建筑设计阶段计算机模拟全年热工负荷的应用——以SRB楼为范例

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

建筑设计阶段计算机模拟全年热工负荷的应用
——以SRB楼为范例

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

计算机模拟技术，可以对设计图纸阶段的建筑进行实际使用状态下的热工表现和能耗模拟，熟练应用这项技术，可以在建筑设计阶段对建筑的被动式设计属性以及如何尽量利用建筑所处的气候和使用条件进行最优化设计。以诺丁汉大学SRB楼作为模拟对象，使用Ecotect等软件进行建筑所处气候分析以及建筑的全年能耗模拟计算，介绍了建筑师如何获取在建筑设计阶段不断调整优化建筑热工表现的方法。

建筑真实能耗模拟；Ecotect；被动式设计原则

建筑师可以通过建筑效果图表达建筑完成后的效果。而建筑建成后的真实热工和能耗表现则往往需要等到建筑被建造并使用后，才会得到真实的数据。但是建筑的热工性能和能耗表现，很大一部分是由建筑设计本身所确定的。建筑的体型、朝向、门窗、建筑材料的热工性能和实际使用情况等无不时刻影响到建筑的热工和能耗表现。

在建筑建成并投入使用后再去仔细研究这栋建筑的能耗已经于事已晚，只有建筑师在建筑设计的过程中，充分考虑利用自然因素，通过对建筑所处的气候、周围环境，以及建筑师对被动式设计的理解，才能从一开始帮助建筑达到一个更加绿色节能的设计结果。

本文通过对英国诺丁汉大学建筑环境学院SRB实验楼（图1）的计算机热工模拟计算，简要介绍了通过一系列软件对设计阶段建筑的能耗进行真实使用条件下的全年实时热工和能耗的模拟计算，从而给建筑师在设计阶段提供不断验算建筑设计能耗表现情况的方法，帮助建筑师在建筑设计时寻找更好的被动式设计策略。

图1 SRB实验楼

1 气候分析与被动式环境设计策略

SRB（Sustainable Research Building）建筑的长轴指向西北-东南向。最南侧架空一层作为建筑的入口，北侧有连廊连接Marmont中心。建筑的1层为实验室，2层和3层的部分为绘图教室，3楼南侧为架空的讲堂。

通过Ecotect的气候工具，可以初步解读当地的温带气候，基本较为宜人，有舒适的夏季，但是冬季漫长并且有些寒冷。最热月为7月，平均气温为15.7℃。最冷月为1月，平均温度2.8℃。可见冬季的舒适度为主要的设计重点，冬季如何吸收和保存热量是设计的重心。夏季湿度较低，冬季湿度较高。年最高辐射强度发生在6月（图2）。通过图3的诺丁汉全年日干球气温图，可以看到大部分时间气温都位于舒适度温度以下。建筑的保温吸热应为舒适性设计的重点。

焓湿图上的月平均气温分布也标示了诺丁汉是一个典型的英国湿冷气候（图4）。由此可得湿冷且日照不足的冬季使得太阳能采暖不足，人工供暖成为必须。但夏季炎热天数很少，所以一般来说大部分建筑不安装冷气空调设备。合理地设计窗户并且设置相应的储热材料可以尽量吸收太阳能并且减小日夜温差。夏季可以通过自然通风来解决建筑过热的问题。

图3 诺丁汉全年日干球气温图

图4 诺丁汉月平均气温分布图

2 建筑围护材料的选用及模拟

图2 Ecotect绘制的全年气温、湿度、辐射强度以及风玫瑰图

在这样的气候条件下，低K值的外围护材料可以有助于热量保持在建筑中。储热体提供一个热的存储空间，用以缓解日夜间的温差波动。建筑材料的热时差可以将热量延后送达建筑室内。

同时，材料内部的冷凝也是必须避免的一个因素。对于标准建筑材料，可以查表来获取材料的热工属性和结露情况。但如果需要设计更为复杂的复合材料，则没有现成的热工性能和结露情况的资料可查，但可以通过Hevacomp等类似的软件进行复合材料热工和结露情况的模拟。笔者模拟了3种墙体材料（分别为墙1、墙2、墙3）、1种屋面材料、1种楼板材料。各种复合材料的构造见表1。

Hevacomp初始环境设计参数为：室内温度20℃，外侧空气热阻0.060 m2K/W，内侧空气热阻 0.120 m2K/W，室外干球温度-1℃，室外湿球温度-1℃（年最低气温，并考虑100%的最不利的湿度条件）。

表1 材料构造表

由于墙1的第一次模拟结果显示墙内温度曲线同水蒸气分压力曲线发生交叉，故材料在极端气候条件下有内部结露的危险（图5）。为此，在墙内混凝土板和矿棉之间增加一层铝箔隔蒸汽层，并重新模拟。

从图6得到的热工数据可以清楚地看到，铝箔保温层彻底防止了墙体在极端气候下的内部冷凝的发生。

图7可见墙2的热工性能复合设计需求。墙3是传统的空气间层砌块墙的构造措施。可以看到，虽然K值略高，但是建造成本最低，且没有发生冷凝的危险（图8）。

根据建筑设计，陶土瓦块屋面为建筑提供了一个不同风格的独特外立面效果。第一次模拟，产生了内部结露。增加一层铝箔后解决结露问题。虽然K值较其他几种建材高，但屋面由于不能使用重型材料，普遍来说，对厚度的要求等都使得屋面比墙面的热工性能要差。且该建筑的屋顶陶土瓦部分面积并不大，此热工性能可以接受（图9）。

图5 墙1的第一次模拟结果

图6 墙1的第二次模拟

图7 墙2的热工模拟结果

图8 墙3的热工模拟结果

3 Ecotect能耗和舒适度模拟结果

图10为Ecotect建模示意图。建筑外围护材料的热工性能按照Hevacomp模拟的结果输入Ecotect模型。

3.1 模型参数设置

对于建筑来说，空气渗透永远是无法回避的问题。除了建筑之外，门、窗等的气密性会严重影响建筑的热工表现。冬季采暖是英国的主要环境控制因素，且SRB楼并不计划设置冷气装置。但是同样需要对夏季热工舒适度表现进行验算，以防止建筑产生可能的过热问题。

使用者的新陈代谢，电器（灯具、电脑、仪器设备等）无不产生热量。这些热量直接散发到建筑空间中去。电器设备不仅产生热量，也等量产生了建筑的能耗。虽然建筑师并不能真正控制使用者的使用行为，但是按照设计任务书和房间的功能，还是可以初步估算出使用者的行为模式，Ecotect有Schedule日程模式来设置使用者和电器的使用行为。Ecotect使用Zone设置来区别设置每个建筑内部的使用情况。通过不同房间使用者的不同设置，来模拟

使用者的真实使用情况（表2）。

图9 陶土瓦屋面构造的热工模拟结果（第一次（1）有冷凝；第二次加入隔蒸汽层（2）无冷凝）

图10 SRB楼在Ecotect中的建模示意图

表2 峰值使用情况下每层楼的使用者情况

建筑内部的采光设计为，绘图室20盏灯，办公室4盏灯，皆为双35W日光灯管吊灯。讲堂灯在实际使用条件下，由于所有讲解都基于PPT，照明灯具大部分时间处于关闭状态。

每个使用者最佳的换气率为7L/s。在绘图教室，由于边上的Marmont中心拥有计算机室，学生在绘图教室不怎么携带并使用电脑。

通过简单的计算所得数据见表3。

峰值通风率考虑所有人都在建筑内部时的通风率。由于建筑采用集中供暖且不设置热工分区，共计峰值时候使用者为20+50+50+50=170人；

建筑容积（考虑建筑层高3.6m，乘以每层面积可得）为1 217m3+1 438m3+1 881m3=4 536m3；

新鲜空气需求量为170（人）×7（L/人·S）×3600（S/ h）=4 283m3；

完成证件打印。从所需动作分析，完成一个证件的打印共需2个水平运动、2个垂直方向运动以及抓纸及松纸动作。水平方向的纵向、横向运动分别由2个气缸控制，抓手的上下移动要求定位准确，采用伺服电机通过丝杆驱动实现垂直方向的进给运动[1]。所有驱动系统的各种动作完成后，均由传感器发出信号来连接相互位置关系。

可得换气率为4 283/4 536=0.94（次/h）；

以上数据可以直接输入Ecotect的Zone设置（图11）。

表3 峰值照明能耗

以上，建筑被设置为24h X 7days工作的状态。可以使用Schedule日程安排状态设置建筑在不同日期的使用比率。假设在学期中间，SRB楼每天09∶00～17∶00被充分使用。17∶00～22∶00则只有20%使用者在使用。假期和周末的09∶00～18∶00，则只有20%的使用者。

至于照明情况，假设白天只需要打开50%的灯，晚上需要打开所有的灯。在建筑关闭的情况下，为了安保要求，仍然保持10%的灯光打开（图12）。

图11 Ecotect Zone设置中输入的数据

图12 灯光开启日程表

通风的日程表和使用者密切相关，可以直接用使用者日程来应用于通风日程。

至此，已经在电脑中模拟出SRB建筑的建筑形态、建筑材料的热工性能以及使用情况。现在可以使用Ecotect进行全年舒适度和能耗的模拟了。

3.2 建筑的热工表现

在考虑建筑热工表现的时候，不需要在模型中设置暖气和冷气系统，以便于观察建筑在不依赖HVAC系统时的室内舒适度表现。先将建筑的热工舒适度设置为18～26℃，然后选取一年中最冷日并得到室内日小时温度结果（图13）。可以看到不依赖HVAC，整栋楼在最冷日的气温很低，不如人意。

图13 最冷日每小时温度模拟结果图

图14 最冷日每小时得失热图

可以看到最热日的气候条件下，建筑室内会维持19～27℃的舒适温度。建筑室内的电器和使用者产生的热量是主要的产热源。以上的模拟基于0.94和冬季相同点的换气率就已经可以达到舒适区间，可见通过开窗的方式增加换气率可以让建筑内部的舒适度更容易控制（图15、16）。

但是通过模型的模拟可以发现，出乎意料的是最热日通过增大换气率并不能显著改变室内温度。由于当日的环境气温极为接近室内温度，所以过大的换气率并不能提高舒适性。这种通过软件模拟获得的出乎预判的结果，正显示出软件模拟技术对于建筑热工预判的不可靠性，并可以由此对初步的预判进行校正（图17）。

3.3 建筑的能耗表现

由于建筑只设计了取暖装置，则将能耗计算中设置为“只取暖”。并将锅炉的效率设置为95%（图18）。锅炉设置为8∶00（提前开门1h启动以预热建筑），并于22∶00关闭。取暖的目标为维持室内温度不低于18℃。

由此得到了SRB建筑的采暖能耗的模拟结果（图19、表4）。虽然提高建筑围护材料的K值可以提高建筑的保温性能，但是由于建筑外围护材料的接触传热并不是建筑失热的主要路径，进一步提高建筑围护材料的K值起到的效果相当有限。根据木桶原理，通过这样的分析可以很快找到一个建筑最大的失热路径，并集中精力去改进。片面地提高某个部件的节能性能或者能耗表现，并不能有效减少建筑能耗，必须找到木桶中最短的那块木头才能起到效果。

图15 最热日的室内温度图

图16 每小时得热图

图17 最热日，换气率分别为0.94；2；3；4

图18 暖气能耗设置为“只取暖”，锅炉效率设置为95%

图19 月取暖能耗模拟结果图

表4 月取暖能耗模拟结果

得到了年度取暖能耗的数据之后，就可以很简单地计算建筑的碳排放指标。前面只考虑到暖气系统95%的能耗表现，而对于锅炉来说也没有100%能耗的锅炉，按照一个优秀的冷凝式锅炉92%的能耗来看：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）。

根据“好设计”资料库中冬季取暖办公建筑[79 kWh/（m2年）]的取暖能耗标准，SRB[80.3 kWh/ （m2年）]正好达到了好建筑设计标准（表5）。

进一步还可以验算照明能耗的表现。峰值照明功率为1 400 W +1 680 W +1 680 W =4 760W，则按照照明系统的日程表计算（表6）。

比对表5，SRB实验楼的照明能耗也符合“好建筑”的标准。

同时，可以在建筑周围添加周围环境、绿化等对建筑热工产生影响。本例通过在SRB的Ecotect模型西侧插入树林作为遮挡，并重新模拟建筑的能耗以观察树林对SRB实验楼的影响（图20）。

通过比较可以发现，由于英国冬季日照时间短，且集中于南侧，西侧的树林对于建筑太阳辐射的遮挡作用几乎可以忽略。且西侧的树林也可以阻挡西北方向的风，所以对于建筑的遮挡并不构成热工上的损失（图21～23）。

表5 “好设计”资料库中冬季取暖办公建筑的能耗标准[kWh/（m2年）]

表6 照明系统耗电日程计算表

图20 在SRB模型中插入西侧的树林作为遮挡

图21 最冷日室内温度比较（（1）为无树，（2）为有树）

图22 最热日室内温度比较（（1）为无树，（2）为有树）

图23 全年暖气能耗表现（（1）无树时73.88 kWh/m2/year，（2）有树时 74.19 kWh/m2/year）

4 结语

可见，通过对SRB建筑实际能耗动态模拟的实例研究，为建筑师提供一种通过Ecotect一类的软件对在设计阶段预判建筑设计热工表现的手段。建筑师可以在建筑完成前就预先获知自己的建筑设计将遇到的所有热工上的问题，并且在设计阶段就可以通过调整设计来优化建筑的能耗需求。通过这样的手段，建筑师才能够在建筑设计阶段尽可能考虑建筑被动式设计的性能，从而优化建筑的能耗表现。

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，上海大学建筑系讲师；宾慧中，博士，上海大学建筑系副教授；王海松，博士，上海大学建筑系教授。