Ecotect熱環境模擬下老舊教學樓圍護結構節能改造研究

王欽渝 徐偉

（武漢工程大學土木工程與建筑學院）

隨著社會不斷地向前邁進以及工業化水平的提高，同時伴隨著的還有愈發緊張的資源和環境問題。根據中國建筑節能協會發布的《中國建筑能耗報告》顯示，我國建筑全生命周期內的能耗占據全國能源消耗總量的45.5%，建筑碳排放比重達到了全國碳排放的51%[1]。比2010 年增加了約12%。因此，如何在建設資源節約型社會的過程中，減少建筑行業的能源消耗以及提升建筑的可持續發展能力顯得十分重要。

我國目前的高校老舊建筑存量極大，設計到建筑種類也很多，且能耗較高，無法滿足現在對可持續發展的要求，而隨著高校校園建設力度的不斷加大，這些問題會進一步的凸顯出來。在這種情況下，對大學校園內老舊建筑進行綠色節能改造研究的潛力是巨大的。同時，眾多高校內的綠色建筑都存在著技術堆疊問題，中國地區氣候差異性大，要針對不同氣候區，不同類型的高校，結合實際給出合適的綠色建筑技術策略[2]。因此，研究如何利用綠色建筑技術對高校內老舊建筑進行改造具有很大的實際意義。

建筑能耗分析軟件有許多，本文選取的綠色建筑分析軟件Ecotect 是一個全面的技術性能分析軟件，其采用準入系數法，能進行動態運算，便于給出準確的數據方案[3]。在運用Ecotect 進行建筑初始階段模擬，可以有效地通過計算機參數化空間模擬對建筑進行性能方面的預測，在可視化頁面中直觀地進行改造方案的分析比較，以得出最優的改造設計方案。本文基于綠色建筑理念并采用Ecotect 建筑分析軟件，以武漢市某高校第二教學樓為分析對象，結合武漢地區的氣象數據資料，對其進行能耗和得熱分析，并從改造圍護結構的角度出發，對改造前后的教學樓進行熱環境模擬分析，得出適用于原建筑所在夏熱冬冷地區老舊建筑節能改造的建議。

1 改造前教學樓熱環境分析

1.1 建筑概況

本文選擇武漢市某高校內第二教學樓作為研究對象，該建筑由兩部分組成，分別為教學區和辦公區，其結構呈U 型，面積約為2110m2，每層層高均為3.9m，共計5層。通過實際調研，發現建筑存在著以下問題：

⑴該教學樓建筑外墻為磚混結構，局部外墻表面有磨損及老化現象，保溫隔熱性能差，教學樓夏季受太陽輻射強烈，室內熱舒適性差。外窗為老式窗，且只采用窗簾遮陽，既不能在夏季很好的阻隔熱量，在冬季也不能起到良好的保溫作用。

⑵屋面保溫隔熱做法老舊，材料設施退化，在教學樓五樓內部時，能明顯的感覺到氣溫比處于低層時更加高。

⑶耗水量以及用電量巨大，存在有許多教室內的照明燈和空調空運行現象，缺乏合適的節約監管平臺與機制。

1.2 前期分析

項目處于湖北武漢，武漢是典型的夏熱冬冷代表城市，氣候特點是夏季炎熱冬季寒冷，雨量充沛，年均氣溫在15.8℃-17.5℃，其中一月為最冷月，平均氣溫在3℃，7 月為最熱月，平均氣溫在29.3℃，因其水系發達、山水融合的城市特點，冬季又較為濕冷，因此改造在考慮夏季隔熱遮陽的同時也要考慮冬季的保溫。由于建造時間較為久遠存在著建筑表明老化、室內人體舒適性差且能耗較大等問題，僅通過常用更新手法如外立面刷漆和室內裝飾更新無法解決根本問題，需要對整棟教學樓整體進行適宜性的節能改造。

1.3 模擬分析

首先在建模軟件SketchUp 中建立模型，隨后導出為obj.格式，再導入進ecotect 軟件中，模型效果如圖1 所示。按照教學樓的圍護結構的構造賦予相應的材質，并在軟件中導入武漢地區的氣象資料，進行建筑熱環境分析。

1.3.1教學樓逐月能耗分析

建筑物建成后的能源消耗的總量叫做建筑能耗，包括照明、采暖、空調洗衣做飯等，其中，制暖和空調系統占據了相當大一部分比重。在Ecotect 軟件中，將各結構分別賦予相應的材質以及參數，再設置好建筑內的熱工屬性。將建筑內各區域可能存在人員按比例進行設置，空調系統設為自然通風，人員散熱量為65W，衣著量為1.0，相對濕度為65%，調參后對教學樓典型空間進行分析并模擬出能耗，結果見圖2。從圖中可以看出不同月份教學樓的總能耗量，其中，8～9月以及11月-3月的能耗較大，結果表明教學樓的夏季制冷能耗以及冬季采暖能耗都很高，因此在改造設計時要特別針對教學樓改進其保溫隔熱措施。

圖2 改造前教學樓逐月能耗分析

1.3.2逐時得熱分析

逐時得熱分析分別包括暖通負荷、圍護結構傳導、綜合溫度 太陽直射、通風設備、內部和區域間七個部分[4]，以2月12日為例，分析教學樓在一天24h內熱量的變化，單位為瓦特（W）。可以發現，對于整棟建筑來說，太陽直射是建筑得熱的主要途徑，室內和通風得失熱量的影響基本趨于穩定，而對建筑物在冬季造成影響最大的是暖通和圍護結構系統，失熱量過多，反映了圍護結構的保溫措施需要改進。

在Ecotect 逐時得熱分析界面中對教學樓的熱環境分析后發現，武漢地區冬季氣溫寒冷，能耗也較高，不利于保證人體舒適性，在節能改造中應該著重考慮冬季保溫。

2 改造后教學樓熱環境分析

針對高校老舊建筑進行更新改造，要考慮到所處不同地區的氣候環境差異，對于夏熱冬冷地區而言，要著重關注其保溫隔熱性能，其對降低建筑能耗和提高建筑室內舒適性有著顯著的影響[5]。對于老舊建筑來說，對其圍護結構進行優化改造是一個簡易有效的辦法。通常情況下對于圍護結構的改造主要集中在墻體、屋面和窗戶，結合本項目，采取墻體改造方案。墻體作為建筑物的外衣，其保溫、隔熱性能的提升是建筑節能的重點。建筑墻體的性能要求針對全國不同氣候地區有所區別，北方寒冷地區更注重墻體的保溫性能，而墻體的隔熱性則是南方夏熱冬暖地區首要的考慮因素，至于夏熱冬冷地區則是兩者兼顧。墻體保溫性能的提升在于其保溫層的設置，主要做法有外墻的外保溫、內保溫和夾心保溫三種[6]。其中外墻外保溫的保溫效果最好，綜合經濟效益最高，施工不影響建筑使用，因此高校建筑外墻的節能改造宜采用此種方式。

對于本項目建筑外墻，考慮在外墻主題外側增鋪礦棉。在運用Ecotect 進行模擬時，要根據材料的比熱容、密度和導熱系數改變材料的U 值。教學樓原有外墻U 值為1.880W/m2·K，優化改造后采用的礦棉保溫材料U值為0.920W/m2·K，模擬能耗分析結果見圖3。

圖3 改造后教學樓逐月能耗分析

根據模擬結果可知，通過改變建筑外墻的圍護結構材質可以顯著降低該教學樓的建筑能耗，因此本項目的優化方案以改變外墻圍護結構為主。

3 優化改造比較分析

通過對建筑圍護結構進行改造，改變其導熱傳熱的性能，運用Ecotect 建筑分析軟件對其改造前后進行熱環境分析，得出最終優化改造后的結果。

3.1 能耗對比

從改造前后教學樓能耗分析圖（圖4）可知，在對外墻鋪設礦棉后，教學樓的全年建筑能耗比改造前的全年建筑能耗有明顯下降。通過對能耗進行細分分析，從圖5 中可以看出夏冬兩季建筑能耗顯著降低，這表明對教學樓外墻的優化改造有效地降低了建筑的全年能耗。

圖4 改造前后教學樓能耗分析

圖5 改造前后教學樓逐月能耗分析

3.2 得熱分析對比

從教學樓改造前得熱分析圖（圖6）和教學樓改造后得熱分析圖（圖7）可以明顯看出，在對外墻進行改造后，暖通負荷、圍護結構傳熱以及太陽直射帶來的得熱量明顯下降。通過對老舊建筑的圍護結構進行改造,可以顯著提升其保溫隔熱性能,從而降低建筑能耗。

圖6 改造前教學樓得熱能耗分析

圖7 改造后教學樓得熱能耗分析

4 結論

通過Ecotect 對武漢市某高校教學樓圍護結構節能改造方案進行建筑能耗和建筑得失熱情況分析，可以得出結論：

⑴在老舊建筑圍護結構節能改造中，外墻通過改造可以降低圍護結構的U 值，同時提升圍護結構的保溫隔熱能力，改造后建筑物的能耗相比于改造前降低了49%，同時室內熱環境效果得到了提高；

⑵逐月能耗分析的模擬結果反映出圍護結構節能改造在夏冬兩季的效果要優于春秋季節，能耗降低更加顯著，說明夏熱冬冷地區的節能改造潛力仍然十分巨大。