基于木结构替代下的寒地建筑空间节能探究——以吉林建筑大学城市设计研究中心环境改造为例

张成龙 李介鹏*,2

1.吉林建筑大学建筑与城市规划学院

2.上海海上艺号教育培训有限公司

1 引言

木结构建筑在节能环保、绿色低碳、防震减灾、工厂化预制、施工效率等方面也凸现了更多的优势。木结构建筑的大规模兴建对于实现东北严寒地区的建筑节能、兴建绿色建筑甚至零能耗建筑都有十分重要的参考价值，对于建设两型社会，提高生态文明水平，具有十分重要的现实意义。而当前对于现有建筑，对其进行木结构建筑的改建替代设计，运用数字化建筑能耗模拟的方法对其进行能耗模拟计算，可以很好地指导新建木结构建筑的设计、施工和建造[1]。

本文将从吉林建筑大学逸夫教学馆寒地城市设计研究中心的现有办公和木结构改建空间的建筑能耗模拟入手，结合模拟计算后的能耗参数对木结构建筑空间提出合理的改造策略。

2 研究方法

2.1 研究对象

吉林建筑大学逸夫教学馆位于吉林省长春市净月区，建筑面积27492m2，于2011 年10 月破土动工，2013 年5 月投入使用。主要用于建筑与规划学院和艺术设计学院的教学、办公及科研。寒地城市设计研究中心工作室空间位于逸夫教学馆一层[1]，建筑面积为162m2，高度为3.5m，为2 位中心主任老师和约14 名科研人员提供办公、学习场所。

原有办公工作空间建成初期为学校的学生创新创业中心，一度也为学校的设计研究院提供师生的办公学习场所，现拟对该办公空间进行改造，成立校级科研平台寒地城市设计研究中心，以适应当前与接下来学校的科研发展需求。原建筑结构形式为钢筋混凝土结构，整栋建筑为长春市统一供暖，暖气为靠墙式暖气片供暖，考虑到建筑为寒地建筑，因此设计之初无夏季制冷措施，并无节能措施，因此需进行改造。

2.2 研究方法与软件选择

（1）建筑能耗模拟：美国暖气和空调工程师学会（ASHAE）将能耗模拟方法分为两大类，一类是“正向模拟法”（或经典方法）；另一种是“数据驱动法”（或逆向模拟法）。本案例主要应用了正向模拟法对建筑空间进行模拟[1]。

（2）Energy Plus：EnergyPlus由美国能源部（Department of En⁃ergy，DOE）和劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley Na⁃tional Laboratory，LBNL）共同开发的一款建筑能耗模拟内核引擎，是性能比较优异、可靠性较强的能耗模拟软件，可以对建筑、构件、空间界面等对象进行采暖、制冷、照明、通风以及其他能源消耗的等价换算和进行全面能耗模拟分析。常见的EnergyPlus的用户界面有两种，OpenStudio（Legacy Openstudio）和Design⁃Builder，本案例使用的二次开发软件为DesignBuilder，可以比较准确地对项目进行全方位能耗模拟。

（3）DesignBuilder：内置了EnergyPlus 的能耗模拟内核，是EnergyPlus 的再次开发软件，可以实现自然采光模拟分析、大规模模型的能耗模拟分析，其内置了建筑的地理位置系统，可以直接进行当地气候的参数设置，并具备了数据可视化呈现等一系列功能，可以大大提高分析的易用性和可操作性。

3 寒地城市设计研究中心既有工作室空间数字化能耗模拟

3.1 建立规范性建筑能耗基本模型

一般设计过程中的建筑建模更多的是为了体现建筑的造型、材质、功能等方面，但对于建筑能耗模拟而言，更侧重于建筑各个功能空间区域的能耗模拟计算，因此所建模型并不一定需要直观，各个功能空间区域可以直接简化为热工分区（zone），并进行结构简化，本案例的功能空间有研究员办公空间、教职工工作空间、储藏空间、接待空间、休憩空间等，各个空间的人流量和热工需求不同，因此对于不同热工分区，其内部的热工参数需要进行不同的设置。

数字化模型具有简易性、确定性和线形设置等特点，与实际建筑有很大的不同，因此在建模过程中需要对原有模型进行简易化提取，对楼地板、墙面等维护结构进行参数设置：

（1）本模拟对象为工作室空间，实际空间中并无墙体分隔，工作空间人员的流动性很大，参照《公共建筑设计规范》中关于“不同类型房间人均占有的使用面积”的规定，接待空间（zone1，含小型会议空间）取值2.5m2/人，研究员办公空间（zone2）取值4m2/人，教职工工作空间（zone3）取值8m2/人，休憩与会议空间（zone4）取值2.5m2/人，储藏空间（zone5）取值0m2/人。

（2）本空间模型参照《公共建筑节能设计标准》中对建筑南向开窗面积的规定，按照选取区间中的中间值来进行设置，取值30%。

（3）本项目位于吉林省长春市，属于严寒地区的室内空间，模型建立时外墙参数按照吉林省长春市典型气象年参数设置，屋顶部分及内墙的围护结构参数根据吉林建筑大学逸夫教学馆地源热泵检测室测量的全年室内外温度统计表取全年平均值进行参数设置。

3.2 基本参数组建与工况介绍

（1）室外热工参数。长春市属于严寒C类地区，年平均气温最高11℃，年平均最低气温0℃，年平均气温为5.5℃，极低的温度为建筑的保温设计提出了更高的要求，同时相较于其他地区，建筑的能耗也更大，每年月平均气温低于-10℃的时间长达3个月，利用DesignBuilder内置的EnergyPlus的典型气象年参数，对建筑换气次数、建筑温湿系统、假期时长参数、空间得热比例等参数设置为默认值或相同参数，项目顶部的温度设置则采用检测室测量的全年平均气温进行设置，其他参数，如维护结构材质、建筑设计参数、维护导热系数等需要查找材料后手工录入。

表1 建筑造价表（元）

（2）室内热工参数。本项目需建立现状模型与节能改造模型进行能耗对比分析，分别对不同的热工模型进行建筑模拟参数的录入和计算最后进行数据比对，现状模型的热工参数主要参照原设计技术图纸和设计规范，节能改造模型的热工参数设置则主要参照设计规范及加拿大木业协会提供的材料热工数据进行参照设置。

本项目的原有空间为典型的钢筋混凝土结构，其热工参数可直接在DesignBuilder 软件中进行设置，改建的木结构空间模型采用节能幕墙系统，参照上海现代集团提供的节能木墙墙体的传热系数，墙体内部使用岩棉和玻璃纤维作为保温材质，墙体龙骨尺寸为38mm×89mm，设置使用岩棉的墙体传热系数为0.37W/（m2·k）～0.40W/（m2·k），改进墙体龙骨尺寸为38mm×140mm且增加外墙保温构造，使传热系数下降为0.3W/（m2·k）以下。经过改进设计，模拟计算后发现木结构模型的热能耗性能得到了极大的加强，原有钢筋混凝土结构若需达到改进模型的热工效能，墙体厚度需增加10cm 以上，或增设成本较高的外保温板。由此可知在严寒地区，节能木墙系统的加入可以是建筑的节能性能更加优异。在本项目的参数设置中，围护结构导热系数部分参数按照GB 50189－2005《公共建筑节能设计标准》中关于办公建筑的标准进行设定，外墙参数参照加拿大木业协会提供的《轻型木结构建筑设计》中的数据进行模拟。

3.3 HVAC

HVAC（Heating, Ventilation and Air Conditioning），即供热通风与空气调节系统，是对构筑物内温度、湿度、空气清净度以及空气循环系统进行调节和控制的系统，本项目中的HVAC 系统主要涉及的有采暖供热系统，夏季制冷系统在改进模型中采用学校逸夫教学楼中统一设置的地源热泵系统进行制冷换气，根据建筑能耗模拟标准ASHRAE62.1，系统设置加热温度参数为13℃～20℃，制冷温度参数为26℃～32℃，本项目的改造模型也加入了简单的遮阳系统进行夏季遮阳。

由于现有工作室纳入到了城市统一供热系统，采暖周期设置为10 月20 日～3 月20 日，供热系统采用学校现有的AUX HW loop 集中供热系统。现有的供热系统现率较低，改进模型中进行了升级改造，在原有模型基础上启用逸夫教学馆设有的土壤源热泵系统。本项目的地源热泵系统采用的是双U 型垂直埋管，配备有中心日本机房，可实时监测建筑室内温度，配备了实时数据检测系统，建筑内有两个热工环路，设有内外环井各一个，外环井间距为5m，内环井间距为4m、5m、6m。

4 基于数字能耗模拟的木结构改造空间优化对比分析

4.1 建筑能耗模拟能耗基础分析

利用DesignBuilder 软件自带的简易建模功能对两个空间模型进行数据设置并运行能耗计算后，可以得到以下结论：

改进模型加入了全新的HAVC 系统，全年的温度变化比较均衡，长期保持在20℃上下，原有空间并无夏季制冷系统，夏季最高气温可达30℃以上，全年气温变化强烈，土壤源热泵系统的加入，使得实际能耗大大降低，同时由于地热能源属于洁净可再生能源，相较于原有的化石能源，对外界环境的影响大大降低，节能效果显著。

两种计算模型均有不同的HAVC 系统，无法单纯比较外围护结构的节能效力，因此可将两种模型的HAVC 模型变量去除再次进行模拟计算。计算后发现木结构模型内部室内温度自10月至次年6月期间的单位月平均温度要比原钢筋混凝土结构的模型高2℃～4℃，在7 月至9 月的单位月平均温度要比原模型低1℃。证明木结构模型比钢筋混凝土结构模型的人体舒适度要高，建筑能耗性能要好。

4.2 建筑造价及温室气体排放分析

4.2.1 建筑模型造价分析

在DesignBuilder 软件分别对两种结构空间界面进行能耗模型建模中，利用Cost and Carbon 计算模块进行模拟计算，可以快速计算出围护结构、HVAC、采光、基础结构、上层结构、玻璃窗等构件的工程造价，并预估出项目的总体造价（见表1）。

通过计算可以得出，以木结构为主要维护空间的建筑模型比以钢筋混凝土为主要维护空间的建筑模型在整体建筑的造价上要节省三分之二左右，基础结构的造价变化不大，改造空间模型由于加入了遮阳系统，因此造价有所升高，但就建筑的总体造价来看，木结构建筑模型比钢筋混凝土建筑结构模型的总造价要低4万元左右。

4.2.2 温室气体排放分析

由DesignBuilder 软件模拟计算结果可以看出，木结构改造空间的温室气体排放量为10555.8kg，仅为混凝土建筑的三分之一左右（35771.7kg），对建筑的外环境影响远小于混凝土建筑，木结构界面节能效果显著。

4.3 建筑能耗比较

对两种空间模型进行单位采暖热量检测结果进行汇总分析。利用现有实际测量所得到的年平均气温和年平均室内外温度差进行原空间的能耗模拟计算，然后对木结构空间进行采暖耗热量的计算。最后根据计量和检测建筑物室内外平均温度,得到实测采暖耗热量和折算到标准年状态下的建筑物单位采暖耗热量。通过以上的方法进行的能耗模拟计算，对原有模型可以有比较准确的复现性，能够对其他可以进行现场测算的建筑场景建模计算有很好的指导性和借鉴性。

根据检测计算,原有空间体形系数为0.63，建筑面积为160.75m2, 供热期供热天数为178d, 实际检测研究天数为284d（40周,26816h）,原有空间实测采暖耗热量为1726.5 MJ/m2/year,折算到标准年的建筑物单位采暖耗热量为35.77W/m2，采暖耗煤量为212.813kg/m2。根据检测计算, 木结构空间体形系数为0.63,建筑面积为160.75m2,供热期供热天数为178d,实际检测

研究天数为284d（40 周, 26816h），理论计算的采暖耗热量为

1689.8 MJ/m2/year,采暖耗煤量为64.505kg/m2。通过对比可以得出，木结构模型比钢筋混凝土模型有更好的节能效力。

5 结束语

木结构建筑在生命全周期内可再生重复利用，其低能耗、吸湿性、低技术易获得等方面都比当前常用的钢筋混凝土结构有着得天独厚的优势。在建筑模型的能耗模拟对比计算上,木结构空间与钢筋混凝土结构空间的单位面积建筑能耗性能均高于60%以上。木结构建筑在对保温隔热要求较高的地区尤其是东北严寒地区的建筑能耗性能极佳，可以很好地保持室内的舒适性。