既有建筑熱環境舒適度模擬及節能優化分析

王文韜 顏禧妮

（南京農業大學浦口校區信息管理學院，江蘇 南京210031）

1 概述

隨著能源消耗問題的日益加重，現實證明，合理的利用資源才是人類生存的長久之計。在建筑領域，建筑總能耗現今已達到國家能源消耗的32%，搭建房屋建筑所需建筑材料能耗約達13%，建筑能源消耗總量已經達到全國能源消耗的45%左右[1]，其中既有建筑中圍護結構在建筑總能耗中所占比例高達72%，故既有建筑建筑圍護結構節能改造問題的解決迫在眉睫[2-3]。同時，隨著生活水平的提高，居民對于建筑舒適度的要求也不斷提高，因此提升建筑熱環境舒適度也顯得尤為重要[4]。針對以上問題，本文采用ECOTECT 軟件，通過制定并對各個圍護結構的節能改造方案進行模擬分析，得出各方案的節能情況和熱環境舒適情況，為建筑節能提供依據。

2 既有建筑概況及節能方案的確定

2.1 既有建筑概況

本文選取是一棟具有代表意義，位于南京市浦口區某小區的住宅建筑。該建筑為磚混結構，建造于1997 年，坐北朝南，共4 單元，其中各單元戶型相同，建筑長88.8m，寬18.0m，建筑面積3196.8m2，一般層高2.8m，高度25.2m，建筑的CAD 圖紙如圖1 所示。

經過對建筑的實地調研以及相關資料的查找，最終得到其圍護結構的材料及構造組成，計算得出各個結構的導熱系數，匯總如表1 所示。

2.2 節能改造方案的確定

對于既有建筑的圍護結構節能改造方案，目前方法的選取通常是在已有的圍護結構的基礎上添加保溫隔熱的材料層，從而達到減小圍護結構導熱系數的目的，降低需要維持室內舒適溫度的能源消耗。

圖1 建筑CAD 圖紙

表1 原建筑圍護結構概況

表2 原建筑圍護結構概況

結合著本既有建筑的結構特點以及南京地區的節能標準準則，分別從外墻改造、外窗改造、添加遮陽結構三個方面擬定了6 項圍護結構的改造方案，各方案的材料結構構成及導入系數指標如表2 所示。

3 原建筑及各改造方案能耗模擬

結合建筑圍護結構材料及結構特點，對其進行簡化處理，在軟件ECOTECT 中建立模型，選擇南京市的CSWD 氣候數據，設置相應氣候參數；根據實際建筑圍護結構的墻、窗及屋頂的材料構成、構造做法和布局形式賦予材質，計算并賦予對應參數；同時，根據建筑的實際情況設置室內人員數量及熱環境的基本情況，最終模型可視化圖形如圖2 所示。

3.1 總能源消耗量對比分析

對于建筑能源消耗，通常是指在維持保證建筑正常功能的建筑物在運營過程所消耗的能量，包括室內暖通空調、家用照明電器等消耗，其中，暖通空調在建筑能耗中占據較大部分，ECOTECT 軟件即可以計算模擬建筑物總體和部分的逐月及年總能耗數據。將原圍護結構材料與各改造方案進行能耗分析，對數據進行可視化處理可得到圖3。

由結果可知，A 方案、B 方案和C 方案三方案的能源消耗量相近，且均有較好的節能效果，D 方案和E 方案的能源消耗量相近，而原建筑的圍護結構和F 方案的能源消耗量最多。A-E 種改造方案均能達到能降低該建筑的能源消耗量，據此便可知導熱系數U 小、傳熱能力弱、保溫性高的圍護結構對于能耗的降低是有利的。

圖2 建筑模型

據結果從總能源消耗的角度，針對南京地區的既有建筑圍護結構改造，改造外墻體的節能效果比改造外窗的節能效果略有優勢。

圖3 年總能耗對比

3.2 逐月能源消耗量對比分析

將各個方案的逐月能源消耗模擬結果數據進行可視化處理可得結果如圖4。

圖4 逐月能耗對比

根據分析結果可知，逐月能耗模擬結果與總能耗結果有一定差異，其中10 月～4 月和5 月期間，6 種方案能源消耗量呈明顯的兩端高低相差較大，處于中間的方案能耗較少，基本與總能源消耗量趨勢一致。

同時，4 月D 方案和E 方案能耗量高于A、B 和C 方案，表示外窗U 值小、傳熱性能低且保溫較好，當環境由低溫至高溫過度時期對于能耗的降低不利。主要原因為室外溫度回升，外窗由于傳熱能力過低而不利于室內外溫度的傳遞，居民則覺得冷，進而采用暖通空調的或其它方式使高室內溫度達到舒適狀態，結果導致能耗量提升。11 月份時D 方案和E 方案能耗量也同樣高于A、B 和C 方案，室外環境氣候從高溫轉變到低溫時，室外低溫不易被導入室內，室內居民覺得熱故使用空調或其它方式溫，結果導致能耗量增加。

其中，6 月～8 月六種方案的能源消耗降低量沒有11 月～3月那么明顯，表現出保溫隔熱性能好的圍護結構在冬天對于能耗是有益的，但在夏季節能的效果不是很明顯。

4 原建筑及各改造方案熱環境舒適度模擬

4.1 圍護結構得失熱比率分析

ECOTECT 軟件可以對被動組分得熱進行分析，從而在一定程度上反映出建筑的熱環境情況，并可以將逐日得失熱狀況表現在一張圖中，得到各內容所比例、有圍護結構導熱、綜合溫度產熱、太陽直射輻射、冷風滲透、內部人員等方面的得失熱共六項。

對原建筑情況及6 種方案的圍護結構全年得失熱量進行分析，對數據進行可視化處理，結果如圖5 所示。

圖5 各方案圍護結構得失熱百分比

由圖5 可知，E 方案和D 方案的圍護結構得熱量的比率相近，A、B 方案和C 方案的圍護結構得熱量百分比相近，原建筑圍護結構和F 方案的圍護結構得熱量的百分比率相對較大，然而雖然不同的改造方案之間有差距，但總體上變化波動幅度不大，則可說明圍護結構材質結構的改變對于建筑整體圍護結構得熱失熱量百分比率的影響較小。6 種方案的圍護結構失熱量百分比中A-E 方案整體相較于原建筑圍護結構呈下降趨勢,失熱量與圍護結構的保溫性是成正比的，同時也由于F 方案未有改變圍護結構的導熱系數，故其失熱量相較于原方案并未有太大的變化。其中C 方案圍護結構失熱量百分比最低，這個結果與總能耗模擬結果一致，由于其導熱系數相較而言為一個最優的情況。

4.2 熱舒適度參數PMV-PPD 指標的計算

表3 各改造方案PPD、PMV 指標

5 結論

本文通過對南京市既有建筑的圍護結構不同節能改造方案進行模擬分析，最終得到以下結論：

5.1 針對南京地區氣候特點和既有建筑的結構特點，通過改變圍護結構外墻體、外窗的材料和結構構成以降低其導熱系數，提升保溫隔熱性能，能夠有效的達到減少建筑能源消耗、降低圍護結構得失熱百分比、提升建筑物室內熱環境舒適度的目的。而僅僅的增加遮陽結構對于既有建筑的節能情況和熱環境舒適度的優化情況效果并不明顯。

5.2 針對南京地區既有建筑節能效果方面，從總能源消耗量和逐月能源消耗的角度分析，外墻體增加保溫隔熱材料的節能效果要相對優于采用更加節能的窗體材料和結構；從熱環境舒適度優化的角度，優化圍護結構的外窗體效果相對于更好。因此，從節能的目的出發，應優先選擇圍護結構的外墻體節能改造。結合本既有建筑的實際情況，最佳的方案為E 方案。

5.3 對于今后建筑的建造，應在設計階段即考慮建筑能耗以及熱環境舒適度情況的模擬與分析，本文即提供了一種具有實際參考意義的方法思路，通過控制變量法結合Ecotect Analysis 軟件模擬的對比分析，選擇出最有利于建筑需求的方案進行施工。