基于軟件模擬的寒冷地區(qū)能源站被動式節(jié)能設(shè)計實踐

閆瑞雪 高肖艷 郭志瑞

1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司 2.中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院有限公司

1 項目概況與氣候條件特點

1.1 供熱能源站概況

實踐項目為某大型地?zé)崮芄┡椖康姆植际焦崮茉凑窘ㄖこ蹋饕獮槔玫叵轮猩顚訜醿M(jìn)行區(qū)域性供暖的站房工程，兼有部分管理辦公使用功能。項目建設(shè)規(guī)模包含三座供熱能源站建筑工程，總建筑面積9331㎡，供熱規(guī)模約100萬㎡。其中1號供熱能源站建筑面積2931㎡，供熱規(guī)模約29萬㎡。

供熱能源站內(nèi)部空間按照使用頻率與外部聯(lián)系程度不同可分為3類：①供熱設(shè)備用房+消防水池，主要用途為放置各類熱泵、水泵、軟化水裝置、水箱等設(shè)備并與外部供熱管網(wǎng)進(jìn)行連接；②消防控制室+配電室+中控室；③辦公室+會議室+管理輔助間，為工作人員日常辦公會議空間，使用頻率最高，因此要求其內(nèi)部空間具有更為穩(wěn)定舒適的特征。

1.2 寒冷A區(qū)的氣候特點

項目所在地位于陜西省寶雞市眉縣，屬暖溫帶大陸性半濕潤氣候，年平均氣溫12.9℃，平均日照2015.2小時。寶雞眉縣在我國的氣候分區(qū)上屬于ⅡA區(qū)，最冷月平均溫度為0.6℃，最熱月平均溫度為26.6℃，采暖室外計算溫度-2.7℃，累年最低日平均溫度-8.0℃，計算采暖期室外平均溫度2.1℃，室外平均相對濕度59%。

2 軟件輔助建筑節(jié)能設(shè)計

2.1 基于具體環(huán)境的最佳朝向分析

使用Ecotect Analysis的氣候分析工具weather tool對寶雞眉縣當(dāng)?shù)財?shù)據(jù)進(jìn)行計算。可知寶雞眉縣地區(qū)建筑的最佳朝向為172.5°，最差朝向為82.5°，過冷時間內(nèi)曝輻射量最多的朝向為160°，過熱時間內(nèi)曝輻射量最多的朝向為95°。因此建筑朝向應(yīng)避開冬季主導(dǎo)風(fēng)向（西北風(fēng)），并可在夏季進(jìn)行自然通風(fēng)散熱。因此，建筑坐北朝南或南偏東10°均為較好的建筑朝向。

2.2 基于具體氣候條件的被動式節(jié)能設(shè)計能耗分析

2.2.1 軟件模擬參數(shù)設(shè)置

建筑單體建模完成后進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置：人員服裝熱阻值為1.0，室內(nèi)舒適溫度最低為18℃、最高為26℃，濕度為60%時，室內(nèi)風(fēng)速為0.5m/s，整個建筑內(nèi)部空間占用情況設(shè)置為30人，活動狀態(tài)為靜坐狀態(tài)。模型室內(nèi)顯熱得熱和潛熱得熱分別設(shè)置為7W/㎡、3W/㎡，模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1 模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2.2 不同體型組合下的方案比選

通過軟件模擬建筑一年12個月份的耗能分析可知在寶雞地區(qū)氣候條件下，冬季供暖能耗數(shù)倍于夏季制冷能耗，因此建筑體型應(yīng)緊湊布局以求冬季減少熱量損失。根據(jù)項目用地條件及功能分布特征，能源站平面采用規(guī)則長方形布局，將內(nèi)部按不同類空間劃分為三層布置。并結(jié)合能源站內(nèi)部空間的采光通風(fēng)等要求形成了A、B兩個初步方案，建筑面積相同，體型系數(shù)分別為0.188與0.201，在相同條件下對兩種體型的建筑進(jìn)行能耗模擬計算，A方案相較B方案可減少約2.87%的耗能，主要原因為A方案的體型系數(shù)較B方案更小。

2.2.3 高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為室內(nèi)外能量交換的界面，直接制約著建筑能耗水平和室內(nèi)環(huán)境舒適性。利用Ecotect Analysis軟件中的建筑構(gòu)件材質(zhì)計算工具，可以快速計算出建筑構(gòu)造的傳熱系數(shù)，模擬出不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱失熱情況，并通過數(shù)據(jù)對比分析不同構(gòu)造的保溫性能差異。

如表2為初步設(shè)計時擬采用的兩種外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法（屋頂構(gòu)造做法相同），通過選擇材料參數(shù)及構(gòu)成形式即可計算出兩種不同構(gòu)造做法的傳熱系數(shù)，在此基礎(chǔ)下進(jìn)行能耗模擬計算，其他條件相同，經(jīng)軟件分析可知采取了高性能保溫構(gòu)造措施的工程做法2相較于做法1全年能夠節(jié)約高達(dá)31.82%的采暖制冷能耗。主要因為構(gòu)造2的外墻外保溫利用50mm巖棉保溫材料的低導(dǎo)熱特性及具有空氣夾層的雙層Low-E玻璃外窗均有效降低了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，從而較好維護(hù)了室內(nèi)空間熱環(huán)境的穩(wěn)定性達(dá)到節(jié)能效果。

表2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法

2.2.4 被動式太陽能采暖節(jié)能分析

被動式太陽能采暖設(shè)計的關(guān)鍵氣候因素在于室外溫度和太陽輻射量。選擇累年1月南向輻射溫差比（采暖期南向垂直面太陽平均輻射照度與室內(nèi)外溫差的比值）ITR（W/㎡·℃）及南向垂直面太陽輻射照度I（W/㎡）兩個指標(biāo)作為被動太陽能采暖氣候適宜性的判斷指標(biāo)。寶雞眉縣ITR：4≤ITR＜6，I=97W/㎡＞60W/㎡，屬于適宜采用被動式太陽能采暖的氣候區(qū)。結(jié)合能源站特點及技術(shù)經(jīng)濟性考慮，選用直接受益式被動太陽能采暖最為符合項目實際需求。在此前提下，建筑單體的窗墻比則成為影響建筑能耗的其中一個因素。

運用軟件中逐時太陽輻射選項卡對能源站不同朝向外墻所受太陽能輻射照度進(jìn)行分析計算，在冬季采暖期各朝向獲得太陽能輻射照度由高到低分別為南、東、西、北向，其中南向逐時太陽輻射照度在12月可到達(dá)峰值613.47W/㎡。對能源站建筑采用不同窗墻比時的能耗進(jìn)行模擬分析，建筑總體能耗隨著窗墻比逐漸減小，耗能相應(yīng)逐步降低。

由以上分析得出，建筑南向窗以追求冬季更多的太陽能輻射熱應(yīng)在滿足規(guī)范要求下取大值；東向次之；北窗無法得到直接的太陽熱輻射以及冷風(fēng)滲透作用盡可能小；西向次之。

在此基礎(chǔ)上對兩種窗墻比設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化、比較，再次模擬計算，可得到：在建筑立面總窗墻比相同的條件下，在南向窗墻比增加8%、北向窗墻比減小8%的情況下，能源站因直接受益式采暖窗所得太陽輻射熱量的增加使建筑在冬季減少了約2.13%的保溫耗能。

3 結(jié)語

基于本實踐項目的寶雞地區(qū)供熱能源站建筑，通過建筑空間特征提取，利用Ecotect Analysis軟件的模擬分析數(shù)據(jù)對建筑節(jié)能設(shè)計進(jìn)行了指導(dǎo)。在軟件分析數(shù)據(jù)的支撐下，根據(jù)具體項目所在地氣候環(huán)境條件下的不同體型系數(shù)設(shè)計方案、不同構(gòu)造措施方案、不同窗墻比設(shè)計方案進(jìn)行分析計算，得到了能耗模擬軟件為不同方案優(yōu)劣對比提供的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而提高建筑節(jié)能措施的利用效率，為同類建筑節(jié)能設(shè)計提供參考。