基于軟件模擬的超低能耗建筑能耗狀況分析

王萌 姜欽青

（江西省建筑技術促進中心，江西 南昌 330000）

廣義上的建筑物能耗是指建筑產品在全生命周期內所產生的建筑物能耗，而建筑物一直是能耗“大戶”，其節能減排效果影響能源消費總量控制目標的實現，所以為實現這一目標，則需要相關學者正確評估各種因素對建筑物能耗的影響，這在一定程度上推動了超低能耗建筑物的出現。但是關于超低能耗建筑物的能耗問題一直缺乏詳細標準，利用現代化信息軟件深入分析建筑物能耗變化則成為解決這一問題的關鍵點，值得關注。

1 軟件簡介

為有效評估建筑能耗水平，本文將借助Ecotect Analysis生態建筑大師軟件做進一步研究。

EcotectAnalysis屬于全面技術性能分析設計軟件，與傳統軟件相比，該軟件支持交互式分析方法來判斷軟件既定功能，在數據處理中只需要設置一個簡單的模型，通過該模型即可獲得詳細的局部數據。同時EcotectAnalysis軟件可以提供大量即時分析數據，例如在模型中通過改變房間的布局或者局部材質的方法，即可獲得設計方案改變前后建筑物的混響時間、室內照度等數據；或者在軟件中變化窗戶的位置即可了解窗戶變化后對室內光環境的影響的。同時該軟件具有良好的實用性可以支持“DXF”、“3DS”等不同格式的輸出，可以與不同軟件完成交互。

同時從建筑物能耗評估的角度來看，EcotectAnalysis軟件自身可以借助不同物理環境模擬的方法來進行評估，與傳統的建筑物能耗分析軟件相比，該軟件可以借助多樣化圖形手段，利用圖形來展示建筑物的能耗變化情況，并且能夠與建筑物熱環境、能耗、聲環境等諸多指標完成集成，具有先進性。

2 超低能耗建筑物的能耗狀況評價

2.1 工程項目簡介

某建筑物墻體為370mm實心黏土磚雙面抹灰墻，其體形系數為0.395，明顯低于規定值。改造后的建筑物屬于集會議、餐飲以及住宿為一體的綜合性建筑物，其中住宿面積占比約為50%，集中在建筑物的左側部位；右側為餐廳，餐廳后方為廚房。由此可見，整個建筑物的功能分區明顯，易于辨別。

2.2 制定檢測方案

在本次超低能耗評價中，考慮到建筑物空調系統是造成能耗的主要原因，而空調系統的使用又與溫度之間存在密切關系。所以在本次研究中將重點針對建筑物的溫度變化展開研究，并兼顧當地氣候變化等因素的影響。

本次檢測中所使用的設備主要包括：1）自記溫濕度計，為THL0G型號；2）安吉侖數據采集儀，型號為Agilent34970A；3）風速儀，型號RHAT-301；4）紅外測溫儀，型號RAYMX2C；5）太陽輻射儀，型號PC-2。

整個試驗過程約為10d，通過在建筑物內進行多點檢測，測試點包括：1）雙框三玻璃節能窗的內外側以及空氣間層等；2）房建內外墻面、屋頂內側以及梁柱部位等；3）每個房間各設置一支自記溫濕度計；4）樓道與大廳位置設置一支自記溫濕度計；5）門斗位置設置一支自記溫濕度計（該部位需做遮陽處理）；6）在向陽面與背陰面設置太陽輻射儀。整個采集過程中，采集周期為30min，由裝置自行記錄設備運行數據。室內采樣點與地面的高度差為1.5m。

2.3 測試結果分析

2.3.1 門斗與大廳溫度測試結果

該建筑物的入口位置為一個全玻璃包裹的門斗，溫度統計結果顯示在下午約14：00出現最高溫度約為29.81℃；最低 溫度 出 現 在9：00左 右，約 為1.94℃，整體溫度起伏較為明顯。相比之下，大廳內部的溫度變化相對平穩，其中的最高溫度達到了29.19℃，最低溫度為20.94℃，符合建筑物室內溫度控制的基本要求。

2.3.2 室內外溫濕度測試

在本次測試過程中針對建筑物南北向的建筑物進行檢測，根據檢測結果可以發現，房間中的溫濕度相對穩定，室外氣候波動的影響不明顯，房間中的溫濕度差異不明顯；多次檢測結果證明，室內平均溫度≥20℃，平均濕度維持在40%-50%范圍內，體現出當前建筑物的節能保溫措施科學有效，可以使建筑物的內部物理環境趨于穩定。

2.3.3 窗戶表面溫度測試結果

針對建筑物中容易散熱的部位，窗戶的性能直接影響室內熱環境等指標，所以為了深入了解該建筑物的窗戶與節能效果之間的相關性，本文將針對窗戶的相關溫濕度系數展開進一步檢測。本次實驗中溫度的相關數據如圖1所示。

圖1 溫度對比結果圖

根據圖1所介紹的相關資料可以發現，窗戶內外各點的溫度變化趨勢基本相同，溫度基本呈現出由內到外緩慢降低的變化趨勢，建筑物中內框內表面與外框外表面的溫差與室內外溫差變化趨勢基本相同。同時窗戶外側表面與室內墻體表面的溫度差值約為4.0℃，這一結果證明窗戶散熱性能明顯下降，可以避免窗戶處熱橋的發生，提示窗戶的傳熱性能與墻體基本相同，這一結果符合建筑物低能設計的要求。

3 能耗模擬分析

從建筑物能耗管理的角度來看，在已知建筑物各個構造部位具體情況以及所使用材料性能參數的基礎上，對建筑物的能耗做模擬分析，可以判斷出建筑物在不同時間段的能耗變化情況，這種方法不僅可以最大限度上建筑物后期運行中的能耗，也有助于優化建筑設計人員的設計方案，減少后續不必要的節能改造技術方案。所以本文將借助EcotectAnalysis生態建筑大師軟件進行分析，通過該軟件來判斷建筑物不同時間段的能耗情況，并與當地低能耗建筑物中的相關條例相對比，根據其中的數據誤差可以判斷建筑物能耗是否符合預期標準。

3.1 建筑物的建模

在EcotectAnalysis生態建筑大師軟件中，通過Zone為單元將整個空間進行快速劃分定位，按照“局部→整體”的設計流程來判斷建筑物能耗；期間在模型中Zone的內部元件可以用不同顏色進行展示，提升了整個模型中的分區結果精度，有助于快速定位。因此案例工程項目中模型的建立方案如圖2所示。

圖2 模型建立最終結果

同時在該模型中，根據EcotectAnalysis軟件中沒有提供的構造或者材料，工作人員可以直接在該模型上進行編輯，在輸入不同的控制指令后，計算出建筑物特定構造的能耗信息。

3.2 設置相關參數

在按照圖2設置相關模型后即可設置模型的區域屬性參數，此時需要設置的數據包括內部居民數量、系統類型以及能耗設備等數據。

3.2.1 GeneralSettings

在GeneralSettings設置中，需要設置的信息包括：室內基本設計條件、陰影與反射裝置、人員與運行等基本數據。具體可分為：1）室內設計條件可以包括相對濕度、室內照度、風速以及衣著量等數據，可以自行定義其中的相關數據，例如人在室內穿著褲子與襯衫，這種衣著量可以定義為“1”；相應的人若在室內穿褲子與棉服，可以將衣著量定義為“3”等。其他數據可以為實測值，如室內的相對濕度、室內風速以及室內照度等；2）“人員與運行”則包括室內人員情況，室內得熱水平與“不舒適度”相匹配。其中室內人員情況包括房間中人的數量、人員活動情況以及人員活動時間表等；室內得熱情況則是包括各種電氣設備所產生的熱能。以客房為例，在計算該指標中可以按照下列參數標準計算，及照明系統功率值為15W/m，電氣設備功率值為20W/m等，并且根據室內建筑物中電氣設備的增減數量作出調整；3）室內得熱包括各種小型電熱器或者燈具等裝置給建筑物帶來的顯熱得熱與潛熱得熱，根據現有經驗，在計算顯熱得熱與潛熱得熱時，可以按照“（室內燈具+小型電氣銘牌功率）×33%”的方法進行計算。以正常的房間為例，假設房間的照明功率密度值達到了15W/m，而電氣設備的功率值達到了20W/m，則按照上述公式可以計算出顯熱得熱與潛熱得熱約為12W/m。同時考慮到顯熱得熱與潛熱得熱的比例受到計算溫度與濕度等因素影響，按照影響比重權重，可以按照設定的70%：30%的比例計算。

3.2.2 熱環境屬性

在熱環境屬性中則主要包括了建筑物中暖空空調系統運行的相關數據，一般可以將其細分為有效系統與舒適溫度區間兩個范圍，其中有效系統與建筑物中暖通系統的功能類型對接，即不同類型的暖空空調系統的取值結果不同；而舒適溫度區間則是指居民在室內感受到舒適溫度的上限值與下限值等，本次設計中將上限值設定為23℃，下限值設定為20℃，這一標準可以滿足我國絕大部分地區的規范要求。

在EcotectAnalysis系統中可以提供多種選項，包括：無系統、自然通風模式、混合模式系統、全空調系統、僅采暖、僅智能等多個選項，在熱環境屬性模擬中可以根據建筑物的實際情況作出選擇。

3.3 氣象數據分析

氣象數據是影響建筑物能耗的重要因素，所以在建筑物設計中需要適當采用主動策略或者被動策略，堅持因地制宜的方法優化設計方案，所以在本次軟件模擬中，應加載案例工程項目的氣象數據，并且為了保證數據結果精準度，本文將采用中國標準氣象數據庫中的資料進行計算，該數據庫為國家氣象局聯合清華大學的實際檢測結果，數據真實可靠，包括相對濕度、太陽輻射照度、降雨量、風向以及氣溫等。

3.3.1 太陽輻射分析結果

在本次研究中在EcotectAnalysis軟件中，選定氣象輔助軟件后直接加載項目所在地區的氣象數據情況來判斷太陽輻射變化情況。該軟件可以識別不同環境的太陽輻射值，并按照全年過熱期、欠熱期的太陽輻射值計算出建筑物理想朝向，根據這一結果可以用于建筑物平面布局與規劃。

3.3.2 逐時氣象數據分析

根據逐時氣象分析數據，可以判斷項目所在地區的過渡性氣溫變化情況，其中最低溫度出現在1月份，最高溫度出現在8月份；對溫度做進一步統計后發現，當地的相對濕度的變化趨勢與氣溫基本相同，并且在過渡季也可以發現相對濕度的變化情況，其中冬季的相對濕度波動明顯高于夏季。

3.3.3 焓濕圖策略

借助系統的焓濕圖策略，可以結合本地區的氣象數據，在焓濕圖中對各種能耗方案進行分析與優化，最終增強建筑物與周邊環境之間的互動性，并達到降低后期運行成本的目的，其中包括自然通風、被動式太陽能采暖等多種方式。

在焓濕圖上可以繪制不同的點，每個點分別代表了特定時間段的氣溫與濕度狀態，在數據處理中，用X坐標表示氣溫溫度；Y坐標表示絕對濕度；通過傾斜的虛線表示相對濕度。

但是在數據處理過程中應該注意的是，因為焓濕圖中僅僅包括了濕度與氣溫兩個物理因素之間的相關性，難以識別平均輻射溫度以及氣流速度等因素的影響，所以在焓濕圖策略中可以設定上述指標為恒定的，無限接近平均溫度。

3.4 能耗模擬結果分析

為深入判斷建筑物在運行過程中的能耗問題，考慮到照明、采暖、電梯、烹飪、空調以及家用電器的能耗都會影響節能效果，而在上述能耗中，占比最高的就是暖空空調系統（見表1），所以本文將針對暖通系統展開重點分析。結合EcotectAnalysis軟件模擬分析建筑物暖通空調的能耗，并在指示圖中展示其中的關鍵數據，即可判斷出建筑物的能耗運行參數。

表1 建筑物能耗的比例表

因此在選擇某年1月1日建筑物暖通空調系統的能耗問題后，從EcotectAnalysis軟件模擬結果中可以發現，在軟件中可以記錄當日室外溫度、太陽輻射強度以及風速等一系列氣象數據。最終模擬結果證明，建筑物在正午時的室外溫度超過1℃，此時太陽直射強度與散射強度達到峰值；在室內溫度檢測結果顯示，室內溫度的平均溫度約為19℃，結果證明室內溫度基本維持在一定區域內恒定，符合前期的設計結果。同時從建筑物的得熱情況來看（包括室內外溫差造成的得熱以及照射在圍護結構表面的太陽輻射所形成的得熱），結果顯示得熱主要集中在夏季，而冬季建筑物一直處于失熱狀態。因此根據這一結果可以認為，未來在建筑物改造中應確保建筑物的圍護結構有良好的隔熱性能，滿足江西地區的氣候要求，避免夏季溫度偏高影響居民舒適度；而在冬季則要關注建筑物的保溫性能，減少出現的熱量散失情況，減少室內外的溫度差。

同時在本文所選擇的1月1日背景下，整個建筑物獲得熱量的主要方法為太陽能直接得熱與建筑物內部直接熱，而失熱的主要途徑為通風或者維護結構傳導，所以根據這一結果應考慮到建筑物朝向等因素的影響，確保建筑物可以盡可能多接受太陽直射；同時應密切關注建筑物保溫隔熱性能的影響；最后要觀察通風換氣系統所造成的熱量損失問題，最終改善通風系統功能，盡可能回收換氣過程中所造成的熱量損失。

最后在默認狀態下，組件以組分的形式顯示可以計算1月1日當天不同時間段的暖通空調能耗。結果顯示在空調利用高峰期，暖通空調系統的耗電量與建筑物改造前相比下降約25%～30%。

4 結語

借助軟件分析方法可以正確判斷建筑物能耗問題，本文通過EcotectAnalysis軟件實現了某一低能耗建筑物的能耗分析，結果顯示該技術可以記錄不同時間段的能耗變化，通過比較改造前后的能耗數據評估節能改造工藝質量，具有滿意效果，值得關注。