民居建筑外墙围护低能耗控制方法仿真

2022-10-25刘显成

计算机仿真 2022年9期

杨勇，刘显成

(长江大学城市建设学院，湖北荆州 434000)

1 引言

如今，我国很多建筑外墙围护结构的能耗逐渐增长，与上个世纪同一时期相比，上升了百分之四十左右，占社会总能耗的很大比例。国内的建筑节能水平与发达国家相比相差较大，建筑能耗浪费问题十分严重。传统的建筑施工过程中，施工现场会遗留大量的手工作业工具，很多湿作业也都需要在施工现场完成，要想控制能耗首要就是对施工现场完成有效控制。民居建筑的能耗控制主要集中在对外墙围护结构的能耗控制上，传统的民居建筑施工与工业化建筑施工有所不同，民居建筑的施工现场的能耗控制还未形成合适的清单，对于能耗的控制方法主要依赖于从业经验，没有完善的控制政策。因此对民居建筑外墙围护结构超低能耗控制进行仿真，降低民居建筑的能耗消耗，提高施工阶段能耗控制的科学性。

姜雷等人提出了一种基于被动式分析的建筑外围护结构超低能耗设计方案，在获取建筑外围结构的传热系数基础上，利用被动式分析法，计算出建筑外墙的组织部分的热阻值。根据计算结果可以看出，该方案可以有效降低木质结构建筑外围的能耗。秦力等人为了研究建筑物外围结构的热工性能，以民居建筑物为例进行研究，首先利用红外检测技术，对民居建筑物的围护结构热工检测，并根据检测结果确定建筑物的热工缺陷问题。结合相关技术测试民居建筑物外围结构的传热系数。结果表明，民居建筑物的门窗衔接处存在热工缺陷，墙体本身的传热系数超出指165.23%，室内的采暖耗热量大。吴贤国等人为了实现对建筑外墙能耗的准确预测，在建筑设计阶段通过Designbuilder能耗分析软件构建建筑能耗BIM模型，根据建筑物外围能耗数据的采集结果，模拟出数据样本集，利用小波函数预测建筑物的能耗数据，并将预测的进行带入人工神经网络中进行集中训练，结果表明，该模型能够准确预测出建筑物的能耗。

虽然以上研究成果的应用效果较好，但是均无法保证建筑室内的气密性。为此，本文提出一种建筑外墙围护结构超低能耗控制方法，进一步满足建筑室内的节能标准。

2 外墙围护结构超低能耗控制

2.1 民居建筑外墙围护结构的超低能耗

为分析民居建筑外墙围护结构的超低能耗，首先建立BIM模型，基于BIM模型对民居建筑外墙围护结构的能耗进行分析，假设λ代表外墙围护结构的传热系数，表示在民居建筑外墙围护结构周围环境因素稳定的情况下，温度为1℃时在1平方米建筑面积内的传导热量。为热流系数，代表民居建筑外墙围护结构环境变化与温度波动作用后的热流量。为吸热系数，代表民居建筑外墙围护结构墙体表面吸热量。ψ为透射率，代表日光穿过玻璃时建筑物室内外温度差。

基于BIM模型对民居建筑外墙围护结构超低能耗分析的原理如图1所示。

基于BIM模型对民居建筑外墙围护结构超低能耗进行分析时，首先需要采集民居建筑外围结构的设计信息，并将得到的信息进行权重分析，并将上述提到的传热系数λ、热流系数δ、吸热系数ξ和透射率ψ导入到BIM模型中，构建民居建筑外墙围护结构超低能耗模型，通过对建筑设计信息的设置，以及地理信息和气候信息的设定，分析民居建筑外墙围护结构的能耗环境，并对影响民居建筑外墙围护结构能耗的影响因素进行仿真模拟，分析各因素的影响程度，结合分析结果确定最优的民居建筑外墙围护结构超低能耗控制方案。

图1 民居建筑外墙围护结构超低能耗分析

2.2 民居建筑外墙围护结构超低能耗模型

首先，利用反应系数法计算出民居建筑外墙围护结构的导热系数，设数据采集的间隔为60min，利用导热多次波原理，求得采集数据的离散分量，在时间段内，对民居建筑外墙围护结构的实际能耗值计算公式为

(1)

式中，为当前民居建筑外墙围护结构的物理导热指数，为民居建筑外墙在太阳能的作用下围护结构的综合作用系数，为当前民居建筑外墙围护结构的实际温度，该数值为一般常数，公式中的表示外墙温度对应的时间。

根据上述公式计算出民居建筑外墙围护结构的实际能耗值后，可以确定导热量()与当前墙体导热系数之间的比例关系，如下式

(2)

在上述公式中，为当前民居建筑外墙围护结构温度的实际变化情况，表示外墙围护结构超低能耗材料的换热比值。

根据式(2)的比例关系，可以计算出民居建筑外墙围护结构在太阳能辐射下的导热系数极限值，计算公式如下

(3)

式中，代表当前通过民居建筑外墙围护结构导热量；表示民居建筑外墙围护结构的热辐射面积；和表示民居建筑墙体内外的温度值。利用值，计算出民居建筑外墙围护结构的热力密度，计算公式如下

(4)

根据上述可以看出，民居建筑外墙围护结构最佳导热系数的目标函数为

(5)

其中，表示外墙围护结构超低能耗材料在最佳换热系数下的能耗，表示外墙热量散发与渗透的负荷。

为了运用上述数据进行计算，根据当前建筑物内的温度确定民居建筑外墙围护结构的能耗值，对当前的结构材料温度关系进行确定。

假设当前民居建筑外墙围护结构在时段内的总能耗为，结合室内外温度和，构建函数比例方程式

(6)

其中，表示民居建筑外墙围护结构的最佳能耗系数，ϑ表示为墙体能耗的热转换率。由于要计算民居建筑外墙围护结构的超低能耗值，因此式(6)需要满足0≤≤的约束。

假设在当前时段的能耗值一定，则得到民居建筑外墙围护结构超低能耗模型为

(7)

根据以上计算过程，构建了民居建筑外墙围护结构超低能耗模型。

2.3 设计建筑外墙围护结构超低能耗控制流程

在分析民居建筑外墙围护结构超低能耗和建立民居建筑外墙围护结构超低能耗模型的基础上，控制建筑外墙围护结构能耗，在建筑外墙围护结构管理模型下，建筑外墙围护结构能耗控制的决策函数为

(8)

对获取的建筑外墙围护结构能耗资源进行信息重构，可用下式描述

(9)

结合模糊控制方法，对建筑外墙围护结构的能耗控制进行决策调度，在建立的民居建筑外墙围护结构超低能耗模型中，对建筑外墙围护结构的管理信息和相关特征进行提取，得到民居建筑外墙围护结构超低能耗的反馈函数为

(∣)=(∣)+

(∣)-(；ϑ∣)

(10)

式中，(∣)表示调度函数，(∣)表示特征挖掘函数，(；ϑ∣)表示自适应学习函数。

当反馈节点在(0，2)范围内时，表示民居建筑外墙围护结构的能耗在控制范围内，对建筑外墙围护结构的能耗特征量进行挖掘，得到特征挖掘输出为

(∣)=(∣)+(∣)

(11)

此时的民居建筑外墙围护结构超低能耗量为

=[，2-，2]+，2

(12)

其中，表示外墙围护结构超低能耗量，，2表示施工结束后的能耗，，2表示施工的初始能耗。

根据上述的计算过程，设计建筑外墙围护结构超低能耗控制流程，如图2所示。

图2 建筑外墙围护结构超低能耗控制流程

综上所述，根据建筑外墙围护结构能耗控制的决策函数，重构外墙围护结构能耗资源信息，结合模糊控制方法，建立围护结构超低能耗的反馈函数，完成建筑外墙围护结构超低能耗控制流程设计，实现外墙围护结构超低能耗的控制。

3 仿真分析

3.1 实验对象

为了验证文中能耗控制方法的性能，仿真分析过程中，选取湖北省某民居建筑外墙的围护结构为研究对象，该结构的平面布置如图3所示。

根据建筑外墙围护结构的平面布置情况，对试验房间进行改造，两个房间围护结构的热工参数如表1所示。

表1 围护结构的热工参数

图3 建筑外墙围护结构平面布置图

3.2 民居建筑性能测试

当关闭通风系统和门窗时，将干冰均匀撒入整个房间测试室内的二氧化碳浓度，待室内浓度稳定不变时，计算室内的换气率，公式为：

(13)

其中，表示室内二氧化碳浓度的初始值，表示间隔1小时后的二氧化碳浓度，表示室内空气中的二氧化碳浓度。

房间内二氧化碳浓度变化曲线如图4所示。

图4 房间内二氧化碳浓度变化曲线

图4的结果可以看出，利用文中提出的建筑外墙围护结构超低能耗控制方法对试验房间的外墙围护结构进行超低能耗控制以后，房间内的二氧化碳浓度明显提升，大大提高了房间整体气密性，经计算，对照房间和试验房间的平均空气渗漏换气次数分别为1.136h和1.347h，因此可以看出试验房间可以满足超低能耗民居建筑外墙围护结构的气密性要求，对照房间所使用的双层中空玻璃可以达到7级的气密性，两个房间的气密性都比现行的民居建筑节能标准1 h高。

在满足民居建筑外墙围护结构的气密性要求前提下，得到建筑外墙围护结构能耗变化曲线如图5所示。

图5 建筑外墙围护结构能耗变化曲线

图5的结果可以看出，在两个房间的气密性都满足超低能耗民居建筑外墙围护结构的气密性要求前提下，利用文中提出的建筑外墙围护结构超低能耗控制方法对试验房间的外墙围护结构进行超低能耗控制以后，建筑外墙围护结构的能耗更低，可以控制在40kJ以内，而对照房间的能耗却高达100kJ，因此可以看出，提出的外墙围护结构超低能耗控制方法在满足外墙围护结构的气密性同时，还可以降低建筑外墙围护结构能耗。