建筑耗能计算机模拟分析

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本文作者：王芙蓉、文亮、王涛 单位：西安建筑科技大学建筑学院、中国建筑设计研究院

1（略）

利用计算机模拟，能够弥补传统设计方法对建筑能耗分析的不足，帮助建筑师直观地判断方案设计对于建筑能耗的影响，从而将建筑能耗成为建筑设计考虑的重要条件，在建筑的规划设计和单体设计过程中进行节能设计。从建筑全寿命周期来看，前期的方案设计阶段所做的决策对于建筑的能耗会产生重要的影响(图1)，对降低后期建筑运行的能耗具有重要意义。目前建筑模拟软件很多，本文采用Ecotect和Pheonics进行光环境和风环境模拟。

2西安市园丁花苑小区概况

2．1区位及规划布局

园丁花苑小区位于西安市灞桥区纺织城东北部，是灞桥区为广大教师建设的安居工程(图2)。整个小区规划用地面积265亩，全部工程分两期完成。一期工程由A、B两个区组成(图3)，占地5.68公顷，其中A区总用地面积2.23公顷，B区总用地面积3.45公顷，A，B区之间相隔一条宽约110m的绿地。

2．2建筑现状分析

本论文对A区进行了现状分析及改造。A区包含10栋6层住宅楼以及1栋6层办公楼，住宅总户数360户，建筑总面积约4500m2。建筑密度30%，基本采用行列式布局形式(图4)，是北方地区常采用的形式之一。住宅为多层板楼，砖混结构体系，都为6层，层高为2.8m。户型主要有A，B两种形式(图5，6)，均采用北向入户的布置。根据A，B两种户型的标准层平面可以看出，户型平面均南北通透，室内房间基本都面向南北开窗(山墙面有局部开窗)，内部主要使用空间(卧室、客厅)基本都朝南布置。阳台全部采用封闭阳台形式，立面没有进行遮阳设计。西安虽然属于寒冷地区，但夏季气候炎热，建筑设计过程中对遮阳以及自然通风考虑较少。根据调研结果，用户夏季空调安装与使用率有不断提高的趋势，因此本文主要对夏季的遮阳和自然通风进行模拟分析。

3规划布局模拟分析

3．1小区日照模拟

Ecotect提供了强大的日照分析功能，并且可视化较高，便于建筑师在方案阶段进行辅助分析和设计。首先建立建筑体量模型，导入西安地区的气象数据，便可以利用Ecotect中的“遮挡及日照时间”分析模块进行计算。我国标准是采用大寒日为日照时间，按照相关标准，大寒日的日照有效时间段为8点到16点。为此，将软件计算时间设置为8点到16点，开始日期和结束日期均选择1月20日。根据建筑一层的窗台高度将计算界面选择为1.6m高的水平平面。通过模拟便能够精确地得到计算界面内所有区域大寒日一天内的日照时间。

根据GB50180—93《城市居住区规划设计规范》应满足大寒日最低两小时的日照要求，对于西安地区，应该尽量争取较长的冬季日照时间以吸收太阳辐射。小区由于采取行列式布局，前排建筑东西间距较小，对后排建筑日照遮挡影响较大，除南面第一排建筑外的后排建筑都难以满足日照要求(图7)。在不改变建筑规划布局的前提下，通过对建筑南北间距的调整，所有住宅建筑南立面平均基本能达到3h以上的日照时间(图8)。

3．2小区风环境模拟

小区建筑布局中，需要考虑风环境的影响主要有两个方面，一是冬季的防风保温，另一是夏季的通风。西安地区受冬季风影响较小，风环境主要考虑夏季自然通风的利用。利用Pheonics软件作者对场地建筑群进行了模拟。

西安地区夏季盛行西南风，由于建筑布局的影响，通过模拟分析的结果可以观察到西南风气流经过行列式布局的建筑群体时，风向由于受到建筑的影响发生了改变，与建筑的表面相平行(图9)，给室内自然通风的组织带来了不利的影响。在单体设计时，需要考虑进行构造措施设计以增强自然通风效果。

4建筑单体模拟分析

4．1自然采光分析

利用Ecotect建立单体户型模型，首先对整个户型平面进行自然采光模拟，通过分析网格的设置计算结果会按照数值以网格显示(图10)。由于户型进深较大，给室内自然采光造成了不利的影响。默认情况下显示的是采光系数，同时程序还将在绘图区右侧显示出数据图例，室内照度的分布从窗口到室内逐步减小，其绝对值在100lux左右，基本满足房间自然采光要求，但由于其分布不均，特别是对于有阳台的卧室，由于阳台的遮阳作用对自然采光影响较大。同时，窗户和门洞的大小及形式会对自然采光的效果产生影响，例如卧室采用的是单扇1m宽木门，通过改变卧室开门的形式，将单扇门改为1.5m宽双层玻璃双扇推拉门，卧室的自然采光效果能够得到有效的提升(图11)。

4．2遮阳分析

从建筑单体的现状调研来看，住宅南向使用房间除阳台外没有任何遮阳措施。遮阳措施能够减少太阳的直射，减少由窗户所吸收的太阳辐射，在夏季提高室内舒适度的同时，可以有效地减少空调等电器的使用从而降低用电消耗。理想的遮阳措施应当减少夏季太阳直射，同时不影响冬季太阳辐射的吸收，通过冬夏两季太阳入射高度角的差异能够实现这一要求(图12，13)。利用Ecotect的太阳辐射分析可以对南向开窗冬夏两季所接受的太阳辐射进行模拟计算。对南向卧室开窗进行模拟分析得出:夏季(6月1号到8月30号)直接吸收的太阳辐射总量为340078.94Wh，冬季(12月1号到2月30号)为139167.4Wh(图14，15)。通过Ecotect自动生成水平百叶遮阳构件(图16)，其尺寸为1.8m×1.7m。自动生成的水平百叶夏季太阳辐射总量为139167.4Wh，冬季为58743.85Wh，在夏季太阳辐射降低了59%的同时，冬季的太阳辐射量也降低了58%，从经济上分析明显不划算。西安地区大寒日的太阳高度角大约为33度，大暑日太阳高度角约为77度。

根据大暑日太阳高度角以及窗户高度，利用三角函数求得遮阳板宽度约为0.3m，由于高度角采用的是最大值，适当增加宽度采用0.4m(图17)，然后对其进行模拟计算。将遮阳板宽度改为0.4m之后，窗户夏季吸收太阳辐射总量为189419.59Wh，冬季为115102.95Wh。同不采用任何遮阳措施相比，夏天吸收的太阳辐射总量减少了44.4%，冬季吸收的太阳辐射总量则减少了17.3%，总体来看，对于减少夏季太阳辐射起到了明显的作用，同时对于冬季吸收太阳辐射影响较小，可以为设计方案提供依据。

4．3室内通风模拟

通过之前的小区风环境模拟，已分析出由于受建筑群体布局的影响，夏季盛行的西南风经过小区时风向与后排建筑平行，入射角变为0度，给户内的通风造成了不利影响。利用PHOENICS软件，假设夏季西南风环境下，作者对户型A的南向卧室进行了模拟(图18)。可以观察到，当外部气流与窗户平行时，室内很难形成有效的自然通风，需要利用构造措施增强自然通风效果，在窗户外部加设宽度0.4m的竖向导风板，再次对室内自然通风进行模拟(图19)，室内的自然通风效果得到了显著的提升，平均风速增长了1倍，但由于进风口和出风口位置都靠向一侧，导致了室内风速分布不均，存在明显死角。

通过调整窗户位置，对窗户靠另一侧设置(图20)和居中设置(图21)的两种情况进行模拟。在窗户洞口大小不变的前提下，窗户居中时室内自然通风分布及平均风速能够获得更好的效果。为了对导风板的导风作用做进一步的分析，还对导风板不同宽度条件下的导风效果进行了试验分析。当导风板宽度0.2m，0.4m，0.6m和0.8m时，室内气流环境如图22～25所示。当导风板宽度为0.2m时，对增强室内自然通风效果影响较小;当导风板宽度为0．4～0.8m时，随着导风板宽度增加室内平均风速有所增加，但总体效果不太明显。结合之前遮阳板的宽度，选取挡风板宽度为0.4m。

5方案设计改造

以上的日照以及风环境分析，可以了解到如何在建筑布局中利用模拟技术掌握场地的日照环境和光环境，从而根据需要进行建筑布局调整，以及在建筑单体设计中，考虑自然采光、遮阳和自然通风等条件，进行节能设计。通过模拟分析，结合遮阳板、导风板、空调机的安装需求，进行了立面的构造措施设计。0．4m宽水平遮阳板能够遮挡夏季太阳的直射，同时不影响冬季太阳辐射的吸收，东侧竖直挡风板能够增强自然通风效果，西侧竖直活动百叶能够根据遮阳或通风的需求进行调节，窗台底部能够进行室外空调机的安装(图26，27)。

6结论

本文通过实例应用计算机模拟对住宅区的规划和单体进行日照和风环境分析，从而将建筑节能作为考虑条件进行方案设计。对于计算机模拟手段，从发展的趋势来看，今后将被越来越多地应用