建筑節(jié)能案例教學模擬計算的應(yīng)用

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摘要:圍繞社會經(jīng)濟發(fā)展對人才需求、著力構(gòu)建素質(zhì)養(yǎng)成、知識傳授、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)能教學過程中需要融入大量教學實例，將實踐案例引入建筑節(jié)能課程教學不失為提高教學質(zhì)量的有效辦法。采用建筑節(jié)能設(shè)計軟件，設(shè)計建筑模型中的相關(guān)參數(shù)，對設(shè)計建筑圍護結(jié)構(gòu)的外墻和屋頂部位進行改造，重新建模并且進行了相應(yīng)的能耗模擬，驗證結(jié)構(gòu)及材料節(jié)能設(shè)計效果，提高節(jié)能效率，對圍護結(jié)構(gòu)各節(jié)點處進行了結(jié)露分析，得到良好傳濕狀況下的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計模型，求解設(shè)計建筑的全年及逐時冷熱負荷值，依據(jù)冷熱負荷值的分布情況，可以指導(dǎo)后期室內(nèi)熱濕處理設(shè)備的選型與運行，達到良好的建筑設(shè)備節(jié)能處理的目的。

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

我國改革開放促使經(jīng)濟高速發(fā)展，取得了巨大成就，同時也帶來了能源消費和污染排量的大幅增加，而在能源消費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，嚴重影響到我國多方面的可持續(xù)發(fā)展狀況和人民的身心健康。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，更是要為人類應(yīng)對全球氣候的變化、人類與自然間的和諧相處做出貢獻，所以大力推進綠色節(jié)能建筑、可再生能源利用，走可持續(xù)發(fā)展路線，勢在必行。目前我國仍處在城鎮(zhèn)化進程持續(xù)推進的發(fā)展時期，伴隨而來的是建筑行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)持續(xù)強勁的發(fā)展，建筑能源消耗的比例將會持續(xù)增加。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，中國的建筑能源消耗占消費能源總量的比例已經(jīng)從1978年的10%提高到2015年的30%，并且還會持續(xù)上升到35%左右，甚至會超過35%。因此開展建筑節(jié)能方面的研究工作必將會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，也成為貫徹我國實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)達的國家相比較，我國季節(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，圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱及傳濕性能卻不及許多發(fā)達國家。致使后期只能利用建筑設(shè)備處理室內(nèi)的熱濕環(huán)境才能達到室內(nèi)人體舒適的要求，而使用建筑設(shè)備的施工及運行要消費大量的能源。這一問題為學界所關(guān)注，許多學者在圍護結(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)用工程專業(yè)的必修課程，是綜合性較強、多學科內(nèi)容高度交叉的一門課程，不僅涉及到建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)、建筑學等工科知識，而且和經(jīng)濟學、管理學、社會學等人文學科緊密相關(guān)［10－13］。教學過程中需要涉及很多實踐內(nèi)容，但是由于學時所限，沒有過多的時間在課堂教學中進行詳細的案例分析，筆者針對建筑節(jié)能課程中最基本的節(jié)能處理，即圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計，將軟件模擬計算融入案例教學中，使學生初步了解圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計軟件使用方法的同時，將節(jié)能理念、方法及知識融入其中，使學生既掌握節(jié)能的理論知識，也提高了學生對墻體和屋頂?shù)炔课唤ㄖ?jié)能綜合設(shè)計分析及應(yīng)用的能力。

1墻體和屋頂節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

研究采用的是PKPM建筑節(jié)能設(shè)計軟件，該軟件有建模、編輯模型、節(jié)能設(shè)計、節(jié)能計算等模塊。為了使課程中的所舉案例具有很好的代表性，設(shè)計了一幢五層辦公建筑如圖1所示。建筑模型圍護結(jié)構(gòu)材料及其熱工參數(shù)，如表1所示;開展了對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)能軟件中進行了改造后建模，開展了建筑能耗模擬計算分析，并且對比分析了原來的標準建筑能耗。

2外圍護結(jié)構(gòu)結(jié)露分析

在分析建筑圍護結(jié)構(gòu)中的熱橋部位時，選取了20萬個溫度節(jié)點，詳細獲取了關(guān)于溫度的分布、邊界熱流強度及露點溫度等信息的充分研究數(shù)據(jù)。通過計算獲得熱橋節(jié)點處溫度場分布情況如圖2所示。從圖2中直接可以得到不同節(jié)點處內(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)能理論公式進行計算獲取是比較困難的)。對于各節(jié)點的內(nèi)表面，當知道最低溫度值處，可以和該處的露點溫度值進行比較，依據(jù)此表面最低溫度值是否低于露點溫度值來判定是否會發(fā)生內(nèi)表面冷凝，如圖2中的a圖可以在軟件中通過坐標定標外墻－屋頂節(jié)點處的溫度值為17.8℃，而露點溫度值為14.6℃，所以外墻－屋頂節(jié)點處不會發(fā)生內(nèi)表面冷凝情況。以此類推分析圖2中的b、c、d、e、f圖節(jié)點溫度和露點溫度的關(guān)系情況，如果通過比對分析某處出現(xiàn)了內(nèi)表面冷凝，則后期可以針對此處更好地加強保溫處理設(shè)計，從而可以預(yù)防各熱橋節(jié)點內(nèi)發(fā)生表面冷凝現(xiàn)象。

3傳熱量及逐時負荷模擬分析

一般在節(jié)能計算軟件中，有的模塊是可以對建筑進行能耗分析的［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)國家規(guī)范或當?shù)匾?guī)范建筑節(jié)能目標的要求，對由各種不同材料構(gòu)成和使用設(shè)備不同的多種建筑模型進行熱工性能的計算，對一年的逐時負荷進行能耗模擬計算，比較得到設(shè)計建筑相對于參照建筑各指標的降低率，從而在最終的能耗效果上給出相對節(jié)能率，并且可以用來判斷不同建筑設(shè)計模型的優(yōu)劣。圖3為設(shè)計建筑和參照建筑年負荷大小的比較圖。在相同的供暖和空調(diào)設(shè)備運行情況下，計算模擬軟件可以得到設(shè)計建筑和參照建筑全年建筑的負荷，如表2所示。通過比較分析，得出結(jié)論:在優(yōu)化外墻、屋頂、外窗等結(jié)構(gòu)后，負荷出現(xiàn)降低，且降低幅度可以達到25.16%。通過表2和圖4分析對比可以獲知，設(shè)計建筑相對于參照建筑的各分項傳熱量，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)計建筑和參照建筑的負荷對比，可以得到設(shè)計建筑相對于參照建筑在一年中各月份的負荷都會有不同程度的降低。在圖5中，五月份過后，冷負荷增加迅速，大約到七八月份達到了冷負荷的最高值。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間段，而從十二月份直到來年的一到三月份這個時間段，如果要保證人體對建筑室環(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)計數(shù)據(jù)狀況，能夠相對比較清晰地獲知:當需要滿足人體對室內(nèi)環(huán)境相對舒適要求的條件時，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)測達到該值所需時長，這些結(jié)論對于后期該建筑物在滿足人體舒適、健康并且達到良好的休息狀態(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，具有相當重要的指導(dǎo)意義。通過圖7和圖8可知建筑室內(nèi)冷熱負荷的逐時變化情況，以及建筑物的最大冷熱負荷值的大小和發(fā)生的時間，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，對降低該建筑物的總體投入費用給予了很好的指導(dǎo)作用。在將設(shè)計的建筑與參照的建筑進行全年負荷運行效果的比較時，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)計方案，用倒置式和綠色屋頂代替原來的平屋頂，屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)降低了35.55%。外墻部位通過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結(jié)構(gòu)(包括墻體和屋頂?shù)?設(shè)計工程案例，摒棄了傳統(tǒng)教學中滿堂灌的講解建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能知識，利用建筑節(jié)能設(shè)計軟件對設(shè)計建筑和參考建筑中的傳熱阻、傳熱系數(shù)等相關(guān)參數(shù)進行分析計算。從而可以從理論知識分析和實踐內(nèi)容兩方面同時指導(dǎo)學生進行建筑節(jié)能設(shè)計，采用PKPM建筑節(jié)能設(shè)計軟件，對設(shè)計建筑進行能耗模擬，驗證節(jié)能設(shè)計效果，提高節(jié)能效率，求解全年及逐時冷熱負荷值，指導(dǎo)設(shè)備的選型與運行?？傊?，在建筑節(jié)能課程中運用節(jié)能模擬軟件對屋頂、外墻、外窗等圍護結(jié)構(gòu)部位進行的建筑節(jié)能情況的分析研究，既促使學生掌握了相關(guān)圍護結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能的理論知識，又培養(yǎng)了學生對建筑節(jié)能進行綜合分析的能力。

作者：杜傳梅 李浩 單位：安徽理工大學