基于软件模拟的寒冷地区能源站被动式节能设计实践

闫瑞雪 高肖艳 郭志瑞

1.陕西煤田地质勘查研究院有限公司 2.中联西北工程设计研究院有限公司

1 项目概况与气候条件特点

1.1 供热能源站概况

实践项目为某大型地热能供暖项目的分布式供热能源站建筑工程，主要为利用地下中深层热储进行区域性供暖的站房工程，兼有部分管理办公使用功能。项目建设规模包含三座供热能源站建筑工程，总建筑面积9331㎡，供热规模约100万㎡。其中1号供热能源站建筑面积2931㎡，供热规模约29万㎡。

供热能源站内部空间按照使用频率与外部联系程度不同可分为3类：①供热设备用房+消防水池，主要用途为放置各类热泵、水泵、软化水装置、水箱等设备并与外部供热管网进行连接；②消防控制室+配电室+中控室；③办公室+会议室+管理辅助间，为工作人员日常办公会议空间，使用频率最高，因此要求其内部空间具有更为稳定舒适的特征。

1.2 寒冷A区的气候特点

项目所在地位于陕西省宝鸡市眉县，属暖温带大陆性半湿润气候，年平均气温12.9℃，平均日照2015.2小时。宝鸡眉县在我国的气候分区上属于ⅡA区，最冷月平均温度为0.6℃，最热月平均温度为26.6℃，采暖室外计算温度-2.7℃，累年最低日平均温度-8.0℃，计算采暖期室外平均温度2.1℃，室外平均相对湿度59%。

2 软件辅助建筑节能设计

2.1 基于具体环境的最佳朝向分析

使用Ecotect Analysis的气候分析工具weather tool对宝鸡眉县当地数据进行计算。可知宝鸡眉县地区建筑的最佳朝向为172.5°，最差朝向为82.5°，过冷时间内曝辐射量最多的朝向为160°，过热时间内曝辐射量最多的朝向为95°。因此建筑朝向应避开冬季主导风向（西北风），并可在夏季进行自然通风散热。因此，建筑坐北朝南或南偏东10°均为较好的建筑朝向。

2.2 基于具体气候条件的被动式节能设计能耗分析

2.2.1 软件模拟参数设置

建筑单体建模完成后进行基本参数设置：人员服装热阻值为1.0，室内舒适温度最低为18℃、最高为26℃，湿度为60%时，室内风速为0.5m/s，整个建筑内部空间占用情况设置为30人，活动状态为静坐状态。模型室内显热得热和潜热得热分别设置为7W/㎡、3W/㎡，模型围护结构材料参数见表1。

表1 模型围护结构材料参数

2.2.2 不同体型组合下的方案比选

通过软件模拟建筑一年12个月份的耗能分析可知在宝鸡地区气候条件下，冬季供暖能耗数倍于夏季制冷能耗，因此建筑体型应紧凑布局以求冬季减少热量损失。根据项目用地条件及功能分布特征，能源站平面采用规则长方形布局，将内部按不同类空间划分为三层布置。并结合能源站内部空间的采光通风等要求形成了A、B两个初步方案，建筑面积相同，体型系数分别为0.188与0.201，在相同条件下对两种体型的建筑进行能耗模拟计算，A方案相较B方案可减少约2.87%的耗能，主要原因为A方案的体型系数较B方案更小。

2.2.3 高性能围护结构节能分析

围护结构作为室内外能量交换的界面，直接制约着建筑能耗水平和室内环境舒适性。利用Ecotect Analysis软件中的建筑构件材质计算工具，可以快速计算出建筑构造的传热系数，模拟出不同围护结构得热失热情况，并通过数据对比分析不同构造的保温性能差异。

如表2为初步设计时拟采用的两种外围护结构构造做法（屋顶构造做法相同），通过选择材料参数及构成形式即可计算出两种不同构造做法的传热系数，在此基础下进行能耗模拟计算，其他条件相同，经软件分析可知采取了高性能保温构造措施的工程做法2相较于做法1全年能够节约高达31.82%的采暖制冷能耗。主要因为构造2的外墙外保温利用50mm岩棉保温材料的低导热特性及具有空气夹层的双层Low-E玻璃外窗均有效降低了外围护结构的传热系数，从而较好维护了室内空间热环境的稳定性达到节能效果。

表2 外围护结构构造做法

2.2.4 被动式太阳能采暖节能分析

被动式太阳能采暖设计的关键气候因素在于室外温度和太阳辐射量。选择累年1月南向辐射温差比（采暖期南向垂直面太阳平均辐射照度与室内外温差的比值）ITR（W/㎡·℃）及南向垂直面太阳辐射照度I（W/㎡）两个指标作为被动太阳能采暖气候适宜性的判断指标。宝鸡眉县ITR：4≤ITR＜6，I=97W/㎡＞60W/㎡，属于适宜采用被动式太阳能采暖的气候区。结合能源站特点及技术经济性考虑，选用直接受益式被动太阳能采暖最为符合项目实际需求。在此前提下，建筑单体的窗墙比则成为影响建筑能耗的其中一个因素。

运用软件中逐时太阳辐射选项卡对能源站不同朝向外墙所受太阳能辐射照度进行分析计算，在冬季采暖期各朝向获得太阳能辐射照度由高到低分别为南、东、西、北向，其中南向逐时太阳辐射照度在12月可到达峰值613.47W/㎡。对能源站建筑采用不同窗墙比时的能耗进行模拟分析，建筑总体能耗随着窗墙比逐渐减小，耗能相应逐步降低。

由以上分析得出，建筑南向窗以追求冬季更多的太阳能辐射热应在满足规范要求下取大值；东向次之；北窗无法得到直接的太阳热辐射以及冷风渗透作用尽可能小；西向次之。

在此基础上对两种窗墙比设计方案进行优化、比较，再次模拟计算，可得到：在建筑立面总窗墙比相同的条件下，在南向窗墙比增加8%、北向窗墙比减小8%的情况下，能源站因直接受益式采暖窗所得太阳辐射热量的增加使建筑在冬季减少了约2.13%的保温耗能。

3 结语

基于本实践项目的宝鸡地区供热能源站建筑，通过建筑空间特征提取，利用Ecotect Analysis软件的模拟分析数据对建筑节能设计进行了指导。在软件分析数据的支撑下，根据具体项目所在地气候环境条件下的不同体型系数设计方案、不同构造措施方案、不同窗墙比设计方案进行分析计算，得到了能耗模拟软件为不同方案优劣对比提供的数据基础，从而提高建筑节能措施的利用效率，为同类建筑节能设计提供参考。