煤灰陶?;炷恋脑牧鲜欠勖夯?,摻入少量石灰,石膏與外加劑,并利用水化反應(yīng)形成人工輕骨料。表3為以上各類墻體材料的熱性參數(shù)。
表3 墻體熱性參數(shù)
外墻傳熱系數(shù)包含墻體架構(gòu)熱橋和墻面上不同部分的加權(quán)均值Km,模擬建筑外墻的加權(quán)均值是0.613W/(m2·K),把外墻傳熱系數(shù)范圍擴(kuò)大到0.4W/(m2·K)和1.5W/(m2·K),模擬結(jié)果如圖3所示。
圖3 外墻對建筑冷、熱負(fù)荷的作用
從圖3可知,加權(quán)均值從左往右逐步變大,冷熱負(fù)荷都伴隨外墻傳熱系數(shù)的變大而升高,且二者和加權(quán)均值呈現(xiàn)出線性關(guān)聯(lián),與冷負(fù)荷相比,熱負(fù)荷對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性能更為敏感。針對寒冷地區(qū)供暖期長的地區(qū),提升外墻保溫的是十分必要的,也是降低冷負(fù)荷的關(guān)鍵途徑。
外窗是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分,通過外窗的能量損失占總能耗的55%以上[12]。低能耗住宅建筑內(nèi)外窗的熱工性能有以下兩個要素:外窗具有集熱功能,可以讓太陽輻射到室內(nèi),提高室內(nèi)溫度;另外,外窗的傳熱系數(shù)高于外窗在其它建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中,夜間無太陽輻射時熱損失最大。因此,有必要對高寒地區(qū)的區(qū)域條件和太陽輻射資源進(jìn)行模擬。
建筑外窗的窗框材料種類繁多,各種窗框材料各有優(yōu)缺點。目前,鋁合金窗和塑鋼窗廣泛應(yīng)用于住宅建筑中。本文介紹了塑鋼窗在低能耗住宅中的應(yīng)用。
玻璃是窗戶材料的透明部分,占窗戶面積的大部分。外窗玻璃是住宅建筑能耗的主要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,市場上的外窗玻璃款式繁多,性能也不盡相同,表現(xiàn)出不同的光、熱性能。表4是幾類常見的玻璃類型和其光熱性能系數(shù)。
表4 玻璃光熱性能系數(shù)
高寒地區(qū)通常以被動式方法運(yùn)用太陽能資源解決冬季采暖問題,本文建筑模型選擇6mm單玻窗、9mm中空玻璃作為外窗玻璃材料進(jìn)行試驗對比,探究最行之有效的低耗能住宅條件。
窗墻比表示窗洞大小和室內(nèi)內(nèi)部單元面積的比值。窗墻比大,夏季空調(diào)制冷能耗越高。高寒地區(qū)窗墻比限值如表5所示。
表5 高寒地區(qū)窗墻比
本文以陽光照射較少的北向外窗為例,研究其能耗影響因素。北向外窗在不同窗墻比下依次使用普通單玻窗、中空窗的南北向室內(nèi)溫度和日溫差如圖4、5所示。
圖4 北向外窗對南向房間的溫度影響
圖5 北向外窗對北向房間的溫度影響
從圖4和圖5中可以看到,伴隨北向窗墻比的提升,北向房間室內(nèi)溫度下降,室內(nèi)日溫差上升;南向房間室內(nèi)溫度有所降低,室內(nèi)日溫差相差不多??傻玫饺缦陆Y(jié)論:北向窗墻比越低,越有助于保證南北向房間內(nèi)的適宜溫度,在符合北向房間采光與通風(fēng)前提下,要最大限度降低北向窗墻比。
窗墻比固定時,南北向房間室內(nèi)溫度均值從大到小分別是中空窗、單玻窗,室內(nèi)日溫差值從大到小分別是單玻窗、中空窗。
屋面的傳熱性能好壞對頂層負(fù)荷具有直接影響,一般要達(dá)到45%上下,建筑總體影響與建筑類型相關(guān),大體來說,屋面對建筑冷熱負(fù)荷影響很小,如圖6所示。
圖6 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對建筑冷熱負(fù)荷影響
屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在0.4~1.0W/(m2·K)中變化時,冷熱負(fù)荷都是線性增長態(tài)勢,熱負(fù)荷改變更加顯著。但以整個民居建筑而言,屋面影響依舊十分有限。
綜上所述,高寒地區(qū)每年的供暖與供冷需求大致相同,在成本承受范圍內(nèi),可提升外墻保溫層的保溫功效降低外墻傳熱系數(shù),并同時減少冷熱負(fù)荷。外窗是民居建筑外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),但其傳熱系數(shù)對負(fù)荷的影響較小,外窗的傳熱系數(shù)降低會導(dǎo)致成本的增長,應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)牟AР馁|(zhì)保持建筑的低能耗狀態(tài)。屋面對建筑的全局負(fù)荷影響很小,為確保民居建筑頂層的熱舒適性,屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要控制在合理范圍內(nèi),不能過高。
1)為降低高寒地區(qū)建筑能耗,使用三維激光激光掃描儀獲得建筑外觀數(shù)據(jù),創(chuàng)建民居建筑模型。
2)通過設(shè)定模型參數(shù),選擇6mm單玻窗、9mm中空玻璃作為外窗玻璃材料進(jìn)行試驗對比,運(yùn)用DeST軟件對高寒地區(qū)室內(nèi)能耗影響進(jìn)行模擬分析,北向窗墻比越低,越有助于保證南北向房間內(nèi)的適宜溫度。
3)增強(qiáng)外墻保溫層能效,挑選玻璃材質(zhì)維持建筑低能耗模態(tài),嚴(yán)格約束屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值范圍,其中,屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在0.4~1.0W/(m2·K)中變化時,冷熱負(fù)荷都是線性增長態(tài)勢,熱負(fù)荷改變更加顯著。