基于能耗模拟的夏热冬冷地区住宅节能设计

袁棪

摘 要：随着建筑行业的不断发展，人们不仅开始关注建筑节能问题，对室内舒适度的要求也不断提高。因此，在建筑建设过程中，要将室内舒适度与建筑节能结合起来。基于此，本文采用Ecotect能耗模拟软件对郑州市某住宅建筑设计节能方案的日照、光、热环境进行模拟，以热舒适为前提、节能为目的，选择最优的节能方案。

关键词：生态建筑;建筑节能;Ecotect

中图分类号：TU241文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）01-0106-03

Abstract： With the continuous development of the construction industry， people not only began to pay attention to building energy conservation， but also to the requirements of indoor comfort. Therefore， in the process of building construction， indoor comfort should be combined with building energy saving. Based on this， this paper used Ecotect energy consumption simulation software to simulate the sunshine， light and thermal environment of a residential building design energy-saving scheme in Zhengzhou， and selected the optimal energy-saving scheme with thermal comfort as the premise and energy-saving as the purpose.

Keywords： ecological architecture;building energy conservation;Ecotect

自1973年发生世界性能源危机之后，各国开始纷纷关注建筑节能问题，并制定相关法律体系、管理体系和激励政策，以对建筑进行改造，促进建筑节能。而随着经济的发展和生活水平的提高，人们对室内舒适度的要求不断提高。因此，在建设过程中，要将室内舒适度与建筑节能结合起来，以舒适度为前提，以节能为目的，通过采取合理的节能方案来同时满足节能和舒适度的需求。

目前，现有文献对建筑节能已有了一定的研究，如Martin、Reinhard以更新住宅围护结构和更换供热系统为主要因素对德国既有住宅住户的节能改造偏好进行了调查分析[1];Alaa、Moncef研究沙特阿拉伯住宅建筑围护结构的优化[2];Nopparat、Somsak对安装百叶窗影响室内热舒适进行了研究[3];唐天芬等对江门市既有居住建筑围护结构热工性能及使用状态进行研究，并对围护结构节能改造提出建议[4];白鲁建等对西安市春季居住建筑室内人体热舒适进行研究分析[5]。本文采用Ecotect能耗模拟软件对郑州市某住宅建筑设计节能方案的日照、光、热环境进行模拟，深入分析不同节能方案的能源消耗、不舒适度、围护结构得热、温度分布和热舒适度等，以热舒适为前提、节能为目的，选择最优的节能方案。

1 工况概况

本项目位于河南省郑州市，高层住宅16层，其标准层层高为2.8 m，顶层层高为2.9 m，建筑总高度为46.7 m，建筑总长度为39.78 m，总宽度为16.64 m，墙体厚度为240 mm。住宅南北向布置，楼梯间不采暖。

2 模型创建及分析

2.1 建立模型

在Ecotect中对几何模型的创建有两种方式：一是在软件中直接建立模型;二是利用外部模型导入[6]。本文采用导入方式，将SketchUp创建的模型导入Ecotect软件中进行相应的物理分析。

2.2 户型的生态物理分析

2.2.1 户型的采光分析。根据国家规范规定，以全阴天情况计算。主要针对卧室两个窗户的采光进行分析并与规范对比，进行采光评估，发现卧室玻璃透光率较好。

2.2.2 户型的热工分析。热工分析是对室内外各种扰动作用下的室内热环境的分析。由于室内人员辐射热量会对室内热环境产生一定影响，因此，在进行户型的热工分析时，需要考虑室内人员的辐射热量等情况。

2.2.2.1 逐时得热分析。通过分析冬天最冷日的逐时得热和失热情况可知，热量损失较大。太阳辐射提供热量使卧室内部得热稳定，其中构件导热情况变化较为明显。基于此，可以重点考虑墙体、门窗的隔热保温性。

2.2.2.2 温度分布分析。通过分析卧室温度变化曲线和室外温度曲线图（图略），发现室内外温差相差较大，重点分析研究次卧室最冷日均值的温度曲线，可发现在早上07：00，室外温度最低约是-9 ℃，与室内相差较大。综上所述，在设计过程中需要设置保温层，加强卧室的保温性能。同时，需要将室内的保温结构设置得厚一些。

2.2.2.3 月均逐时得热分析。通过研究1月份到12月份主卧室一天24 h维护结构的直接得失热量情况可知，5月到9月卧室围护结构得到的热量较多，一天中14：00—22：00得到的热量较大，其中6月、7月14：00—22：00间得到的热量最多，1月、12月03：00—23：00损失热量最多。冬季有相当一部分的太阳辐射落在围护结构表面上，所以，可以通过平衡昼夜热损失来减少空調、风扇能耗。

2.2.2.4 被动通过分析发现，起居室和餐厅的视野较差，厨房和卫生间视野稍差，其余房间视野都很好。因此，可以将起居室靠向阳台的门设置为玻璃推拉门，以改善视野情况。

2.2.4 户型的声学分析。通过对建筑卧室内的混响时间进行分析，发现室内座椅人员数量、建筑材料的吸声情况等因素对混响时间的性能存在影响，若想卧室静环境更佳，可采用吸声材料来降低卧室噪声污染。

2.2.5 户型的日照分析。日照指的是太阳对建筑户内的照射时长，用时间来衡量。影响因素包括周边主要是南面的其他建筑，以及建筑自身的遮挡。

2.2.5.1 卧室向阳面的日照分析。通过分析可知，本案例中向阳面的两个卧室日照时间均满足国家规范（2h）。但结合图1和图2可知，卧室向阳面的采光整体较好，但是户型内部的采光不是很好，尤其是过道、书房和起居室背阳面。因此，在装修起居室和书房时，可使用阳光材料，被动式提高空间亮度。为提高过道的亮度，墙面选用反光材料，或者采用天井的设计手法等。

2.2.5.2 日照投影分析。选取标准层户型，在冬至日（12月21日）计算日照投影（见图3），本例冬至日没有遮挡，投影日照合理，因此，整个建筑投影日照关系都是合理的。

3 建筑整体的生态物理分析优化

利用Ecotect对所选案例建筑物进行采光、日照等物理分析。通过对首层建筑的一个窗户的采光率进行分析，发现此窗户采光效果较差。为改善首层窗户的采光效果，决定将首层窗户窗台高度从900 mm调整为1 200 mm，并采用透光效果较好的玻璃材质。改进后窗户的采光效果更佳。对于采光稍差的地方，可将人工灯源布置得稍低一点，选择功率较高的灯泡，或增加灯泡数量来改善首层建筑的采光照度。冬至日窗户每一点的日照时间数整体满足国家规定的日照时间数（2 h），可见，建筑窗户的日照时间符合国家标准。

4 结论

采用Ecotect建筑光、热环境模拟软件对建筑室内外光、热环境进行数值模拟分析，得出如下结论。

①住宅楼内的房间设计及玻璃材质选取合理，自然采光系数均符合国家标准，且房间内不会产生令人不适的眩光反应。

②为了减少热损耗，需要增强围护结构蓄热性能。

③在建筑项目方案设计阶段，运用光热环境模拟分析软件可以快速地呈现出人们所需了解的建筑光热环境的性能、特征及实际效果，从而对方案进行预测、判断以及优化。

参考文献：

[1]Martin Achtnichta，Reinhard Madlener. Factors influencing Germanhouse owners preferences on energy retrofits[J].Energy Policy，2014（68）：254-263.

[2]Alaa Alaidroos，Moncef Krarti. Optimal design of residential buildingenvelope systems in the Kingdom of Saudi Arabia[J].Energy and Buildings，2015（86）：104-117.

[3]Nopparat Khamporn，Somsak Chaiyapinunt.Effect of installing a venetian blind to a glass window on human thermal comfort[J].Building andEnvironment，2014（82）：713-725.

[4]唐天芬，王敏容.江門市既有住宅建筑围护结构现状与节能改造措施研究[J].五邑大学学报：自然科学版，2014（2）：69-73.

[5]白鲁建，宋冰，杨柳.西安市春季居住建筑室内人体热舒适研究[J].建筑节能，2014（11）：68-71.

[6]黄晓丹.基于Ecotect软件的岭南地区绿色建筑优化设计[J].广东工业大学学报，2016（33）：96-101.