基于DeST 模拟的绿色档案馆建筑外墙优化设计研究

闫冬 刘素芳 张锐

（南阳理工学院建筑学院，河南 南阳 473004）

随着国家经济社会的发展，档案馆建筑的设计理念已从保密、封闭转变为开放、共享、绿色、和谐。国家档案局于2019 年9 月正式实施了《绿色档案馆建筑评价标准》，该评价标准对绿色档案馆的建设起到了积极的引领作用[1]。

由于档案馆建筑的外墙在围护结构中占较大的比重，它的优化设计往往会对档案馆建筑的能耗产生较大影响[2]。因此，本文选取了档案馆建筑的外墙作为研究对象，以桐柏县档案馆改扩建方案为例，以DeST 软件为研究工具，对其外墙在不同变量下的能源消耗进行模拟实验，并对实验结果进行了比较，从而探索出绿色档案馆建筑外墙的优化设计策略。

1 项目简介及初始模型的建立与分析

1.1 项目简介

该项目位于南阳市桐柏县三元大道以北、太白路以南、书香路东侧，项目的北侧和东侧为居住小区，南侧为桐柏县人民政府。桐柏县档案馆由储藏部分、技术加工部分、办公部分和公共部分等组成，建筑规模为中型县级档案馆。原档案馆由于年久失修被拆除，剩余两栋办公楼，所建档案馆在两栋办公楼之间（图1）。目前，方案设计文本已基本完成，本文计划以此方案文本为基础，探索建筑外墙构造层次的多种可能性，以达到建筑方案优化的目的。

图1 桐柏县档案馆现状

本文选取的是DeST 模拟软件，DeST（Designer’s Simulation Toolkits）是由清华大学自主研发的能耗模拟软件，这是我国唯一一个具有世界级先进水准的建筑能耗模拟工具，它以“分阶段模拟”为理念，通过连接系统与建筑物，DeST 可以用于详尽地分析建筑物的热特性，也可以模拟出系统性能，且DeST 的所有模拟与计算工作都是在Auto-CAD 开发的用户界面基础上进行，较易掌握[3]。

1.2 初始模型的建立

本文根据方案文本的技术图纸进行初始模型的创建，档案馆建筑初始模型的参数是依据《公共建筑节能设计标准》并结合实地调研情况而设定，其中室内设计温度根据软件已有的该类型房间的最高和最低温度确定，同时对办公人员作息以及灯光设备等也进行了参数设定（图2、图3）。其中软件设置的采暖季开始日期为11 月15 日，结束日期为翌年的3月15 日；空调季开始日期为6 月1 日，结束日期为8 月31日。总建筑空调面积为8141.20m2。

图2 初始模型1

图3 初始模型2

初始模型围护结构参数的设定，是根据现有档案馆围护结构的实际情况，结合DeST 软件内部给出的围护结构层次而定的，从而得到初始模型的热工参数值。本文以此为基准进行能耗模拟计算，为下文多方案对比打下基础。

其中外墙为最简单且无节能措施的240mm 砖墙+20mm 石灰砂浆；屋面为15mm 水泥砂浆+120mm 钢筋混凝土+200mm 膨胀珍珠岩+20mm 水泥砂浆；楼板为25mm 水泥砂浆+100mm 钢筋混凝土+20mm 水泥砂浆；分户墙、楼梯间隔为20mmFTC 保温砂浆+200mm 加气混凝土+20mmFTC 保温砂浆（表1、表2）。

表1 围护结构性能指标

表2 各工况性能指标

1.3 初始模型的能耗分析

对未采用外墙节能措施的初始模型进行能耗分析，结果显示，在外墙为240mm 砖墙+20mm 石灰砂浆的初始模型能耗模拟下，全年最大热负荷为445.4kW，累计热负荷为401342.44kW，全年最大冷负荷为515kW，累计冷负荷为435330.20kW。单位面积空调冷负荷在8 月达到峰值，为63.26W/m2，单元面积空调热负荷在12 月达到峰值，为54.38W/m2。由此可见，初始模型相对于低能耗建筑标准，差距较大。

2 建筑外墙多变量能耗模拟分析

建筑外墙在建筑围护结构中占有较大比例，而外墙设计首先应保证室内热损失的减少，即尽可能地做到墙体的保温隔热，增大墙体的传热阻。要达到这样的目的，其一是增加结构层的材料性能；其二是使用保温体系。本文以240mm 砖墙作为结构层材料，即通过改变保温材料类型和厚度来改变外墙传统系数的方式，并其能耗进行模拟对比。其中，保温材料的厚度以30mm 为梯度，即模拟30mm、60mm、90mm三种厚度；保温层采用聚苯板内保温、膨胀珍珠岩和膨胀蛭石三种保温材料[4-5]。

采用全年累计负荷指标来分析其对建筑负荷的影响关系。

工况1：纯石膏板+ 聚苯板+ 纯石膏板+240mm 砖墙；将初始模型外墙改变为此种构造方式，结果显示：全年最大热负荷为333.3kW，累计热负荷为244813.43kW，全年最大冷负荷为480.59kW，累计热负荷为448903.73kW。单位面积空调冷负荷在8 月达到峰值，为59.03W/m2，单元面积空调热负荷在12 月达到峰值，为40.93W/m2（表3）。

表3 工况1 模拟结果（来源：软件导出）

工况2：20mm 水泥砂浆+240mm 砖墙+ 膨胀珍珠岩+30mm无水泥纤维板。将模型外墙改变为此种构造方式，结果显示：此种情况全年最大热负荷为351.22kW，累计热负荷为269765.96kW，全年最大冷负荷为482.52kW，累计冷负荷为445307.38kW。单位面积空调冷负荷在8 月达到峰值，为59.27W/m2，单元面积空调热负荷在12 月达到峰值，为43.14W/m2（表4）。

表4 工况2 模拟结果（来源：软件导出）

工况3：20mm 水泥砂浆+240mm 砖墙+ 膨胀蛭石+30mm 无水泥纤维板。将模型外墙改变为此种构造方式，结果显示：此种情况全年最大热负荷为355.76kW，累计热负荷为276200.80kW，全年最大冷负荷为483.12kW，累计冷负荷为444549.34kW。单位面积空调冷负荷在8 月达到峰值，为59.34W/m2，单元面积空调热负荷在12 月达到峰值，为43.70W/m2（表5）。

表5 工况3 模拟结果（来源：软件导出）

3 模拟结果分析

从以上的模拟结果可以看出，在保持其他围护结构变量不变，且模拟外墙为240砖墙，保温层在30mm、60mm、90mm厚度的情况下（因限于篇幅未列出计算结果），全年最大热负荷、冷负荷以及单位面积空调冷热负荷都有所降低。因此可以得出保温层厚度逐渐增加时，建筑能耗呈递减趋势。

从工况1、2、3 与初始模型的能耗对比结果可以看出，有无保温结构对档案馆建筑的能耗影响较大，有保温的情况下，累计热负荷减少将近一半，而对全年累计冷负荷却影响不明显。工况1、2、3 的对比中可以看出，相同厚度的保温材料，如30mm 膨胀珍珠岩和30mm 膨胀蛭石，能耗模拟结果相近。虽然如此，但也可以看到，工况1，纯石膏板+ 聚苯板+ 纯石膏板+240mm 砖墙这种构造层次下，建筑能耗最低。因此为了达到更好的节能效果，应采用聚苯板内保温这种外墙构造层次。

4 总结

档案馆建筑在我国发展迅速，如何设计出更加绿色低能耗的档案馆是工程设计人员需要考虑的问题。为保障档案馆内的建筑环境，应该对档案馆建筑进行一些改造设计，提高档案馆建筑的节能率。低能耗建筑在我国还没有形成统一的标准，但建筑外墙的保温性能直接影响到建筑能耗指标的大小，本文意在通过多工况下建筑全年能耗的对比模拟，选出最优外墙组合方案。

但是工作远远没有结束，可以看出即使在最低能耗的外墙组合方式中，其单位面积空调热负荷和冷负荷仍然较高。本文限于篇幅只做了对于外墙的粗浅研究，未来在设计实践中还会加以补充，屋顶、门窗、内墙等围护结构都需要与建筑外墙一样进行多变量的对比分析。同时配合其他设计方法，以选出围护结构的最优组合方式，据此，只有对档案馆建筑的节能设施进行改造，是绿色档案馆建筑围护结构的“最优解”。以期能通过此方法最大限度地降低档案馆建筑的能耗，降低碳排放，为绿色档案馆建筑设计做出积极贡献。