結合仿真模擬技術看建筑節能

丹華水利環境技術（上海）有限公司 孫 婭

0 引言

在建筑的建造和使用過程中，需要消耗大量的自然資源，同時增加環境負荷。據統計，人類從自然界獲得的50%以上物質原料是用來建造各類建筑及其附屬設備。這些建筑在建造和使用過程中又消耗了全球能量的50%左右；與建筑有關的空氣污染、光污染、電磁污染等占環境總體污染的34%；建筑垃圾占人類活動產生垃圾總量的40%。我國政府從基本國情出發，從人與自然和諧發展、節約能源、有效利用資源和保護環境的角度，提出發展“節能省地型住宅和公共建筑”，主要內容是節能、節地、節水、節材與環境保護，注重以人為本，強調可持續發展。隨著《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2005）和《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378－2006）的先后實施,為我國節能建筑和綠色建筑提供設計依據。綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源(節能、節地、節水、節材)、保護環境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。但是，我國綠色建筑技術的產業化目前處于起步階段，大量基礎性研究工作存在空白，舶來技術有待本土化，普遍缺乏綠色建筑設計經驗。

1 綠化環境與建筑節能

在夏季，人們認為受太陽照射得熱較多的應該是南向窗口，事實上玻璃的熱量顯然不是從直射的陽光中來的，認真觀察就能看到：大量的熱量是從地面、其他低矮建筑的樓頂發射出來的遠紅外輻射。如夏季的深圳地面、道路、樓頂的溫度可達到70℃，其輻射能力很強，能量集中在長波紅外波段。而玻璃對長波紅外線又是幾乎完全吸收的，造成了玻璃表面溫度很高，繼而向室內大量傳熱。

我們結合上海市某項目，通過CFD仿真模擬分析了兩種方案，其溫度的分布如圖1、圖2所示?？梢钥闯?，如果考慮了擋板、風幕、樹屏的作用，室內溫度會在原有空調系統下有所降低。故綠化的環境和建筑設計的結合不僅僅體現在美觀的外表上面，更是在節能方面體現出不可磨滅的功效。

圖2中明顯可以看出在添加的擋板、風幕以及樹屏后，室內溫度明顯下降。圖中豎直線處都是擋板所在位置，水平直線是風幕所在位置，該方案與圖1比降低了溫度，從而大大降低了建筑的空調能耗，節能節電。由此可見裸露的馬路、廣場、低矮建筑屋頂是城市“熱島”的主要熱源和熱輻射源，使鄰近的高層建筑深受其害。因此建議對于馬路、廣場等有條件的公共設施實施綠化，減少象征現代、氣派的大面積裸露廣場。也建議政府在政策上加以引導。綠化有助于節能與和諧發展。

2 值得關注的窗節能

一般來說，外墻、窗戶、其他傳熱和滲漏風帶來的損耗是圍護損耗的四大部分，其中與窗直接相關的有窗傳熱和滲漏風，其能耗將近占圍護損耗的一半甚至更多。因此，建筑節能首先應該重視窗的節能問題。窗的傳熱包括傳導和輻射兩部分，在降低窗傳熱系數上，目前可行的辦法有中空玻璃和雙層窗。在降低輻射上，采暖期希望盡量增加輻射得熱，而夏季則反之?？梢姼呖萍嫉腖ow-E玻璃并非放之四海而皆準，更不能輕信“節能40%”之類的片面之辭，采用前一定要認真分析。對于來自窗戶的滲漏風，則主要是考慮窗戶的類型和相關工藝。同樣，我們可以利用計算機來模擬各種方案進行對比，以選取最佳方案。以下我們結合上海某建筑的能耗模擬的結果來進一步了解窗戶對建筑節能的重要作用。其建筑模型示意圖如圖3所示。而圖4是模型窗戶不同選型能耗比較。

圖4中節能率的計算是通過節能設計指標50%（參照建筑與原有建筑相比，在通過采用增強建筑圍護結構保溫隔熱性能和提高采暖、空調設備能耗比的節能措施，在保證相同的室內熱環境指標的前提下，與未采取節能措施前相比，采暖、空調能耗應節約50%。）而得出來的。可以通過以下簡單公式表述：節能率=(1-設計能耗/2＊參照能耗)%

3 自然通風和空調節能

除了圍護負荷外，空調負荷中，設計新風負荷一般占總負荷的20%～30%，有些場合甚至超過50%。降低負荷，能夠從總體上降低總能耗。新風負荷節能被認為是空調系統節能的主要內容。其途徑主要有合理配置新風和能量回收。對于已經建成的系統，采用能量回收是最容易實施的改造手段。而我國很多的中央空調系統在處理這個問題時往往采用減小新風供給甚至關閉新風供給。這樣造成的突出問題就是室內空氣質量問題嚴重。現在我們很多建筑設計都考慮中庭和可開啟玻璃幕墻，為的是利用自然通風來改善室內空氣質量，另一方面也做到了空調節能。自然通風一般分為熱壓型和風壓型兩種，下面我們通過工程實例的CFD仿真模擬來看自然通風的效果。

3.1 熱壓型自然通風

熱壓型自然通風CFD模擬見圖5所示。

從圖5中可以看出全部開窗的室內風速已經超過了滿足室內舒適度的最高風速0.3m/s，通過部門開窗方案可以緩解這一矛盾，并且從溫度分布圖上可以得知在部分開窗情況下，通過熱壓型的自然通風（熱對流），過渡季節時室內的絕大部分溫度都滿足20℃的舒適度要求。

3.2 風壓型自然通風

風壓型自然通風CDF模擬見圖6所示。

從圖6中可以看出過渡季節的室內外的壓強梯度明顯比無風狀態下要大，而且通過自然通風在過渡季節中室內的溫度能夠達到20℃左右的舒適度要求，這樣在過渡季節，一些有條件進行自然通風的建筑就可以節約很多能耗。

4 結論

隨著仿真模擬技術的發展，為傳統的建筑設計提供了一個有效直觀的方法來驗證建筑方案的可行性。它是一種成本低，速度快，資料完備的有效方法；采用計算流體力學和建筑能耗模擬軟件對建筑熱環境進行模擬，根據模擬結果，分析建筑方案的合理性，為空調設計及能耗提出改進的建議是仿真模擬技術的價值所在。如果大家都非常重視建筑節能，再結合計算機仿真模擬技術就可以在綠色建筑領域里作出既節能又舒適的設計。

[1]葉大法 楊國榮.變風量空調系統設計.北京，中國建筑工業出版社

[2]Ashrae.2007AshraeHandbook-Heating,Vetilating,and Air-Conditioning Applications[M].Edition 2007.Amer Society of Heating,2007.

[3]趙榮義 范存養 薛殿華 錢以明.空氣調節.北京，中國建筑工業出版社

[4]GB 50189-2005，公共建筑節能設計標準.北京，2005

[5]GB 50176-93，民用建筑熱工設計規范.北京，1993

[6]DBJ 15-51-2007，公共建筑節能設計標準廣東省實施細則.北京，中國建筑工業出版社

[7]IAN B.D.MCINTOSH.ASHRAE Laboratory Design Guide[M].1st Edition.American Society of Heating,Refrigerating,2002.

[8]STAR-CD VERSION 3.2 Printed in Japan 2004

[9]魏潤柏 徐文華.熱環境 上海，同濟大學出版社