結(jié)合仿真模擬技術(shù)看建筑節(jié)能

丹華水利環(huán)境技術(shù)（上海）有限公司 孫 婭

0 引言

在建筑的建造和使用過程中，需要消耗大量的自然資源，同時增加環(huán)境負荷。據(jù)統(tǒng)計，人類從自然界獲得的50%以上物質(zhì)原料是用來建造各類建筑及其附屬設備。這些建筑在建造和使用過程中又消耗了全球能量的50%左右；與建筑有關的空氣污染、光污染、電磁污染等占環(huán)境總體污染的34%；建筑垃圾占人類活動產(chǎn)生垃圾總量的40%。我國政府從基本國情出發(fā)，從人與自然和諧發(fā)展、節(jié)約能源、有效利用資源和保護環(huán)境的角度，提出發(fā)展“節(jié)能省地型住宅和公共建筑”，主要內(nèi)容是節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材與環(huán)境保護，注重以人為本，強調(diào)可持續(xù)發(fā)展。隨著《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB 50189-2005）和《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378－2006）的先后實施,為我國節(jié)能建筑和綠色建筑提供設計依據(jù)。綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、保護環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。但是，我國綠色建筑技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化目前處于起步階段，大量基礎性研究工作存在空白，舶來技術(shù)有待本土化，普遍缺乏綠色建筑設計經(jīng)驗。

1 綠化環(huán)境與建筑節(jié)能

在夏季，人們認為受太陽照射得熱較多的應該是南向窗口，事實上玻璃的熱量顯然不是從直射的陽光中來的，認真觀察就能看到：大量的熱量是從地面、其他低矮建筑的樓頂發(fā)射出來的遠紅外輻射。如夏季的深圳地面、道路、樓頂?shù)臏囟瓤蛇_到70℃，其輻射能力很強，能量集中在長波紅外波段。而玻璃對長波紅外線又是幾乎完全吸收的，造成了玻璃表面溫度很高，繼而向室內(nèi)大量傳熱。

我們結(jié)合上海市某項目，通過CFD仿真模擬分析了兩種方案，其溫度的分布如圖1、圖2所示。可以看出，如果考慮了擋板、風幕、樹屏的作用，室內(nèi)溫度會在原有空調(diào)系統(tǒng)下有所降低。故綠化的環(huán)境和建筑設計的結(jié)合不僅僅體現(xiàn)在美觀的外表上面，更是在節(jié)能方面體現(xiàn)出不可磨滅的功效。

圖2中明顯可以看出在添加的擋板、風幕以及樹屏后，室內(nèi)溫度明顯下降。圖中豎直線處都是擋板所在位置，水平直線是風幕所在位置，該方案與圖1比降低了溫度，從而大大降低了建筑的空調(diào)能耗，節(jié)能節(jié)電。由此可見裸露的馬路、廣場、低矮建筑屋頂是城市“熱島”的主要熱源和熱輻射源，使鄰近的高層建筑深受其害。因此建議對于馬路、廣場等有條件的公共設施實施綠化，減少象征現(xiàn)代、氣派的大面積裸露廣場。也建議政府在政策上加以引導。綠化有助于節(jié)能與和諧發(fā)展。

2 值得關注的窗節(jié)能

一般來說，外墻、窗戶、其他傳熱和滲漏風帶來的損耗是圍護損耗的四大部分，其中與窗直接相關的有窗傳熱和滲漏風，其能耗將近占圍護損耗的一半甚至更多。因此，建筑節(jié)能首先應該重視窗的節(jié)能問題。窗的傳熱包括傳導和輻射兩部分，在降低窗傳熱系數(shù)上，目前可行的辦法有中空玻璃和雙層窗。在降低輻射上，采暖期希望盡量增加輻射得熱，而夏季則反之。可見高科技的Low-E玻璃并非放之四海而皆準，更不能輕信“節(jié)能40%”之類的片面之辭，采用前一定要認真分析。對于來自窗戶的滲漏風，則主要是考慮窗戶的類型和相關工藝。同樣，我們可以利用計算機來模擬各種方案進行對比，以選取最佳方案。以下我們結(jié)合上海某建筑的能耗模擬的結(jié)果來進一步了解窗戶對建筑節(jié)能的重要作用。其建筑模型示意圖如圖3所示。而圖4是模型窗戶不同選型能耗比較。

圖4中節(jié)能率的計算是通過節(jié)能設計指標50%（參照建筑與原有建筑相比，在通過采用增強建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能和提高采暖、空調(diào)設備能耗比的節(jié)能措施，在保證相同的室內(nèi)熱環(huán)境指標的前提下，與未采取節(jié)能措施前相比，采暖、空調(diào)能耗應節(jié)約50%。）而得出來的。可以通過以下簡單公式表述：節(jié)能率=(1-設計能耗/2＊參照能耗)%

3 自然通風和空調(diào)節(jié)能

除了圍護負荷外，空調(diào)負荷中，設計新風負荷一般占總負荷的20%～30%，有些場合甚至超過50%。降低負荷，能夠從總體上降低總能耗。新風負荷節(jié)能被認為是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的主要內(nèi)容。其途徑主要有合理配置新風和能量回收。對于已經(jīng)建成的系統(tǒng)，采用能量回收是最容易實施的改造手段。而我國很多的中央空調(diào)系統(tǒng)在處理這個問題時往往采用減小新風供給甚至關閉新風供給。這樣造成的突出問題就是室內(nèi)空氣質(zhì)量問題嚴重。現(xiàn)在我們很多建筑設計都考慮中庭和可開啟玻璃幕墻，為的是利用自然通風來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，另一方面也做到了空調(diào)節(jié)能。自然通風一般分為熱壓型和風壓型兩種，下面我們通過工程實例的CFD仿真模擬來看自然通風的效果。

3.1 熱壓型自然通風

熱壓型自然通風CFD模擬見圖5所示。

從圖5中可以看出全部開窗的室內(nèi)風速已經(jīng)超過了滿足室內(nèi)舒適度的最高風速0.3m/s，通過部門開窗方案可以緩解這一矛盾，并且從溫度分布圖上可以得知在部分開窗情況下，通過熱壓型的自然通風（熱對流），過渡季節(jié)時室內(nèi)的絕大部分溫度都滿足20℃的舒適度要求。

3.2 風壓型自然通風

風壓型自然通風CDF模擬見圖6所示。

從圖6中可以看出過渡季節(jié)的室內(nèi)外的壓強梯度明顯比無風狀態(tài)下要大，而且通過自然通風在過渡季節(jié)中室內(nèi)的溫度能夠達到20℃左右的舒適度要求，這樣在過渡季節(jié)，一些有條件進行自然通風的建筑就可以節(jié)約很多能耗。

4 結(jié)論

隨著仿真模擬技術(shù)的發(fā)展，為傳統(tǒng)的建筑設計提供了一個有效直觀的方法來驗證建筑方案的可行性。它是一種成本低，速度快，資料完備的有效方法；采用計算流體力學和建筑能耗模擬軟件對建筑熱環(huán)境進行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，分析建筑方案的合理性，為空調(diào)設計及能耗提出改進的建議是仿真模擬技術(shù)的價值所在。如果大家都非常重視建筑節(jié)能，再結(jié)合計算機仿真模擬技術(shù)就可以在綠色建筑領域里作出既節(jié)能又舒適的設計。

[1]葉大法 楊國榮.變風量空調(diào)系統(tǒng)設計.北京，中國建筑工業(yè)出版社

[2]Ashrae.2007AshraeHandbook-Heating,Vetilating,and Air-Conditioning Applications[M].Edition 2007.Amer Society of Heating,2007.

[3]趙榮義 范存養(yǎng) 薛殿華 錢以明.空氣調(diào)節(jié).北京，中國建筑工業(yè)出版社

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