基于Ecotect的某档案馆建筑能耗仿真及分析

冯 志 文

[陕西省建筑设计研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710003]

0 引 言

随着我国建筑业的迅猛发展,伴随而来的是建筑能耗越来越大,故降低建筑能源消耗,实现绿色节能建筑势在必行。近年来,通过对农村建筑能耗的分析,已经得到了一些切实可靠的结论[1]。相比于农村住宅建筑,城市公共建筑的规模更大、使用频率更高、能源消耗更多,其节能减耗的潜在空间更大。

为了降低公共建筑能耗,研究人员对被动式超低能耗建筑、建筑部分参数设定、暖通空调系统优化、多元线性回归方法分析建筑模型等方面进行了广泛的研究[2-10]。本文主要是运用Ecotect软件对某档案馆二层的局部区域进行建模,然后通过选择不同材质对其模型进行能耗模拟分析,从而初步估计其实际能耗,并对建筑的选材给出参考,这对实现绿色节能的公共建筑具有一定的实际意义。

1 基于Ecotect软件对某档案馆进行建模

对某档案馆2F局部的卫生间、电梯前厅、休息室、大厅、楼梯间、楼梯前厅和办公室等空间进行建模分析[9]。某档案馆2F局部区域三维模型如图1所示。

图1 某档案馆2F局部区域三维模型

建完模型之后需要选择建筑材质。为了更好地比较选材对建筑能耗的影响,选取两种不同的材质进行分析。第一种为普通非节能材料,在保温性能方面较差,受外界温度变化的影响较大,需要消耗更多的能源来维持室内温度的恒定。第二种选用导热系数(主要影响因素)、准入系数、太阳吸收率、热衰减系数、热滞后等方面性能更好的材料。两种选材方案如表1所示。两种选材方案的材料导热系数如表2所示。

表1 两种选材方案

材料导热系数越小,其保温隔热性能越好。从表2可以看出,第二种选材方案的所有构件导热系数都要比第一种选材方案的导热系数小,说明第二种选材方案更符合节能保温材料的要求。

表2 两种选材方案的材料导热系数

2 热工计算及能耗分析

2.1 属性参数设置

对该档案馆2F的局部区域进行热工分析。在建筑气象资料的设置中,将位置改为陕西西安;在区域管理中设置室内热舒适性区域环境的基本信息。

房间的区域属性设置如图2所示。

图2 房间的区域属性设置

在建筑内部设计要求中,选择人员的服装设置为裤子和T恤,其热阻值为0.6。室内相对湿度为60%,风速为0.50 m/s,照度水平为300 lx[4]。

在人员活动与设备运行方面,根据开放办公区域人均占有面积20 m2,可计算出该档案馆2F各个房间可容纳的人数。“Sedentaty—55W”选项是根据建筑内人员不同的工作行为来确定人的平均生物热功率,通常情况下在办公室工作的人的平均生物热功率为55 W。根据室内单位面积照明和设备负荷参数,显热得热为5 W/m2,潜热得热为2 W/m2。按照建筑内部使用气密性,空气交换率设置为0.5 ach,环境附加换气率为0.25 ach[4]。

“时间表”选项是用来确定人员在建筑内活动的时间表,可以通过人员的工作时长来确定时间表。通过选择不同时间的曲线节点来确定各个时间段的人员在室率,同时将星期一～星期五设置为工作日,星期六和星期日设置为休息日。建筑内人员活动时间表如图3所示。

图3 建筑内人员活动时间表

2.2 逐时温度分析

在温度分析的控制面板中,以建筑物全年中最冷的一天为研究对象进行模拟分析。第一种选材的逐时温度曲线图如图4所示;第二种选材的逐时温度曲线图如图5所示。图4、图5是一年中最冷一天的温度变化。

图4 第一种选材的逐时温度曲线图

图5 第二种选材的逐时温度曲线图

由图4和图5可见,室内温度变化都随室外的温度升高而升高,降低而降低,但整体上室内温度均基本保持恒定。图4中这几个房间的室内温度均维持在-4 ℃,与室外0∶00～10∶00温度(-7 ℃)仅相差3 ℃;图5中这几个房间的室内温度都维持在-2 ℃,比室外0∶00～10∶00温度(-7 ℃)高5 ℃,且这几个房间的室内温度相比第一种选材的室内温度更加稳定,说明使用第二种材料的保温性能更好,所需的能耗更低。

2.3 逐月能耗分析

第一种选材的逐月能耗分析如图6所示;第二种选材的逐月能耗分析如图7所示。

图6 第一种选材的逐月能耗分析

由图6、图7档案馆2F的局部区域冷热负荷模拟结果,可以直观看出建筑物每个月制冷和制热所需的能耗,便于逐月能耗对比。

图7 第二种选材的逐月能耗分析

第一种、第二种选材逐月能耗数据分别如表3、表4所示。

表3 第一种选材逐月能耗数据

由表3可以看出,全年总制冷量为5 332 DegHr,总制热量为19 510 DegHr,总能耗为24 842 DegHr;由表4可以看出,全年总制冷量为10 013 DegHr,总制热量为12 066 DegHr,总能耗为22 078 DegHr。由此可知,第二种选材的建筑总能耗更低,因此在实际运用中尽可能地选择绿色节能的建筑材质。

表4 第二种选材逐月能耗数据

2.4 热负荷分布分析

为了清楚直观地了解建筑在不同途径中得/失热情况,从而了解影响建筑得/失热的主要方面,需进一步改善其性能和优化设计,从而达到建筑节能的目的。

第一种选材、第二种选材的热负荷分布分别如图8、图9所示。

图8 第一种选材的热负荷分布

图9 第二种选材的热负荷分布

第一种、第二种选材热负荷分布数据如表5、表6所示。

表5 第一种选材热负荷分布数据

表6 第二种选材热负荷数据

由表5和表6可知,第一种选材的建筑围护结构失热占比高达94.50%,而第二种选材的建筑围护结构失热占比为53.20%,说明第二种的建筑围护结构的保温性更好,第一种选材的建筑受太阳光照射获得的热量达到75.20%,而第二种选材的建筑受太阳光照射获得的热量仅为17.50%,说明第二种选材的建筑隔热性能更好;第一种选材的建筑从房间内的设备运行和人员活动获得的热量仅占15.80%,而第二种选材的建筑从房间内设备运行和人员活动获得的热量高达72.30%,说明第一种选材的建筑蓄热性能和门窗的气密性都较差,相比于第一种选材,第二种选材的建筑在蓄热和门窗的气密性方面都表现较好。

通过对热量损耗与获取途径进行分析,可以获得建筑物不同构件的能耗得/失详细情况,从而得知对建筑物能源消耗影响最大的是建筑围护结构。为了尽可能地降低建筑能耗,应对建筑围护结构相关的热工性能进行深入了解,可以对建筑物的材料选择、外形结构设计以及采暖空调系统的选择提供参考依据。

3 采光分析

为了使人工照明的损耗降到最低,需要合理利用白天的自然采光,因此需要对该区域自然采光进行分析。

在采光分析的控制面板中,选择CIE全阴天的天气条件对该档案馆进行采光模拟分析,是为了模拟最差天气环境中的室内采光条件,得出某档案馆自然采光的模拟结果。自然采光分析如图10所示。采光系数如表7所示。

图10 自然采光分析

表7 采光系数

根据GB 50033—2013《建筑采光设计标准》中第2.1.5条,采光系数是指在室内参考平面上的一点,由直接或间接地接收来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。根据GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》第5.2.8条相关规定,“采光系数满足采光要求的面积比例达到60%”方可得分。

由表7可知,在自然采光的条件下,采光系数大于2%的面积比为21.24%,远低于60%。因此,在对建筑设计初期,应充分考虑建筑的窗地面积比,尽可能利用天然光使建筑房间内的采光系数达到标准值,从而减少人工照明能耗。

4 结 语

通过运用Ecotect软件对某档案馆进行建筑能耗模拟分析,可以得出某档案馆2F的局部区域一年制热所需要的能耗和制冷所需要的能耗,以及一年中不同月份所需的能耗量,这对公共建筑的能源规划管理具有一定的参考价值。在对建筑的照明设计方面,应对建筑的门和窗进行科学合理的设计,以便能够充分利用自然光,降低建筑照明能耗,实现绿色节能。建筑物热量散失主要是通过围护结构散失的,因此在对建筑的围护结构进行设计时着重考虑其保温隔热的性能。