設(shè)計(jì)初期階段的建筑節(jié)能優(yōu)化方法初探

翟清

建筑能源消耗性能情況具有重要影響，不僅會(huì)對(duì)建筑的整體質(zhì)量造成影響，還會(huì)影響到建筑的受歡迎程度以及使用性能。而建筑的節(jié)能潛力則很大程度上取決于設(shè)計(jì)階段的施工方案，設(shè)計(jì)階段是工程建設(shè)中很重要的一個(gè)階段，所以，面向設(shè)計(jì)初期中的各種工作，深入規(guī)劃建筑物一些部分設(shè)計(jì)方案中的節(jié)能性，可以為之后的設(shè)計(jì)工作以及施工奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展，這和我國發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)也相適應(yīng)。

1 設(shè)計(jì)初期階段的建筑節(jié)能優(yōu)化方法

1.1 明確設(shè)計(jì)流程

要想提升設(shè)計(jì)的科學(xué)性以及合理性，就需要先清楚設(shè)計(jì)的流程：①草圖設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師需要設(shè)計(jì)出草圖，在這一過程中不用模擬軟件，只靠設(shè)計(jì)師，因此，對(duì)設(shè)計(jì)師的專業(yè)水平提出了較高的要求，要求設(shè)計(jì)師還具備豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；②總體平面設(shè)計(jì)[1]。在這一環(huán)節(jié)中需要立足于建筑環(huán)境以及造型，進(jìn)行日照、環(huán)境的模擬，結(jié)合結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和完善。比如，在模擬環(huán)境時(shí)，可以獲得風(fēng)壓系數(shù)以及采光條件，進(jìn)而針對(duì)這些結(jié)果對(duì)平面設(shè)計(jì)中不足的地方進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，提升通風(fēng)以及采光的效果。除此之外，模擬結(jié)果還可以提供多項(xiàng)數(shù)據(jù)，這也為制定節(jié)能方案提供了保障；③單體方案設(shè)計(jì)，在這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)效果會(huì)直接影響到建筑的總體性能。通常在這一環(huán)節(jié)需要模擬分析單體設(shè)計(jì)方案，要評(píng)價(jià)方案的經(jīng)濟(jì)性以及可行性，防止方案中存在耗費(fèi)能源的問題。比如，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面，利用熱能模擬進(jìn)行分析能夠得到不同參數(shù)，進(jìn)而選擇出最優(yōu)的節(jié)能方案，減少能源的損耗情況。在模擬通風(fēng)時(shí)，需要查看設(shè)計(jì)是不是符合通風(fēng)的相關(guān)要求，還需要提供開口的口徑數(shù)據(jù)，進(jìn)而減少修改的現(xiàn)象，促進(jìn)設(shè)計(jì)效率的提升；④要對(duì)單體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行完善，這主要通過模擬數(shù)據(jù)信息對(duì)建筑的負(fù)荷情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)價(jià)各個(gè)單體模型，檢查是不是都滿足整體節(jié)能方面的標(biāo)準(zhǔn)要求，要是其中一個(gè)單體模型節(jié)能不符合標(biāo)準(zhǔn)，就需要馬上調(diào)整，指導(dǎo)符合標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 應(yīng)用模擬軟件

當(dāng)前科技不斷發(fā)展，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中需要有效的應(yīng)用模擬軟件，這能夠有效提升設(shè)計(jì)的效率和可靠性，模擬軟件主要用在兩個(gè)階段，一個(gè)是單體設(shè)計(jì)，另一個(gè)就是總體平面設(shè)計(jì)，所以，提升模擬軟件的性能質(zhì)量能夠提升設(shè)計(jì)方案的合理性以及科學(xué)性。比如，通風(fēng)、采光以及結(jié)構(gòu)，就對(duì)模擬軟件有要求，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，能夠?qū)ㄖ牟季帧⒃煨蛯?duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性能帶去的影響，對(duì)各種設(shè)計(jì)方案中的參數(shù)差異性進(jìn)行分析，進(jìn)而幫助設(shè)計(jì)師明確最優(yōu)參數(shù)。在采光方面，可以通過模擬軟件基于建筑信息的基礎(chǔ)上掌握室內(nèi)的一年采光度，進(jìn)而制定出科學(xué)的照明電量節(jié)約方案，給采光設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。除此之外，在設(shè)計(jì)中還需要多考慮其他因素，如，窗戶數(shù)量、可見光透過率等；在通風(fēng)方面，對(duì)軟件進(jìn)行利用能夠計(jì)算得到在自然通風(fēng)的情況下能夠節(jié)省多少能源，進(jìn)而為通風(fēng)口的大小以及位置制定提供依據(jù)，可以有效減少修改次數(shù)，提升設(shè)計(jì)的合理性以及科學(xué)性。

1.3 建立能耗模型

建筑能耗模型主要分為兩部分，一部分是照明能耗，另一部分就是空調(diào)供暖能耗。在對(duì)空調(diào)供暖能耗進(jìn)行計(jì)算的過程中，可以基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率進(jìn)行分析[2]。建立完能耗模型之后，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化，就需要做到兩點(diǎn)：①優(yōu)化算法。在對(duì)建筑總能耗進(jìn)行計(jì)算時(shí)，利用自動(dòng)反向?qū)?yōu)遺傳算法獲得在能耗最低條件下的建筑相關(guān)參數(shù)信息，包括空調(diào)系統(tǒng)、建筑幾何、照明系統(tǒng)、熱工性能等，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。②算法拓展。在設(shè)計(jì)建筑節(jié)能的過程中需要考慮多方面的要素，如，平面、空間以及體型等，需要滿足相關(guān)的特性，如，熱力交換、采光以及通風(fēng)等。比如，在自然采光上，就可以通過Redixncc軟件，可以得到建筑內(nèi)的照度、采光系數(shù)指標(biāo)，提升計(jì)算的效率以及準(zhǔn)確性。基于計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上繪制出設(shè)計(jì)草圖，可以有效的防止出現(xiàn)重復(fù)建模和輸出的問題，進(jìn)而促進(jìn)設(shè)計(jì)效率的提升，應(yīng)用該軟件和遺傳優(yōu)化算法結(jié)合起來，將采光最優(yōu)當(dāng)做目標(biāo)就可以明確最佳設(shè)計(jì)方案。

1.4 計(jì)算熱體形系數(shù)

熱體形系數(shù)自身的重點(diǎn)就是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所提供的單位面積在全年可以獲得的負(fù)荷BEQ；體形系數(shù)內(nèi)容其實(shí)就是建筑物體積以及外表面積之間的比值，其能夠有效的體現(xiàn)出建筑的幾何特點(diǎn)[3]。在計(jì)算這一系數(shù)的過程中，設(shè)計(jì)人員利用通過權(quán)重因子得到不同朝向建筑物在外表面上的不同，進(jìn)而從總體上對(duì)建筑物的各方面進(jìn)行分析，如，熱工參數(shù)，窗墻比例等。設(shè)計(jì)人員應(yīng)用該系統(tǒng)能夠得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)在冷季可以獲得的熱量。通常熱體形系都是比零大的，其能夠體現(xiàn)出建筑物空調(diào)季的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在特定的情況下，熱體形系數(shù)要比零小，這是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)在空調(diào)季散熱量較多。所以，在對(duì)設(shè)計(jì)初期施工方案進(jìn)行改善時(shí)，設(shè)計(jì)師需要通過熱體形系數(shù)對(duì)兩種方案具備的熱特性進(jìn)行判斷，選擇出最好的設(shè)計(jì)方案。和體系系數(shù)對(duì)比，熱體形系數(shù)可以直接的體現(xiàn)出各種熱工參數(shù)、建筑造型對(duì)建筑熱性能阻礙的方式，還能夠體現(xiàn)出建筑的整體窗墻比、平面布局等體現(xiàn)出來。所以，計(jì)算熱體形系數(shù)十分便利，可以有效的掌握不同方案在熱性能方面的不同，進(jìn)而讓用戶可以更好的利用計(jì)算結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行更新。可以看到通過熱體形系數(shù)計(jì)算方案的應(yīng)用，可以為設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)初期方案設(shè)計(jì)提供積極影響，促進(jìn)設(shè)計(jì)效果的提升。

2 設(shè)計(jì)初期階段的建筑節(jié)能優(yōu)化具體應(yīng)用

現(xiàn)階段國內(nèi)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)還不具備完善的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備，這就限制了國內(nèi)建筑節(jié)能優(yōu)化在設(shè)計(jì)初期的發(fā)展[4]。所以，設(shè)計(jì)人員要對(duì)各種類型的建筑進(jìn)行分析，從中找出具有一定相似性的建筑物，對(duì)這一類型的建筑區(qū)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方式進(jìn)行研究，加上先進(jìn)商業(yè)模擬軟件的應(yīng)用，可以在掌握施工現(xiàn)場(chǎng)的限制因素、氣候條件的前提下，明確建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而有效的對(duì)建筑的使用時(shí)間以及性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。在這一情況下，設(shè)計(jì)人員能夠指導(dǎo)那些特殊地區(qū)的建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，比如，某設(shè)計(jì)師在對(duì)一個(gè)公共建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)中，要滿足該區(qū)域的濕熱氣候條件，就對(duì)建筑進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的個(gè)性化。對(duì)于具備比較明顯特點(diǎn)的單體公共建筑物而言，設(shè)計(jì)人員在整體設(shè)計(jì)中，都需要合理的吸收和借鑒相關(guān)技能設(shè)計(jì)的技術(shù)措施，有效的利用計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行輔助，確保優(yōu)化設(shè)計(jì)初期的建筑節(jié)能效果。

3 結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前建筑行業(yè)不斷發(fā)展，建筑的類型以及數(shù)量都在快速的發(fā)展，人們對(duì)于建筑設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，在能源危機(jī)的情況下，建筑行業(yè)也開始注重節(jié)約能源。設(shè)計(jì)階段是工程建設(shè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)水平會(huì)直接影響到建筑物的質(zhì)量、能耗情況等，這就需要采取有效的建筑節(jié)能優(yōu)化方法，提升設(shè)計(jì)的科學(xué)性。