基于DeST 的三種別墅設(shè)計(jì)方案的能耗分析

羅潔雨，聶憶華，劉璐源，卓麗萍，鄧巧

（湖南科技大學(xué)）

1 引言

傳統(tǒng)住宅等普通建筑在長(zhǎng)期使用中有能源消耗量大，設(shè)備電力費(fèi)用高，污染排放大等特點(diǎn)，隨著生活水平質(zhì)量要求的不斷提高，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的貫徹，建筑能耗逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，綠色零能耗建筑也逐漸進(jìn)入大眾視野，且目前已在多個(gè)城市都進(jìn)行了嘗試；建筑能耗的產(chǎn)生是由多方面因素決定的，包括建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成成分、窗戶朝向及面積比、建筑面積體積比、氣密性與供暖、冷系統(tǒng)等[1]。

針對(duì)夏熱冬冷區(qū)氣候條件下的鄉(xiāng)村別墅，進(jìn)行普通建筑、一般節(jié)能建筑、組合被動(dòng)式節(jié)能建筑三種方案設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)模型采用DeST 軟件模擬計(jì)算與分析，選擇節(jié)能效果好的設(shè)計(jì) 方案。

2 別墅設(shè)計(jì)方案

選擇別墅設(shè)計(jì)參數(shù)為：高度10m，體形系數(shù)0.641，建筑面積222.77m2，占地面積55.02m2，使用年限50a，圖1、圖2 給出了該模型詳細(xì)尺寸設(shè)計(jì)圖。

圖1 別墅立面尺寸設(shè)計(jì)圖

圖2 別墅平面尺寸設(shè)計(jì)圖

1）普通建筑

按照建筑一般規(guī)范設(shè)計(jì)的具有某些功能的建筑。

2）一般節(jié)能建筑

按照節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的措施要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，便可認(rèn)為是節(jié)能建筑，對(duì)節(jié)能效果的評(píng)定并沒(méi)有特殊要求。

3）被動(dòng)式建筑

被動(dòng)式建筑在《被動(dòng)式低能耗低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中有明確的規(guī)定，對(duì)建筑總一次能源消耗和各項(xiàng)分項(xiàng)能耗都給出了明確的限制指標(biāo)，如熱回收率必須達(dá)到≥75%等。規(guī)范中明確規(guī)定，房屋單位面積的采暖控制指標(biāo)≤10w/m2，房屋單位面積制冷控制指標(biāo)≤20w/m2[2]。

根據(jù)規(guī)范《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 134-2010，能耗分析相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：換氣次數(shù)為0.5 次/h， 供暖空調(diào)的室內(nèi)設(shè)定溫度分別為冬季18℃、夏季26℃，冷熱源為空氣源熱泵[3]。表1、表2 分別給出了本文選用三種方案的外墻熱工參數(shù)和外窗熱工 參數(shù)。

3 DeST 模擬計(jì)算

本文選用DeST 軟件進(jìn)行建筑能耗模擬分析，首先基于AutoCAD 繪圖軟件建立一個(gè)三層低矮別墅建筑模型，將模型導(dǎo)入DeST 軟件中，選擇相應(yīng)的氣象參數(shù)及熱工參數(shù)進(jìn)行分析。

3.1 建筑陰影模擬計(jì)算

建筑陰影指建筑日照陰影線邊界內(nèi)范圍，建筑日照陰影線是指建筑物遮擋太陽(yáng)光線產(chǎn)生三維陰影的邊界線，建筑日照陰影線范圍即建筑物北向輪廓與陰影線圍合而成的區(qū)域。建筑陰影涉及建筑采光度及用戶舒適度，模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)用戶參考價(jià)值較大。以下是建筑陰影計(jì)算原理。

基本算法：光線跟蹤、輻射度算法、投影變換法、陰影圖、陰影體。

本文主要采用DeST 陰影計(jì)算，即采用單平行光源形體相對(duì)簡(jiǎn)單的投影計(jì)算，計(jì)算步驟如下：

①背面剔除，即剔除陰面，表面法向與光源矢量夾角＜90°即為陰面；

②地面陰影計(jì)算，即將所有建筑表面按太陽(yáng)光線斜平行投影到xoy 上，合并所有多邊形得到地面陰影；

表1 外墻熱工參數(shù)設(shè)置對(duì)比

表2 外窗熱工參數(shù)設(shè)置對(duì)比

③建筑表面陰影面積：先選擇建筑表面A為目標(biāo)面，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系變換，使得A表面在新坐標(biāo)系下與xoy平面重合；再將其他表面在xoy上的投影合并，將合并后投影與A面相交，得到A面陰影，最后將陰影變換到原坐標(biāo)中即可[4]。

3.2 建筑采光模擬計(jì)算

根據(jù)建筑功能和視覺(jué)工作的要求，選擇合理的采光方式，確定采光口面積和窗口布置形式，創(chuàng)造良好的室內(nèi)光環(huán)境是建筑采光的主要任務(wù)。

主要是運(yùn)用DeST 模擬分析軟件進(jìn)行對(duì)建筑模型房間采光系數(shù)，室內(nèi)照度，照明能耗，滿意度時(shí)數(shù)等方面的計(jì)算。

房間照度=散射照度Dsky+直射照度DSun

1）散射照度

采光系數(shù)DSkyk=室內(nèi)平均照度/ 室外照度；天空散射照度EhSky= 水平總散射×發(fā)光效率；室內(nèi)散射照度DSky=采光系數(shù)DSkyk×天空散射照度EhSky。

2）直射照度

采光系數(shù)DSunk= 室內(nèi)平均照度/ 室外照度；太陽(yáng)直射照度EhSun=水平總直射× 發(fā)光效率×sin（高度角）× cos(高度角)；室內(nèi)直射照度=采光系數(shù)DSkyk×太陽(yáng)直射照度EhSky×（1—陰影比例）[4]。

3.3 建筑室溫模擬計(jì)算

建筑室溫是反饋建筑保溫隔熱能力最直觀的參數(shù)，室溫模擬計(jì)算也是通過(guò)與大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，環(huán)境溫度經(jīng)過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)計(jì)算后得出的自然室溫。

針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)，一般采用動(dòng)態(tài)傳熱計(jì)算方法。基本方法：差分法、諧波法、反應(yīng)系數(shù)法、狀態(tài)空間法。

3.4 建筑負(fù)荷模擬計(jì)算

根據(jù)建筑室溫模擬計(jì)算，結(jié)合建筑人員密度，人員作息等模擬計(jì)算出人員熱擾；用能設(shè)備密度，設(shè)備使用作息等模擬計(jì)算出設(shè)備熱擾；照明密度，照明作息等模擬計(jì)算出照明熱擾；以及空調(diào)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定好以模擬計(jì)算出空調(diào)負(fù)荷。本文以上參數(shù)均按一般標(biāo)準(zhǔn)選用。

4 模擬結(jié)果分析

在夏熱冬冷地區(qū)，通過(guò)對(duì)上述三種別墅設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算與分析，結(jié)果見(jiàn)表3、圖3 所示。表3 中冷負(fù)荷是指維持室內(nèi)空氣熱濕參數(shù)在一定要求范圍內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)需要從室內(nèi)除去的熱量，包括顯熱量和潛熱量?jī)刹糠帧６鵁嶝?fù)荷是指燃料在燃燒中（如燃?xì)饩摺⑷細(xì)鉄崴鳌⑷細(xì)馊∨癄t、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室）燃燒時(shí)單位時(shí)間內(nèi)所釋放的 熱量。

由表3、圖3 可得，相比于普通 建筑：

①一般節(jié)能建筑熱負(fù)荷可減少38%，冷負(fù)荷可減少18%；

表3 三種別墅設(shè)計(jì)方案能耗分析一覽表

圖3 三種別墅全年累計(jì)冷熱負(fù)荷對(duì)比柱狀圖表

②組合被動(dòng)式建筑熱負(fù)荷可減少57%，冷負(fù)荷可減少40%，節(jié)能效果 明顯。

可見(jiàn)三種設(shè)計(jì)方案別墅的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷依次遞減，且幅度下降明顯。顯然，被動(dòng)式建筑比一般節(jié)能建筑更能減輕建筑負(fù)擔(dān)，節(jié)約能源 。例如以湘潭市居民電費(fèi)為例，2019 年達(dá)到每度電0.6 元，本建筑模型140 ㎡低矮別墅為例，普通建筑設(shè)計(jì)方案每年空調(diào)電費(fèi)約8695 元；一般節(jié)能建筑設(shè)計(jì)方案每年空調(diào)電費(fèi)6157 元，節(jié)約了2538元費(fèi)用；組合被動(dòng)式設(shè)計(jì)方案每年空調(diào)電費(fèi)4379 元，可節(jié)約4316 元空調(diào) 電費(fèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)位于夏熱冬冷區(qū)鄉(xiāng)村別墅進(jìn)行了普通建筑、一般節(jié)能建筑、組合被動(dòng)式建筑三種圍護(hù)方案設(shè)計(jì)，利用DeST 軟件進(jìn)行能耗分析，結(jié)果表明一般節(jié)能建筑較普通建筑的熱負(fù)荷可減少38%，冷負(fù)荷可減少18%；組合被動(dòng)式建筑能耗最低，較普通建筑熱負(fù)荷可減少57%，冷負(fù)荷可減少40%，節(jié)能效果明顯，可推廣使用。