建筑节能案例教学模拟计算的应用

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摘要:围绕社会经济发展对人才需求、着力构建素质养成、知识传授、能力培养和创新创业教育“四位一体”的课程体系。建筑节能教学过程中需要融入大量教学实例，将实践案例引入建筑节能课程教学不失为提高教学质量的有效办法。采用建筑节能设计软件，设计建筑模型中的相关参数，对设计建筑围护结构的外墙和屋顶部位进行改造，重新建模并且进行了相应的能耗模拟，验证结构及材料节能设计效果，提高节能效率，对围护结构各节点处进行了结露分析，得到良好传湿状况下的围护结构设计模型，求解设计建筑的全年及逐时冷热负荷值，依据冷热负荷值的分布情况，可以指导后期室内热湿处理设备的选型与运行，达到良好的建筑设备节能处理的目的。

关键词:建筑节能;模拟计算软件;节能设计;能耗分析

我国改革开放促使经济高速发展，取得了巨大成就，同时也带来了能源消费和污染排量的大幅增加，而在能源消费量中建筑能源消耗占30%以上。能源的消耗、气候的变化、大气的污染，严重影响到我国多方面的可持续发展状况和人民的身心健康。发展建筑节能领域不仅是为解决能源的日益短缺做出贡献，更是要为人类应对全球气候的变化、人类与自然间的和谐相处做出贡献，所以大力推进绿色节能建筑、可再生能源利用，走可持续发展路线，势在必行。目前我国仍处在城镇化进程持续推进的发展时期，伴随而来的是建筑行业及相关产业持续强劲的发展，建筑能源消耗的比例将会持续增加。根据数据统计，中国的建筑能源消耗占消费能源总量的比例已经从1978年的10%提高到2015年的30%，并且还会持续上升到35%左右，甚至会超过35%。因此开展建筑节能方面的研究工作必将会成为影响能源的安全利用、优化能源取用的产业结构、充分增加能源的利用效率的重要因素，也成为贯彻我国实施资源利用并且能够可持续发展资源利用的关键影响因素。与同纬度许多发达的国家相比较，我国季节温差较大，并且南方的建筑外环境中空气湿度较高，而在这样的高热高湿的建筑室外热环境下，围护结构的保温隔热及传湿性能却不及许多发达国家。致使后期只能利用建筑设备处理室内的热湿环境才能达到室内人体舒适的要求，而使用建筑设备的施工及运行要消费大量的能源。这一问题为学界所关注，许多学者在围护结构节能方面做了研究［1－9］。建筑节能原理与应用课程是建筑环境与能源应用工程专业的必修课程，是综合性较强、多学科内容高度交叉的一门课程，不仅涉及到建筑材料、建筑结构、建筑学等工科知识，而且和经济学、管理学、社会学等人文学科紧密相关［10－13］。教学过程中需要涉及很多实践内容，但是由于学时所限，没有过多的时间在课堂教学中进行详细的案例分析，笔者针对建筑节能课程中最基本的节能处理，即围护结构节能设计，将软件模拟计算融入案例教学中，使学生初步了解围护结构节能设计软件使用方法的同时，将节能理念、方法及知识融入其中，使学生既掌握节能的理论知识，也提高了学生对墙体和屋顶等部位建筑节能综合设计分析及应用的能力。

1墙体和屋顶节能优化设计

研究采用的是PKPM建筑节能设计软件，该软件有建模、编辑模型、节能设计、节能计算等模块。为了使课程中的所举案例具有很好的代表性，设计了一幢五层办公建筑如图1所示。建筑模型围护结构材料及其热工参数，如表1所示;开展了对建筑模型中外墙和屋顶结构的保温性能优化。优化方法是利用新的倒置式屋顶替代原来的平层屋顶，并且在屋顶表面铺设绿色植物，根据墙体围护结构的不同朝向变换保温板的厚度［14］。选取表1中相关的材料在节能软件中进行了改造后建模，开展了建筑能耗模拟计算分析，并且对比分析了原来的标准建筑能耗。

2外围护结构结露分析

在分析建筑围护结构中的热桥部位时，选取了20万个温度节点，详细获取了关于温度的分布、边界热流强度及露点温度等信息的充分研究数据。通过计算获得热桥节点处温度场分布情况如图2所示。从图2中直接可以得到不同节点处内表面最低温度值所在之处(而此处的温度值如果应用建筑节能理论公式进行计算获取是比较困难的)。对于各节点的内表面，当知道最低温度值处，可以和该处的露点温度值进行比较，依据此表面最低温度值是否低于露点温度值来判定是否会发生内表面冷凝，如图2中的a图可以在软件中通过坐标定标外墙－屋顶节点处的温度值为17.8℃，而露点温度值为14.6℃，所以外墙－屋顶节点处不会发生内表面冷凝情况。以此类推分析图2中的b、c、d、e、f图节点温度和露点温度的关系情况，如果通过比对分析某处出现了内表面冷凝，则后期可以针对此处更好地加强保温处理设计，从而可以预防各热桥节点内发生表面冷凝现象。

3传热量及逐时负荷模拟分析

一般在节能计算软件中，有的模块是可以对建筑进行能耗分析的［15］。根据该建筑物所在地区，可以查阅到该地建筑气候分区的数据，并依据国家规范或当地规范建筑节能目标的要求，对由各种不同材料构成和使用设备不同的多种建筑模型进行热工性能的计算，对一年的逐时负荷进行能耗模拟计算，比较得到设计建筑相对于参照建筑各指标的降低率，从而在最终的能耗效果上给出相对节能率，并且可以用来判断不同建筑设计模型的优劣。图3为设计建筑和参照建筑年负荷大小的比较图。在相同的供暖和空调设备运行情况下，计算模拟软件可以得到设计建筑和参照建筑全年建筑的负荷，如表2所示。通过比较分析，得出结论:在优化外墙、屋顶、外窗等结构后，负荷出现降低，且降低幅度可以达到25.16%。通过表2和图4分析对比可以获知，设计建筑相对于参照建筑的各分项传热量，包括外墙、屋顶、外窗等都有不同程度的降低，其中，外墙部位大约降低了37.21%，房屋顶部大约降低了46.58%，外窗部位大约降低了35.91%，降低传热量的效果比较显著。从图5和图6设计建筑和参照建筑的负荷对比，可以得到设计建筑相对于参照建筑在一年中各月份的负荷都会有不同程度的降低。在图5中，五月份过后，冷负荷增加迅速，大约到七八月份达到了冷负荷的最高值。而由图6所示，可以看出在一年中七八月份是所需供热量值最低的时间段，而从十二月份直到来年的一到三月份这个时间段，如果要保证人体对建筑室环境舒适度的需求，就需要向建筑室内供给大量的热量。由图表的统计数据状况，能够相对比较清晰地获知:当需要满足人体对室内环境相对舒适要求的条件时，建筑物室内环境所需要设备供应的最大冷、热量值，以及可以预测达到该值所需时长，这些结论对于后期该建筑物在满足人体舒适、健康并且达到良好的休息状态，或是很好的工作效率的要求下需要处理室内空气热湿的制冷、采暖等设备的选型方案，具有相当重要的指导意义。通过图7和图8可知建筑室内冷热负荷的逐时变化情况，以及建筑物的最大冷热负荷值的大小和发生的时间，这些信息可以很好地指导空气调节器、采暖等设备的选用，防止在选用的制冷、采暖等设备器件选型上出现选小或者选大的现象，对降低该建筑物的总体投入费用给予了很好的指导作用。在将设计的建筑与参照的建筑进行全年负荷运行效果的比较时，也给出了屋顶、外窗、外墙等部位的传热系数值的大小。优化后的设计方案，用倒置式和绿色屋顶代替原来的平屋顶，屋顶的传热系数降低了35.55%。外墙部位通过朝向和墙体保温层的厚度的改变，并且在外墙的外表面喷涂阻隔传热性能的增加热阻的涂料，从而降低外墙的传热系数，如表3所示。

4结论

结合建筑节能课程中需要讲解的建筑围护结构(包括墙体和屋顶等)设计工程案例，摒弃了传统教学中满堂灌的讲解建筑围护结构节能知识，利用建筑节能设计软件对设计建筑和参考建筑中的传热阻、传热系数等相关参数进行分析计算。从而可以从理论知识分析和实践内容两方面同时指导学生进行建筑节能设计，采用PKPM建筑节能设计软件，对设计建筑进行能耗模拟，验证节能设计效果，提高节能效率，求解全年及逐时冷热负荷值，指导设备的选型与运行。总之，在建筑节能课程中运用节能模拟软件对屋顶、外墙、外窗等围护结构部位进行的建筑节能情况的分析研究，既促使学生掌握了相关围护结构建筑节能的理论知识，又培养了学生对建筑节能进行综合分析的能力。

作者：杜传梅 李浩 单位：安徽理工大学