建筑節(jié)能案例教學(xué)模擬計(jì)算的應(yīng)用

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摘要:圍繞社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)人才需求、著力構(gòu)建素質(zhì)養(yǎng)成、知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育“四位一體”的課程體系。建筑節(jié)能教學(xué)過(guò)程中需要融入大量教學(xué)實(shí)例，將實(shí)踐案例引入建筑節(jié)能課程教學(xué)不失為提高教學(xué)質(zhì)量的有效辦法。采用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)建筑模型中的相關(guān)參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻和屋頂部位進(jìn)行改造，重新建模并且進(jìn)行了相應(yīng)的能耗模擬，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)及材料節(jié)能設(shè)計(jì)效果，提高節(jié)能效率，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行了結(jié)露分析，得到良好傳濕狀況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，求解設(shè)計(jì)建筑的全年及逐時(shí)冷熱負(fù)荷值，依據(jù)冷熱負(fù)荷值的分布情況，可以指導(dǎo)后期室內(nèi)熱濕處理設(shè)備的選型與運(yùn)行，達(dá)到良好的建筑設(shè)備節(jié)能處理的目的。

關(guān)鍵詞:建筑節(jié)能;模擬計(jì)算軟件;節(jié)能設(shè)計(jì);能耗分析

我國(guó)改革開(kāi)放促使經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，取得了巨大成就，同時(shí)也帶來(lái)了能源消費(fèi)和污染排量的大幅增加，而在能源消費(fèi)量中建筑能源消耗占30%以上。能源的消耗、氣候的變化、大氣的污染，嚴(yán)重影響到我國(guó)多方面的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r和人民的身心健康。發(fā)展建筑節(jié)能領(lǐng)域不僅是為解決能源的日益短缺做出貢獻(xiàn)，更是要為人類(lèi)應(yīng)對(duì)全球氣候的變化、人類(lèi)與自然間的和諧相處做出貢獻(xiàn)，所以大力推進(jìn)綠色節(jié)能建筑、可再生能源利用，走可持續(xù)發(fā)展路線(xiàn)，勢(shì)在必行。目前我國(guó)仍處在城鎮(zhèn)化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)的發(fā)展時(shí)期，伴隨而來(lái)的是建筑行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)持續(xù)強(qiáng)勁的發(fā)展，建筑能源消耗的比例將會(huì)持續(xù)增加。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的建筑能源消耗占消費(fèi)能源總量的比例已經(jīng)從1978年的10%提高到2015年的30%，并且還會(huì)持續(xù)上升到35%左右，甚至?xí)^(guò)35%。因此開(kāi)展建筑節(jié)能方面的研究工作必將會(huì)成為影響能源的安全利用、優(yōu)化能源取用的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、充分增加能源的利用效率的重要因素，也成為貫徹我國(guó)實(shí)施資源利用并且能夠可持續(xù)發(fā)展資源利用的關(guān)鍵影響因素。與同緯度許多發(fā)達(dá)的國(guó)家相比較，我國(guó)季節(jié)溫差較大，并且南方的建筑外環(huán)境中空氣濕度較高，而在這樣的高熱高濕的建筑室外熱環(huán)境下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱及傳濕性能卻不及許多發(fā)達(dá)國(guó)家。致使后期只能利用建筑設(shè)備處理室內(nèi)的熱濕環(huán)境才能達(dá)到室內(nèi)人體舒適的要求，而使用建筑設(shè)備的施工及運(yùn)行要消費(fèi)大量的能源。這一問(wèn)題為學(xué)界所關(guān)注，許多學(xué)者在圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能方面做了研究［1－9］。建筑節(jié)能原理與應(yīng)用課程是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)的必修課程，是綜合性較強(qiáng)、多學(xué)科內(nèi)容高度交叉的一門(mén)課程，不僅涉及到建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)、建筑學(xué)等工科知識(shí)，而且和經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、社會(huì)學(xué)等人文學(xué)科緊密相關(guān)［10－13］。教學(xué)過(guò)程中需要涉及很多實(shí)踐內(nèi)容，但是由于學(xué)時(shí)所限，沒(méi)有過(guò)多的時(shí)間在課堂教學(xué)中進(jìn)行詳細(xì)的案例分析，筆者針對(duì)建筑節(jié)能課程中最基本的節(jié)能處理，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)，將軟件模擬計(jì)算融入案例教學(xué)中，使學(xué)生初步了解圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)軟件使用方法的同時(shí)，將節(jié)能理念、方法及知識(shí)融入其中，使學(xué)生既掌握節(jié)能的理論知識(shí)，也提高了學(xué)生對(duì)墻體和屋頂?shù)炔课唤ㄖ?jié)能綜合設(shè)計(jì)分析及應(yīng)用的能力。

1墻體和屋頂節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

研究采用的是PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件，該軟件有建模、編輯模型、節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能計(jì)算等模塊。為了使課程中的所舉案例具有很好的代表性，設(shè)計(jì)了一幢五層辦公建筑如圖1所示。建筑模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及其熱工參數(shù)，如表1所示;開(kāi)展了對(duì)建筑模型中外墻和屋頂結(jié)構(gòu)的保溫性能優(yōu)化。優(yōu)化方法是利用新的倒置式屋頂替代原來(lái)的平層屋頂，并且在屋頂表面鋪設(shè)綠色植物，根據(jù)墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同朝向變換保溫板的厚度［14］。選取表1中相關(guān)的材料在節(jié)能軟件中進(jìn)行了改造后建模，開(kāi)展了建筑能耗模擬計(jì)算分析，并且對(duì)比分析了原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)建筑能耗。

2外圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露分析

在分析建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的熱橋部位時(shí)，選取了20萬(wàn)個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)，詳細(xì)獲取了關(guān)于溫度的分布、邊界熱流強(qiáng)度及露點(diǎn)溫度等信息的充分研究數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算獲得熱橋節(jié)點(diǎn)處溫度場(chǎng)分布情況如圖2所示。從圖2中直接可以得到不同節(jié)點(diǎn)處內(nèi)表面最低溫度值所在之處(而此處的溫度值如果應(yīng)用建筑節(jié)能理論公式進(jìn)行計(jì)算獲取是比較困難的)。對(duì)于各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)表面，當(dāng)知道最低溫度值處，可以和該處的露點(diǎn)溫度值進(jìn)行比較，依據(jù)此表面最低溫度值是否低于露點(diǎn)溫度值來(lái)判定是否會(huì)發(fā)生內(nèi)表面冷凝，如圖2中的a圖可以在軟件中通過(guò)坐標(biāo)定標(biāo)外墻－屋頂節(jié)點(diǎn)處的溫度值為17.8℃，而露點(diǎn)溫度值為14.6℃，所以外墻－屋頂節(jié)點(diǎn)處不會(huì)發(fā)生內(nèi)表面冷凝情況。以此類(lèi)推分析圖2中的b、c、d、e、f圖節(jié)點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度的關(guān)系情況，如果通過(guò)比對(duì)分析某處出現(xiàn)了內(nèi)表面冷凝，則后期可以針對(duì)此處更好地加強(qiáng)保溫處理設(shè)計(jì)，從而可以預(yù)防各熱橋節(jié)點(diǎn)內(nèi)發(fā)生表面冷凝現(xiàn)象。

3傳熱量及逐時(shí)負(fù)荷模擬分析

一般在節(jié)能計(jì)算軟件中，有的模塊是可以對(duì)建筑進(jìn)行能耗分析的［15］。根據(jù)該建筑物所在地區(qū)，可以查閱到該地建筑氣候分區(qū)的數(shù)據(jù)，并依據(jù)國(guó)家規(guī)范或當(dāng)?shù)匾?guī)范建筑節(jié)能目標(biāo)的要求，對(duì)由各種不同材料構(gòu)成和使用設(shè)備不同的多種建筑模型進(jìn)行熱工性能的計(jì)算，對(duì)一年的逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行能耗模擬計(jì)算，比較得到設(shè)計(jì)建筑相對(duì)于參照建筑各指標(biāo)的降低率，從而在最終的能耗效果上給出相對(duì)節(jié)能率，并且可以用來(lái)判斷不同建筑設(shè)計(jì)模型的優(yōu)劣。圖3為設(shè)計(jì)建筑和參照建筑年負(fù)荷大小的比較圖。在相同的供暖和空調(diào)設(shè)備運(yùn)行情況下，計(jì)算模擬軟件可以得到設(shè)計(jì)建筑和參照建筑全年建筑的負(fù)荷，如表2所示。通過(guò)比較分析，得出結(jié)論:在優(yōu)化外墻、屋頂、外窗等結(jié)構(gòu)后，負(fù)荷出現(xiàn)降低，且降低幅度可以達(dá)到25.16%。通過(guò)表2和圖4分析對(duì)比可以獲知，設(shè)計(jì)建筑相對(duì)于參照建筑的各分項(xiàng)傳熱量，包括外墻、屋頂、外窗等都有不同程度的降低，其中，外墻部位大約降低了37.21%，房屋頂部大約降低了46.58%，外窗部位大約降低了35.91%，降低傳熱量的效果比較顯著。從圖5和圖6設(shè)計(jì)建筑和參照建筑的負(fù)荷對(duì)比，可以得到設(shè)計(jì)建筑相對(duì)于參照建筑在一年中各月份的負(fù)荷都會(huì)有不同程度的降低。在圖5中，五月份過(guò)后，冷負(fù)荷增加迅速，大約到七八月份達(dá)到了冷負(fù)荷的最高值。而由圖6所示，可以看出在一年中七八月份是所需供熱量值最低的時(shí)間段，而從十二月份直到來(lái)年的一到三月份這個(gè)時(shí)間段，如果要保證人體對(duì)建筑室環(huán)境舒適度的需求，就需要向建筑室內(nèi)供給大量的熱量。由圖表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)狀況，能夠相對(duì)比較清晰地獲知:當(dāng)需要滿(mǎn)足人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境相對(duì)舒適要求的條件時(shí)，建筑物室內(nèi)環(huán)境所需要設(shè)備供應(yīng)的最大冷、熱量值，以及可以預(yù)測(cè)達(dá)到該值所需時(shí)長(zhǎng)，這些結(jié)論對(duì)于后期該建筑物在滿(mǎn)足人體舒適、健康并且達(dá)到良好的休息狀態(tài)，或是很好的工作效率的要求下需要處理室內(nèi)空氣熱濕的制冷、采暖等設(shè)備的選型方案，具有相當(dāng)重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)圖7和圖8可知建筑室內(nèi)冷熱負(fù)荷的逐時(shí)變化情況，以及建筑物的最大冷熱負(fù)荷值的大小和發(fā)生的時(shí)間，這些信息可以很好地指導(dǎo)空氣調(diào)節(jié)器、采暖等設(shè)備的選用，防止在選用的制冷、采暖等設(shè)備器件選型上出現(xiàn)選小或者選大的現(xiàn)象，對(duì)降低該建筑物的總體投入費(fèi)用給予了很好的指導(dǎo)作用。在將設(shè)計(jì)的建筑與參照的建筑進(jìn)行全年負(fù)荷運(yùn)行效果的比較時(shí)，也給出了屋頂、外窗、外墻等部位的傳熱系數(shù)值的大小。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案，用倒置式和綠色屋頂代替原來(lái)的平屋頂，屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)降低了35.55%。外墻部位通過(guò)朝向和墻體保溫層的厚度的改變，并且在外墻的外表面噴涂阻隔傳熱性能的增加熱阻的涂料，從而降低外墻的傳熱系數(shù)，如表3所示。

4結(jié)論

結(jié)合建筑節(jié)能課程中需要講解的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(包括墻體和屋頂?shù)?設(shè)計(jì)工程案例，摒棄了傳統(tǒng)教學(xué)中滿(mǎn)堂灌的講解建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能知識(shí)，利用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件對(duì)設(shè)計(jì)建筑和參考建筑中的傳熱阻、傳熱系數(shù)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。從而可以從理論知識(shí)分析和實(shí)踐內(nèi)容兩方面同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，采用PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件，對(duì)設(shè)計(jì)建筑進(jìn)行能耗模擬，驗(yàn)證節(jié)能設(shè)計(jì)效果，提高節(jié)能效率，求解全年及逐時(shí)冷熱負(fù)荷值，指導(dǎo)設(shè)備的選型與運(yùn)行。總之，在建筑節(jié)能課程中運(yùn)用節(jié)能模擬軟件對(duì)屋頂、外墻、外窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行的建筑節(jié)能情況的分析研究，既促使學(xué)生掌握了相關(guān)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能的理論知識(shí)，又培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)建筑節(jié)能進(jìn)行綜合分析的能力。

作者：杜傳梅 李浩 單位：安徽理工大學(xué)