基于DeST 模擬的綠色檔案館建筑外墻優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

閆冬 劉素芳 張銳

（南陽理工學(xué)院建筑學(xué)院，河南 南陽 473004）

隨著國家經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，檔案館建筑的設(shè)計(jì)理念已從保密、封閉轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放、共享、綠色、和諧。國家檔案局于2019 年9 月正式實(shí)施了《綠色檔案館建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》，該評價標(biāo)準(zhǔn)對綠色檔案館的建設(shè)起到了積極的引領(lǐng)作用[1]。

由于檔案館建筑的外墻在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中占較大的比重，它的優(yōu)化設(shè)計(jì)往往會對檔案館建筑的能耗產(chǎn)生較大影響[2]。因此，本文選取了檔案館建筑的外墻作為研究對象，以桐柏縣檔案館改擴(kuò)建方案為例，以DeST 軟件為研究工具，對其外墻在不同變量下的能源消耗進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，從而探索出綠色檔案館建筑外墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。

1 項(xiàng)目簡介及初始模型的建立與分析

1.1 項(xiàng)目簡介

該項(xiàng)目位于南陽市桐柏縣三元大道以北、太白路以南、書香路東側(cè)，項(xiàng)目的北側(cè)和東側(cè)為居住小區(qū)，南側(cè)為桐柏縣人民政府。桐柏縣檔案館由儲藏部分、技術(shù)加工部分、辦公部分和公共部分等組成，建筑規(guī)模為中型縣級檔案館。原檔案館由于年久失修被拆除，剩余兩棟辦公樓，所建檔案館在兩棟辦公樓之間（圖1）。目前，方案設(shè)計(jì)文本已基本完成，本文計(jì)劃以此方案文本為基礎(chǔ)，探索建筑外墻構(gòu)造層次的多種可能性，以達(dá)到建筑方案優(yōu)化的目的。

圖1 桐柏縣檔案館現(xiàn)狀

本文選取的是DeST 模擬軟件，DeST（Designer’s Simulation Toolkits）是由清華大學(xué)自主研發(fā)的能耗模擬軟件，這是我國唯一一個具有世界級先進(jìn)水準(zhǔn)的建筑能耗模擬工具，它以“分階段模擬”為理念，通過連接系統(tǒng)與建筑物，DeST 可以用于詳盡地分析建筑物的熱特性，也可以模擬出系統(tǒng)性能，且DeST 的所有模擬與計(jì)算工作都是在Auto-CAD 開發(fā)的用戶界面基礎(chǔ)上進(jìn)行，較易掌握[3]。

1.2 初始模型的建立

本文根據(jù)方案文本的技術(shù)圖紙進(jìn)行初始模型的創(chuàng)建，檔案館建筑初始模型的參數(shù)是依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》并結(jié)合實(shí)地調(diào)研情況而設(shè)定，其中室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度根據(jù)軟件已有的該類型房間的最高和最低溫度確定，同時對辦公人員作息以及燈光設(shè)備等也進(jìn)行了參數(shù)設(shè)定（圖2、圖3）。其中軟件設(shè)置的采暖季開始日期為11 月15 日，結(jié)束日期為翌年的3月15 日；空調(diào)季開始日期為6 月1 日，結(jié)束日期為8 月31日。總建筑空調(diào)面積為8141.20m2。

圖2 初始模型1

圖3 初始模型2

初始模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定，是根據(jù)現(xiàn)有檔案館圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，結(jié)合DeST 軟件內(nèi)部給出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)層次而定的，從而得到初始模型的熱工參數(shù)值。本文以此為基準(zhǔn)進(jìn)行能耗模擬計(jì)算，為下文多方案對比打下基礎(chǔ)。

其中外墻為最簡單且無節(jié)能措施的240mm 磚墻+20mm 石灰砂漿；屋面為15mm 水泥砂漿+120mm 鋼筋混凝土+200mm 膨脹珍珠巖+20mm 水泥砂漿；樓板為25mm 水泥砂漿+100mm 鋼筋混凝土+20mm 水泥砂漿；分戶墻、樓梯間隔為20mmFTC 保溫砂漿+200mm 加氣混凝土+20mmFTC 保溫砂漿（表1、表2）。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)

表2 各工況性能指標(biāo)

1.3 初始模型的能耗分析

對未采用外墻節(jié)能措施的初始模型進(jìn)行能耗分析，結(jié)果顯示，在外墻為240mm 磚墻+20mm 石灰砂漿的初始模型能耗模擬下，全年最大熱負(fù)荷為445.4kW，累計(jì)熱負(fù)荷為401342.44kW，全年最大冷負(fù)荷為515kW，累計(jì)冷負(fù)荷為435330.20kW。單位面積空調(diào)冷負(fù)荷在8 月達(dá)到峰值，為63.26W/m2，單元面積空調(diào)熱負(fù)荷在12 月達(dá)到峰值，為54.38W/m2。由此可見，初始模型相對于低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)，差距較大。

2 建筑外墻多變量能耗模擬分析

建筑外墻在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中占有較大比例，而外墻設(shè)計(jì)首先應(yīng)保證室內(nèi)熱損失的減少，即盡可能地做到墻體的保溫隔熱，增大墻體的傳熱阻。要達(dá)到這樣的目的，其一是增加結(jié)構(gòu)層的材料性能；其二是使用保溫體系。本文以240mm 磚墻作為結(jié)構(gòu)層材料，即通過改變保溫材料類型和厚度來改變外墻傳統(tǒng)系數(shù)的方式，并其能耗進(jìn)行模擬對比。其中，保溫材料的厚度以30mm 為梯度，即模擬30mm、60mm、90mm三種厚度；保溫層采用聚苯板內(nèi)保溫、膨脹珍珠巖和膨脹蛭石三種保溫材料[4-5]。

采用全年累計(jì)負(fù)荷指標(biāo)來分析其對建筑負(fù)荷的影響關(guān)系。

工況1：純石膏板+ 聚苯板+ 純石膏板+240mm 磚墻；將初始模型外墻改變?yōu)榇朔N構(gòu)造方式，結(jié)果顯示：全年最大熱負(fù)荷為333.3kW，累計(jì)熱負(fù)荷為244813.43kW，全年最大冷負(fù)荷為480.59kW，累計(jì)熱負(fù)荷為448903.73kW。單位面積空調(diào)冷負(fù)荷在8 月達(dá)到峰值，為59.03W/m2，單元面積空調(diào)熱負(fù)荷在12 月達(dá)到峰值，為40.93W/m2（表3）。

表3 工況1 模擬結(jié)果（來源：軟件導(dǎo)出）

工況2：20mm 水泥砂漿+240mm 磚墻+ 膨脹珍珠巖+30mm無水泥纖維板。將模型外墻改變?yōu)榇朔N構(gòu)造方式，結(jié)果顯示：此種情況全年最大熱負(fù)荷為351.22kW，累計(jì)熱負(fù)荷為269765.96kW，全年最大冷負(fù)荷為482.52kW，累計(jì)冷負(fù)荷為445307.38kW。單位面積空調(diào)冷負(fù)荷在8 月達(dá)到峰值，為59.27W/m2，單元面積空調(diào)熱負(fù)荷在12 月達(dá)到峰值，為43.14W/m2（表4）。

表4 工況2 模擬結(jié)果（來源：軟件導(dǎo)出）

工況3：20mm 水泥砂漿+240mm 磚墻+ 膨脹蛭石+30mm 無水泥纖維板。將模型外墻改變?yōu)榇朔N構(gòu)造方式，結(jié)果顯示：此種情況全年最大熱負(fù)荷為355.76kW，累計(jì)熱負(fù)荷為276200.80kW，全年最大冷負(fù)荷為483.12kW，累計(jì)冷負(fù)荷為444549.34kW。單位面積空調(diào)冷負(fù)荷在8 月達(dá)到峰值，為59.34W/m2，單元面積空調(diào)熱負(fù)荷在12 月達(dá)到峰值，為43.70W/m2（表5）。

表5 工況3 模擬結(jié)果（來源：軟件導(dǎo)出）

3 模擬結(jié)果分析

從以上的模擬結(jié)果可以看出，在保持其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)變量不變，且模擬外墻為240磚墻，保溫層在30mm、60mm、90mm厚度的情況下（因限于篇幅未列出計(jì)算結(jié)果），全年最大熱負(fù)荷、冷負(fù)荷以及單位面積空調(diào)冷熱負(fù)荷都有所降低。因此可以得出保溫層厚度逐漸增加時，建筑能耗呈遞減趨勢。

從工況1、2、3 與初始模型的能耗對比結(jié)果可以看出，有無保溫結(jié)構(gòu)對檔案館建筑的能耗影響較大，有保溫的情況下，累計(jì)熱負(fù)荷減少將近一半，而對全年累計(jì)冷負(fù)荷卻影響不明顯。工況1、2、3 的對比中可以看出，相同厚度的保溫材料，如30mm 膨脹珍珠巖和30mm 膨脹蛭石，能耗模擬結(jié)果相近。雖然如此，但也可以看到，工況1，純石膏板+ 聚苯板+ 純石膏板+240mm 磚墻這種構(gòu)造層次下，建筑能耗最低。因此為了達(dá)到更好的節(jié)能效果，應(yīng)采用聚苯板內(nèi)保溫這種外墻構(gòu)造層次。

4 總結(jié)

檔案館建筑在我國發(fā)展迅速，如何設(shè)計(jì)出更加綠色低能耗的檔案館是工程設(shè)計(jì)人員需要考慮的問題。為保障檔案館內(nèi)的建筑環(huán)境，應(yīng)該對檔案館建筑進(jìn)行一些改造設(shè)計(jì)，提高檔案館建筑的節(jié)能率。低能耗建筑在我國還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但建筑外墻的保溫性能直接影響到建筑能耗指標(biāo)的大小，本文意在通過多工況下建筑全年能耗的對比模擬，選出最優(yōu)外墻組合方案。

但是工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，可以看出即使在最低能耗的外墻組合方式中，其單位面積空調(diào)熱負(fù)荷和冷負(fù)荷仍然較高。本文限于篇幅只做了對于外墻的粗淺研究，未來在設(shè)計(jì)實(shí)踐中還會加以補(bǔ)充，屋頂、門窗、內(nèi)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)都需要與建筑外墻一樣進(jìn)行多變量的對比分析。同時配合其他設(shè)計(jì)方法，以選出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)組合方式，據(jù)此，只有對檔案館建筑的節(jié)能設(shè)施進(jìn)行改造，是綠色檔案館建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的“最優(yōu)解”。以期能通過此方法最大限度地降低檔案館建筑的能耗，降低碳排放，為綠色檔案館建筑設(shè)計(jì)做出積極貢獻(xiàn)。