基于DeST 的三種別墅設計方案的能耗分析

羅潔雨，聶憶華，劉璐源，卓麗萍，鄧巧

（湖南科技大學）

1 引言

傳統住宅等普通建筑在長期使用中有能源消耗量大，設備電力費用高，污染排放大等特點，隨著生活水平質量要求的不斷提高，可持續發展戰略的貫徹，建筑能耗逐漸成為人們關注的重點，綠色零能耗建筑也逐漸進入大眾視野，且目前已在多個城市都進行了嘗試；建筑能耗的產生是由多方面因素決定的，包括建筑圍護結構組成成分、窗戶朝向及面積比、建筑面積體積比、氣密性與供暖、冷系統等[1]。

針對夏熱冬冷區氣候條件下的鄉村別墅，進行普通建筑、一般節能建筑、組合被動式節能建筑三種方案設計，對設計模型采用DeST 軟件模擬計算與分析，選擇節能效果好的設計 方案。

2 別墅設計方案

選擇別墅設計參數為：高度10m，體形系數0.641，建筑面積222.77m2，占地面積55.02m2，使用年限50a，圖1、圖2 給出了該模型詳細尺寸設計圖。

圖1 別墅立面尺寸設計圖

圖2 別墅平面尺寸設計圖

1）普通建筑

按照建筑一般規范設計的具有某些功能的建筑。

2）一般節能建筑

按照節能標準的措施要求進行設計，便可認為是節能建筑，對節能效果的評定并沒有特殊要求。

3）被動式建筑

被動式建筑在《被動式低能耗低能耗居住建筑節能設計標準》中有明確的規定，對建筑總一次能源消耗和各項分項能耗都給出了明確的限制指標，如熱回收率必須達到≥75%等。規范中明確規定，房屋單位面積的采暖控制指標≤10w/m2，房屋單位面積制冷控制指標≤20w/m2[2]。

根據規范《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ 134-2010，能耗分析相關參數設置如下：換氣次數為0.5 次/h， 供暖空調的室內設定溫度分別為冬季18℃、夏季26℃，冷熱源為空氣源熱泵[3]。表1、表2 分別給出了本文選用三種方案的外墻熱工參數和外窗熱工 參數。

3 DeST 模擬計算

本文選用DeST 軟件進行建筑能耗模擬分析，首先基于AutoCAD 繪圖軟件建立一個三層低矮別墅建筑模型，將模型導入DeST 軟件中，選擇相應的氣象參數及熱工參數進行分析。

3.1 建筑陰影模擬計算

建筑陰影指建筑日照陰影線邊界內范圍，建筑日照陰影線是指建筑物遮擋太陽光線產生三維陰影的邊界線，建筑日照陰影線范圍即建筑物北向輪廓與陰影線圍合而成的區域。建筑陰影涉及建筑采光度及用戶舒適度，模擬計算結果對用戶參考價值較大。以下是建筑陰影計算原理。

基本算法：光線跟蹤、輻射度算法、投影變換法、陰影圖、陰影體。

本文主要采用DeST 陰影計算，即采用單平行光源形體相對簡單的投影計算，計算步驟如下：

①背面剔除，即剔除陰面，表面法向與光源矢量夾角＜90°即為陰面；

②地面陰影計算，即將所有建筑表面按太陽光線斜平行投影到xoy 上，合并所有多邊形得到地面陰影；

表1 外墻熱工參數設置對比

表2 外窗熱工參數設置對比

③建筑表面陰影面積：先選擇建筑表面A為目標面，再經過坐標系變換，使得A表面在新坐標系下與xoy平面重合；再將其他表面在xoy上的投影合并，將合并后投影與A面相交，得到A面陰影，最后將陰影變換到原坐標中即可[4]。

3.2 建筑采光模擬計算

根據建筑功能和視覺工作的要求，選擇合理的采光方式，確定采光口面積和窗口布置形式，創造良好的室內光環境是建筑采光的主要任務。

主要是運用DeST 模擬分析軟件進行對建筑模型房間采光系數，室內照度，照明能耗，滿意度時數等方面的計算。

房間照度=散射照度Dsky+直射照度DSun

1）散射照度

采光系數DSkyk=室內平均照度/ 室外照度；天空散射照度EhSky= 水平總散射×發光效率；室內散射照度DSky=采光系數DSkyk×天空散射照度EhSky。

2）直射照度

采光系數DSunk= 室內平均照度/ 室外照度；太陽直射照度EhSun=水平總直射× 發光效率×sin（高度角）× cos(高度角)；室內直射照度=采光系數DSkyk×太陽直射照度EhSky×（1—陰影比例）[4]。

3.3 建筑室溫模擬計算

建筑室溫是反饋建筑保溫隔熱能力最直觀的參數，室溫模擬計算也是通過與大數據統計后，環境溫度經過圍護結構的傳熱系數等參數進行相關系統計算后得出的自然室溫。

針對夏熱冬冷地區，一般采用動態傳熱計算方法。基本方法：差分法、諧波法、反應系數法、狀態空間法。

3.4 建筑負荷模擬計算

根據建筑室溫模擬計算，結合建筑人員密度，人員作息等模擬計算出人員熱擾；用能設備密度，設備使用作息等模擬計算出設備熱擾；照明密度，照明作息等模擬計算出照明熱擾；以及空調各項參數設定好以模擬計算出空調負荷。本文以上參數均按一般標準選用。

4 模擬結果分析

在夏熱冬冷地區，通過對上述三種別墅設計方案進行計算與分析，結果見表3、圖3 所示。表3 中冷負荷是指維持室內空氣熱濕參數在一定要求范圍內，單位時間內需要從室內除去的熱量，包括顯熱量和潛熱量兩部分。而熱負荷是指燃料在燃燒中（如燃氣具、燃氣熱水器、燃氣取暖爐、火箭發動機燃燒室）燃燒時單位時間內所釋放的 熱量。

由表3、圖3 可得，相比于普通 建筑：

①一般節能建筑熱負荷可減少38%，冷負荷可減少18%；

表3 三種別墅設計方案能耗分析一覽表

圖3 三種別墅全年累計冷熱負荷對比柱狀圖表

②組合被動式建筑熱負荷可減少57%，冷負荷可減少40%，節能效果 明顯。

可見三種設計方案別墅的全年累計冷熱負荷依次遞減，且幅度下降明顯。顯然，被動式建筑比一般節能建筑更能減輕建筑負擔，節約能源 。例如以湘潭市居民電費為例，2019 年達到每度電0.6 元，本建筑模型140 ㎡低矮別墅為例，普通建筑設計方案每年空調電費約8695 元；一般節能建筑設計方案每年空調電費6157 元，節約了2538元費用；組合被動式設計方案每年空調電費4379 元，可節約4316 元空調 電費。

5 結語

對位于夏熱冬冷區鄉村別墅進行了普通建筑、一般節能建筑、組合被動式建筑三種圍護方案設計，利用DeST 軟件進行能耗分析，結果表明一般節能建筑較普通建筑的熱負荷可減少38%，冷負荷可減少18%；組合被動式建筑能耗最低，較普通建筑熱負荷可減少57%，冷負荷可減少40%，節能效果明顯，可推廣使用。