高寒地區低能耗民居建筑DeST模擬

韓 秀，劉 男

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150030)

1 引言

為了降低能耗需求[1]，最大限度地實現熱量的循環利用，在建筑設計和規劃中結合當地特殊的地理氣候環境，建設高質量、低能耗的住宅建筑是十分必要的[2]。

針對建筑能耗模擬問題，文獻[3]使用Climate Consultant氣候分析軟件，對某地溫度和太陽輻射量實施分析比對，獲得滿足當地建筑條件的被動式設計策略，并通過Design Builder對其進行模擬驗證，為改建或新建民居選擇設計方案提供參考與借鑒。但該方法沒有考慮除太陽輻射的其它氣候條件，模擬精度較差；文獻[4]設計一種人工蜂群優化BP神經網絡下的能耗預測算法。依照民居建筑特點，挑選多個能耗影響因素當作輸入參數樣本特征，將模擬成果當作網絡學習與檢測數據，組建能耗預測模型。但該方法前期準備工作較多，計算復雜度高。文獻[5]以常用綠化樹種櫸樹為樣本，進行樹冠三維模型構建。通過三維激光掃描技術獲取點云數據，研究樹冠三維模型的構建，得到不同的三維模型構建效果，構建的三維模型精細程度較高，可作為計算冠層結構參數的基礎和依據。

綜合以上內容，本文創建高寒地區民居建筑模型，了解民居建筑的具體設計情況，設置民居建筑模型參數，利用DeST軟件模擬外墻、外窗和屋面對室內溫度的影響，得到有效的高寒地區低能耗建筑改進方案基礎數據。

2 高寒地區民居建筑模型構建

以北方某高寒地區居民住宅為例，使用激光掃描儀對該建筑進行三維建模，為低能耗模擬提供實驗數據。以測距機理為前提，把三維激光掃描儀劃分成三角法測距、脈沖式測距和相位法測距。相位測距經過推導發射脈沖與接收脈沖間的相位差p，其精度高，一般為毫米級，可以有效獲得反射信號，因此，本文設計中采用相位測距方法融合光的傳播速率計算距離大小。

假設脈沖頻率是f，相位差是Φ，光速是c，則距離S的計算過程為

(1)

推算脈沖射出與接收的時間差值，推測被測對象與脈沖間的距離

(2)

其中，Δt是記載的時間差。

運用一體化高效掃描儀完成模型構建，測距方法是脈沖式測距，其測距原理和關鍵技術參數可參見圖1和表1。

表1 掃描儀關鍵技術參數

圖1 脈沖式三維激光掃描儀測距原理示意圖

為精準描述多個點之間的空間關聯，還要明確各個點坐標，將三維激光掃描儀當作原點的局部坐標系坐標。坐標運算原理如圖2所示。

圖2 局部坐標系下的坐標示意圖

圖2中，θ表示掃描角度和水平方向上的夾角，α表示點P(x，y，z)在水平面上的投影點Q及X方向的夾角。P點局部坐標系推導解析式為

(3)

在掃描過程中，外部環境會阻礙掃描對象[6]，并形成各種干擾噪聲。因此，有必要對點云數據進行過濾，去除數據中的不平衡點。在實際應用中，需要選擇合適的過濾方法來完成自動過濾。

掃描系統具有一定剛性，點云配準過程中產生的坐標轉換可以當作三維剛體的坐標轉換，兩個點云間的尺度比λ是1。轉換模型內擁有以下獨立參數：平移參數Δx、Δy、Δz和旋轉參數α、β、γ。

計算旋轉矩陣R與平移矩陣T實現配準，了解配準函數并獲取最優轉換參數。坐標轉換模型為

(4)

式中

(5)

R(α，β，γ)=cosαcosγ+sinαsinβsinγ

(6)

僅利用點云無法形成真實的居住建筑層次結構。為了修復建筑物表面的拓撲關聯，完成高寒地區居住建筑的三維模型，構建過程包括特征線提取和模型建立兩個部分。

特征線提取方法眾多，目標建筑前方有很多遮擋物，讓點云數據某些區域激光不能直達建筑物表面，形成空洞[7]，因此在提取特征線過程中，使用繪制軟件預先描繪三維結構線，并投影至二維平面。

基于線畫圖的三維模型構建中心思想是由線成面。把CAD線劃圖導進3DMAX軟件內。在點云數據下，各個方向構建的線劃圖之間均擁有明確的位置關聯，把前后左右上下的立面圖同時導入，即能合成建筑架構示意圖。

因民居住宅面積較大，現階段對建筑物的整體構件識別并全部自主建模沒有很好的解決方式。在建模過程中會分離建筑物各個構件，并將其劃分成規則與不規則兩種模式。針對需要保存現狀的建筑物構件，應當創建一個三角網模型[8]。三角網模型精度很高，可展現出民居建筑初始面貌。

通過上述過程，將建筑構件分別建模并放置在同一個文件中。在完成整體測量控制的前提下，所有構件都有一個統一的坐標系，可以將它們組合在一起，形成完整的住宅模型。

3 民居建筑模型參數設定

為更好地展現出民居建筑室內實際狀態，在民居建筑模型基礎上，隨機挑選某一房間，設定其室內能耗參數。

3.1 空調參數設定

按照擬定溫度的忍耐界線來展現空調運行狀態，當高于擬定溫度閾值界線時，空調自主運轉，而在此期間，室內溫度會控制在擬定溫度固定值內[9]。譬如嚴寒地區冬天擬定房間溫度是19℃，忍耐溫度是17℃，假設室內溫度大于17℃時，空調系統不運行，在小于17℃時，空調系統自動運行，把溫度約束在19℃之上，保持室內溫度舒適性。

空調參數擬定參見表2。

表2 空調參數擬定表

3.2 通風參數設定

用戶利用開關窗改善室內通風條件，使室內溫度發生變化。結果表明，在夏季，用戶通常使用敞開的門窗來改善室內的通風條件，特別是在晚上，打開門窗有助于室內熱環境的相互循環。當室外溫度逐漸升高時，可以用空調來調節室內溫度。高寒地區早晚溫差較大，居民可在夜間開窗，白天關窗，以提高室內溫度，使室內溫度處于較舒適的狀態。

自然通風的風量多少和區域氣候、周邊環境等元素相關，無法準確獲悉風量數值。因此本文設置民居建筑的開窗風量通風換氣為15次/h，關窗風量通風換氣為1次/h。

3.3 選擇典型日

在進行住宅能耗模擬時，應選取一個典型日作為模擬對象。典型日可以代表整個采暖期的大部分時間特征，從而探討室內溫度和室內能耗的變化。根據內容選擇典型日的測定方法。本文主要對高寒地區的低能耗建筑進行分析，選擇最不利的條件進行實施。

高寒地區的室內大部分熱量來自太陽輻射。這個地區的建筑和一般的建筑有很大的區別。沒有相對穩定的室溫。室內溫度受室外氣候條件的影響，且元素多，室內日溫差特別大。本文研究住宅建筑的關鍵是采用合理的結構形式設計，以減少室外氣候條件引起的室內溫度波動。

在建筑物外的氣象要素中，太陽輻射的影響最大。太陽光照射是一個不斷變化的過程，建筑物在每個時間段獲得的輻射能是不相等的，特別是晝夜循環變化，住宅建筑也處于熱增量和熱損失的反復變化中[10]。

冬至日照期短，太陽高度角低。在太陽輻射相對較短的情況下，室內溫度有所提高，但長時間無光照時，室內處于熱損失狀態，室內溫差較大。冬至作為低能耗實驗的波動數據。

4 仿真研究

DeST是一種建筑環境模擬軟件，在本次仿真中，根據建筑設計的層次結構(外墻、外窗、屋面)，分析住宅建筑的熱工特性，計算室內溫度，計算全年動態荷載。同時，將設計過程與系統整體情況有機結合，得到建筑物本身的年度實時統計數據，實現高寒地區低能耗民居建筑DeST模擬。

4.1 外墻對高寒地區民居建筑能耗的影響

外墻的保溫性能取決于其傳熱系數，它對建筑總能耗有著非常重要的影響。如果換熱系數小，建筑保溫效果好，但成本較高，工藝復雜，實施困難[11]。隨著大量節能墻體技術的發展，新型墻體材料進入了市場

混凝土多孔磚由水泥和砂組成，具有優良的節能效果；加氣混凝土具有多孔材料，重量輕，耐火性能優良，具有一定的抗震性能，作用于非承重墻；粘土多孔磚由粘土制成，并且空腔的增加可以提高其保溫性能；灰砂磚的原材料是灰砂，與其它墻體材料相比，它具有良好的蓄熱性能和較強的隔聲效果；粉煤灰陶粒混凝土的原材料是粉煤灰，摻入少量石灰，石膏與外加劑，并利用水化反應形成人工輕骨料。表3為以上各類墻體材料的熱性參數。

表3 墻體熱性參數

外墻傳熱系數包含墻體架構熱橋和墻面上不同部分的加權均值Km，模擬建筑外墻的加權均值是0.613W/(m2·K)，把外墻傳熱系數范圍擴大到0.4W/(m2·K)和1.5W/(m2·K)，模擬結果如圖3所示。

圖3 外墻對建筑冷、熱負荷的作用

從圖3可知，加權均值從左往右逐步變大，冷熱負荷都伴隨外墻傳熱系數的變大而升高，且二者和加權均值呈現出線性關聯，與冷負荷相比，熱負荷對圍護結構的傳熱性能更為敏感。針對寒冷地區供暖期長的地區，提升外墻保溫的是十分必要的，也是降低冷負荷的關鍵途徑。

4.2 外窗對高寒地區民居建筑能耗的影響

外窗是圍護結構的關鍵部分，通過外窗的能量損失占總能耗的55%以上[12]。低能耗住宅建筑內外窗的熱工性能有以下兩個要素：外窗具有集熱功能，可以讓太陽輻射到室內，提高室內溫度；另外，外窗的傳熱系數高于外窗在其它建筑圍護結構構件中，夜間無太陽輻射時熱損失最大。因此，有必要對高寒地區的區域條件和太陽輻射資源進行模擬。

建筑外窗的窗框材料種類繁多，各種窗框材料各有優缺點。目前，鋁合金窗和塑鋼窗廣泛應用于住宅建筑中。本文介紹了塑鋼窗在低能耗住宅中的應用。

玻璃是窗戶材料的透明部分，占窗戶面積的大部分。外窗玻璃是住宅建筑能耗的主要組成部分。隨著科學技術的進步，市場上的外窗玻璃款式繁多，性能也不盡相同，表現出不同的光、熱性能。表4是幾類常見的玻璃類型和其光熱性能系數。

表4 玻璃光熱性能系數

高寒地區通常以被動式方法運用太陽能資源解決冬季采暖問題，本文建筑模型選擇6mm單玻窗、9mm中空玻璃作為外窗玻璃材料進行試驗對比，探究最行之有效的低耗能住宅條件。

窗墻比表示窗洞大小和室內內部單元面積的比值。窗墻比大，夏季空調制冷能耗越高。高寒地區窗墻比限值如表5所示。

表5 高寒地區窗墻比

本文以陽光照射較少的北向外窗為例，研究其能耗影響因素。北向外窗在不同窗墻比下依次使用普通單玻窗、中空窗的南北向室內溫度和日溫差如圖4、5所示。

圖4 北向外窗對南向房間的溫度影響

圖5 北向外窗對北向房間的溫度影響

從圖4和圖5中可以看到，伴隨北向窗墻比的提升，北向房間室內溫度下降，室內日溫差上升；南向房間室內溫度有所降低，室內日溫差相差不多。可得到如下結論：北向窗墻比越低，越有助于保證南北向房間內的適宜溫度，在符合北向房間采光與通風前提下，要最大限度降低北向窗墻比。

窗墻比固定時，南北向房間室內溫度均值從大到小分別是中空窗、單玻窗，室內日溫差值從大到小分別是單玻窗、中空窗。

4.3 屋面對高寒地區民居建筑的影響

屋面的傳熱性能好壞對頂層負荷具有直接影響，一般要達到45%上下，建筑總體影響與建筑類型相關，大體來說，屋面對建筑冷熱負荷影響很小，如圖6所示。

圖6 屋面傳熱系數對建筑冷熱負荷影響

屋面傳熱系數在0.4～1.0W/(m2·K)中變化時，冷熱負荷都是線性增長態勢，熱負荷改變更加顯著。但以整個民居建筑而言，屋面影響依舊十分有限。

綜上所述，高寒地區每年的供暖與供冷需求大致相同，在成本承受范圍內，可提升外墻保溫層的保溫功效降低外墻傳熱系數，并同時減少冷熱負荷。外窗是民居建筑外部圍護結構的薄弱環節，但其傳熱系數對負荷的影響較小，外窗的傳熱系數降低會導致成本的增長，應當選擇適當的玻璃材質保持建筑的低能耗狀態。屋面對建筑的全局負荷影響很小，為確保民居建筑頂層的熱舒適性，屋面傳熱系數要控制在合理范圍內，不能過高。

5 結論

1)為降低高寒地區建筑能耗，使用三維激光激光掃描儀獲得建筑外觀數據，創建民居建筑模型。

2)通過設定模型參數，選擇6mm單玻窗、9mm中空玻璃作為外窗玻璃材料進行試驗對比，運用DeST軟件對高寒地區室內能耗影響進行模擬分析，北向窗墻比越低，越有助于保證南北向房間內的適宜溫度。

3)增強外墻保溫層能效，挑選玻璃材質維持建筑低能耗模態，嚴格約束屋面傳熱系數取值范圍，其中，屋面傳熱系數在0.4～1.0W/(m2·K)中變化時，冷熱負荷都是線性增長態勢，熱負荷改變更加顯著。