近零能耗建筑性能化设计平台应用研究

余琼 王祎 贺克瑾

北京市建筑设计研究院有限公司

0 引言

近零能耗建筑作为建筑节能行业发展的前沿，对建筑能耗有严格要求，传统设计方法不能适应其需求。近零能耗建筑设计强调基于性能目标导向的定量化设计分析与优化，同时兼顾经济性[1]。随着计算机技术在建筑行业的发展，性能模拟、建筑信息建模等工具作用在近零能耗设计过程发挥越来越重要的作用。有必要采用一种高效集成的模式，建构起近零能耗建筑性能设计平台，依托平台建构数据搜集与分析功能，在平台上建立标准化设计流程，实现协同工作模式，达到建筑能耗及经济目标。

本文从近零能耗建筑性能化设计平台的性能设计流程、设计工具及接口、技术经济数据库三个方面进行研究，并展示其在实际案例的应用，为其他类似项目提供数据支持与分析工具。

1 近零能耗建筑性能化设计流程

目前，常规建筑节能设计标准中的设计方法，均是首先判断建筑物的体形系数、窗墙比、围护结构传热系数等热工性能参数是否符合标准中的限值规定，如符合则可直接判定达标，不符合则按照标准规定的方法权衡判定（图1）。居住建筑权衡判定的指标为建筑物耗热量指标，公共建筑一般采用参照建筑对比法。权衡判断达标时，也可判定建筑节能达标。

而在近零能耗建筑的设计过程中，设计师应本着被动优先、主动优化的原则，借鉴传统建筑被动式措施，根据不同地区的特点进行建筑平面总体布局、朝向、体形系数、开窗形式、采光遮阳、室内空间布局的适应性设计[2]。在此基础上，通过性能化设计方法优化围护结构保温、隔热、遮阳等关键设计参数，最大限度地降低将建筑供暖供冷需求降低到极小，结合不同的机电系统方案，可再生能源应用方案，设计运行与控制策略，将设计路线和关键参数带入专用近零能耗建筑性能模拟分析软件，定量分析是否满足预先设定的超低能耗目标以及其他技术经济目标，并根据计算结果优化设计，最终确定满足性能目标的设计方案（图2）。

图1 常规建筑节能设计标准设计流程

图2 近零能耗建筑设计流程

2 近零能耗建筑性能分析工具

2.1 常用分析工具

近零能耗建筑设计应在满足高室内环境要求的基础上，最大限度降低建筑能耗，综合考虑经济成本。其中，建筑能耗、热工、被动式设计效果等性能分析的常用模拟软件工具如表1～3 所示。

表1 能耗计算软件对比

表2 热桥计算软件对比

表3 自然通风计算软件对比

2.2 常用软件接口

随着建筑信息建模（BIM）技术的应用，各种性能分析软件和建模软件实现数据对接非常重要。

2.2.1 数据传递分类

按对象不同可以分为以下几种：

1）CAD 格式文件

该类数据仍然属于二维数据格式，仅平面数据可用，需要在三维模式中进行实体建模。

2）RVT 格式文件

该类数据为三维体模型。其数据支持与基础IFC格式进行导入导出，属于完整的BIM 数据。可直接使用各种软件或插件进入到辅助设计软件当中。

3）CAT 格式文件

该类数据为三维体模型。三维信息较为齐全，但是不含构件具体信息。支持转换为IGS，STP 等通用三维体模型格式，与CFX 等能较为方便对接。

4）SKP 格式文件

该数据类型为三维体模型，支持3ds 和RVT 格式的限制转换，可以与CFX 等其他软件对接。

5）3DS，VRML 格式文件

该数据类型为三维面模型，目前最适合在Ecotect等软件中进行转换。

2.2.2 数据转换流程与路线

目前建模软件无法完全兼顾所有模拟需求的接口，可考虑兼容性好的模型作为中转软件，尽量使用一模多算集成软件，减少模型转换中数据失真。实际的三维数据转换过程如图3 所示[3]。

图3 三维数据转换流程示例

3 节能技术与成本数据库

本次外窗的调研参数基于测试标窗的基础上的（如图4），测试标窗的尺寸为1500 mm×1500 mm，有一个开启扇，可内平开并上悬。基于主要部品性能与价格构建“性能-价格”数据库，示例如图5～7。

图4 标窗窗型

图5 电动遮阳价格图

图6 外窗价格与传热系数关系

图7 保温价格与传热系数关系

4 项目应用

4.1 工程概况

项目建设地点位于河北省保定高碑店市高铁新城。项目一期用地面积134569.57 m2，地上建筑面积336388.17 m2。该项目30 栋住宅，6 栋展示用房，以及1所幼儿园。

4.2 性能化指标要求

表4 为该项目一期建筑性能化指标。

表4 列车新城项目一期建筑性能化指标

4.3 节能措施

1）围护结构热工性能参数指标

围护结构热工性能参数指标如表5～6。

表5 列车新城项目一期围护结构非透光部分热工性能参数

表6 列车新城项目一期外门窗性能参数

2）气密性

外窗采用三道耐久性良好的密封材料密封。外门窗气密性等级不应低于8 级、水密性等级不低于6 级、抗风压性能等级不低于9 级。

3）自然采光设计

通过减少建筑进深，增加开敞空间和透明隔断，增加南北立面开窗，提高室内采光系数，应用参数化设计方法，通过模拟计算与形体设计的交互，实现设计优化。

4）自然通风设计

在冬季，由于本建筑与其南、北侧楼之间没有比较宽的风通道，不会出现风速超过4 m/s 的情况。夏季主导风向为西南风，主要房间均为南北开窗，通过减小南北方向建筑进深，注意采用南北的内隔断开启，营造良好的室内通风环境，在过渡季和初夏，夏末提供舒适的室内环境。

5）冷热源与机械通风系统

住宅舒适性空调系统采用热泵型新风热回收一体机，分户设置。

4.4 性能分析流程

从节能敏感性分析可以看到，外窗传热系数以及SHGC 值对节能影响最大，外墙屋顶保温、遮阳、新风一体机设备的影响均较大（图8）。

图8 各围护结构热工参数对空调季冷热负荷指标的综合影响

4.5 增量成本分析

根据近零能耗建筑技术成本数据库及项目使用数量，统计示范工程的增量成本如表7。

表7 列车新城项目一期近零能耗增量成本分析

5 结论

本文提出面向BIM 设计、性能模拟应用的近零能耗建筑设计平台，围绕设计流程、分析工具、技术经济数据库三个方面对研究成果和项目应用情况进行介绍，为近零能耗设计项目提供参考。