基于软件模拟的超低能耗建筑能耗状况分析

王萌 姜钦青

（江西省建筑技术促进中心，江西 南昌 330000）

广义上的建筑物能耗是指建筑产品在全生命周期内所产生的建筑物能耗，而建筑物一直是能耗“大户”，其节能减排效果影响能源消费总量控制目标的实现，所以为实现这一目标，则需要相关学者正确评估各种因素对建筑物能耗的影响，这在一定程度上推动了超低能耗建筑物的出现。但是关于超低能耗建筑物的能耗问题一直缺乏详细标准，利用现代化信息软件深入分析建筑物能耗变化则成为解决这一问题的关键点，值得关注。

1 软件简介

为有效评估建筑能耗水平，本文将借助Ecotect Analysis生态建筑大师软件做进一步研究。

EcotectAnalysis属于全面技术性能分析设计软件，与传统软件相比，该软件支持交互式分析方法来判断软件既定功能，在数据处理中只需要设置一个简单的模型，通过该模型即可获得详细的局部数据。同时EcotectAnalysis软件可以提供大量即时分析数据，例如在模型中通过改变房间的布局或者局部材质的方法，即可获得设计方案改变前后建筑物的混响时间、室内照度等数据；或者在软件中变化窗户的位置即可了解窗户变化后对室内光环境的影响的。同时该软件具有良好的实用性可以支持“DXF”、“3DS”等不同格式的输出，可以与不同软件完成交互。

同时从建筑物能耗评估的角度来看，EcotectAnalysis软件自身可以借助不同物理环境模拟的方法来进行评估，与传统的建筑物能耗分析软件相比，该软件可以借助多样化图形手段，利用图形来展示建筑物的能耗变化情况，并且能够与建筑物热环境、能耗、声环境等诸多指标完成集成，具有先进性。

2 超低能耗建筑物的能耗状况评价

2.1 工程项目简介

某建筑物墙体为370mm实心黏土砖双面抹灰墙，其体形系数为0.395，明显低于规定值。改造后的建筑物属于集会议、餐饮以及住宿为一体的综合性建筑物，其中住宿面积占比约为50%，集中在建筑物的左侧部位；右侧为餐厅，餐厅后方为厨房。由此可见，整个建筑物的功能分区明显，易于辨别。

2.2 制定检测方案

在本次超低能耗评价中，考虑到建筑物空调系统是造成能耗的主要原因，而空调系统的使用又与温度之间存在密切关系。所以在本次研究中将重点针对建筑物的温度变化展开研究，并兼顾当地气候变化等因素的影响。

本次检测中所使用的设备主要包括：1）自记温湿度计，为THL0G型号；2）安吉仑数据采集仪，型号为Agilent34970A；3）风速仪，型号RHAT-301；4）红外测温仪，型号RAYMX2C；5）太阳辐射仪，型号PC-2。

整个试验过程约为10d，通过在建筑物内进行多点检测，测试点包括：1）双框三玻璃节能窗的内外侧以及空气间层等；2）房建内外墙面、屋顶内侧以及梁柱部位等；3）每个房间各设置一支自记温湿度计；4）楼道与大厅位置设置一支自记温湿度计；5）门斗位置设置一支自记温湿度计（该部位需做遮阳处理）；6）在向阳面与背阴面设置太阳辐射仪。整个采集过程中，采集周期为30min，由装置自行记录设备运行数据。室内采样点与地面的高度差为1.5m。

2.3 测试结果分析

2.3.1 门斗与大厅温度测试结果

该建筑物的入口位置为一个全玻璃包裹的门斗，温度统计结果显示在下午约14：00出现最高温度约为29.81℃；最低 温度 出 现 在9：00左 右，约 为1.94℃，整体温度起伏较为明显。相比之下，大厅内部的温度变化相对平稳，其中的最高温度达到了29.19℃，最低温度为20.94℃，符合建筑物室内温度控制的基本要求。

2.3.2 室内外温湿度测试

在本次测试过程中针对建筑物南北向的建筑物进行检测，根据检测结果可以发现，房间中的温湿度相对稳定，室外气候波动的影响不明显，房间中的温湿度差异不明显；多次检测结果证明，室内平均温度≥20℃，平均湿度维持在40%-50%范围内，体现出当前建筑物的节能保温措施科学有效，可以使建筑物的内部物理环境趋于稳定。

2.3.3 窗户表面温度测试结果

针对建筑物中容易散热的部位，窗户的性能直接影响室内热环境等指标，所以为了深入了解该建筑物的窗户与节能效果之间的相关性，本文将针对窗户的相关温湿度系数展开进一步检测。本次实验中温度的相关数据如图1所示。

图1 温度对比结果图

根据图1所介绍的相关资料可以发现，窗户内外各点的温度变化趋势基本相同，温度基本呈现出由内到外缓慢降低的变化趋势，建筑物中内框内表面与外框外表面的温差与室内外温差变化趋势基本相同。同时窗户外侧表面与室内墙体表面的温度差值约为4.0℃，这一结果证明窗户散热性能明显下降，可以避免窗户处热桥的发生，提示窗户的传热性能与墙体基本相同，这一结果符合建筑物低能设计的要求。

3 能耗模拟分析

从建筑物能耗管理的角度来看，在已知建筑物各个构造部位具体情况以及所使用材料性能参数的基础上，对建筑物的能耗做模拟分析，可以判断出建筑物在不同时间段的能耗变化情况，这种方法不仅可以最大限度上建筑物后期运行中的能耗，也有助于优化建筑设计人员的设计方案，减少后续不必要的节能改造技术方案。所以本文将借助EcotectAnalysis生态建筑大师软件进行分析，通过该软件来判断建筑物不同时间段的能耗情况，并与当地低能耗建筑物中的相关条例相对比，根据其中的数据误差可以判断建筑物能耗是否符合预期标准。

3.1 建筑物的建模

在EcotectAnalysis生态建筑大师软件中，通过Zone为单元将整个空间进行快速划分定位，按照“局部→整体”的设计流程来判断建筑物能耗；期间在模型中Zone的内部元件可以用不同颜色进行展示，提升了整个模型中的分区结果精度，有助于快速定位。因此案例工程项目中模型的建立方案如图2所示。

图2 模型建立最终结果

同时在该模型中，根据EcotectAnalysis软件中没有提供的构造或者材料，工作人员可以直接在该模型上进行编辑，在输入不同的控制指令后，计算出建筑物特定构造的能耗信息。

3.2 设置相关参数

在按照图2设置相关模型后即可设置模型的区域属性参数，此时需要设置的数据包括内部居民数量、系统类型以及能耗设备等数据。

3.2.1 GeneralSettings

在GeneralSettings设置中，需要设置的信息包括：室内基本设计条件、阴影与反射装置、人员与运行等基本数据。具体可分为：1）室内设计条件可以包括相对湿度、室内照度、风速以及衣着量等数据，可以自行定义其中的相关数据，例如人在室内穿着裤子与衬衫，这种衣着量可以定义为“1”；相应的人若在室内穿裤子与棉服，可以将衣着量定义为“3”等。其他数据可以为实测值，如室内的相对湿度、室内风速以及室内照度等；2）“人员与运行”则包括室内人员情况，室内得热水平与“不舒适度”相匹配。其中室内人员情况包括房间中人的数量、人员活动情况以及人员活动时间表等；室内得热情况则是包括各种电气设备所产生的热能。以客房为例，在计算该指标中可以按照下列参数标准计算，及照明系统功率值为15W/m，电气设备功率值为20W/m等，并且根据室内建筑物中电气设备的增减数量作出调整；3）室内得热包括各种小型电热器或者灯具等装置给建筑物带来的显热得热与潜热得热，根据现有经验，在计算显热得热与潜热得热时，可以按照“（室内灯具+小型电气铭牌功率）×33%”的方法进行计算。以正常的房间为例，假设房间的照明功率密度值达到了15W/m，而电气设备的功率值达到了20W/m，则按照上述公式可以计算出显热得热与潜热得热约为12W/m。同时考虑到显热得热与潜热得热的比例受到计算温度与湿度等因素影响，按照影响比重权重，可以按照设定的70%：30%的比例计算。

3.2.2 热环境属性

在热环境属性中则主要包括了建筑物中暖空空调系统运行的相关数据，一般可以将其细分为有效系统与舒适温度区间两个范围，其中有效系统与建筑物中暖通系统的功能类型对接，即不同类型的暖空空调系统的取值结果不同；而舒适温度区间则是指居民在室内感受到舒适温度的上限值与下限值等，本次设计中将上限值设定为23℃，下限值设定为20℃，这一标准可以满足我国绝大部分地区的规范要求。

在EcotectAnalysis系统中可以提供多种选项，包括：无系统、自然通风模式、混合模式系统、全空调系统、仅采暖、仅智能等多个选项，在热环境属性模拟中可以根据建筑物的实际情况作出选择。

3.3 气象数据分析

气象数据是影响建筑物能耗的重要因素，所以在建筑物设计中需要适当采用主动策略或者被动策略，坚持因地制宜的方法优化设计方案，所以在本次软件模拟中，应加载案例工程项目的气象数据，并且为了保证数据结果精准度，本文将采用中国标准气象数据库中的资料进行计算，该数据库为国家气象局联合清华大学的实际检测结果，数据真实可靠，包括相对湿度、太阳辐射照度、降雨量、风向以及气温等。

3.3.1 太阳辐射分析结果

在本次研究中在EcotectAnalysis软件中，选定气象辅助软件后直接加载项目所在地区的气象数据情况来判断太阳辐射变化情况。该软件可以识别不同环境的太阳辐射值，并按照全年过热期、欠热期的太阳辐射值计算出建筑物理想朝向，根据这一结果可以用于建筑物平面布局与规划。

3.3.2 逐时气象数据分析

根据逐时气象分析数据，可以判断项目所在地区的过渡性气温变化情况，其中最低温度出现在1月份，最高温度出现在8月份；对温度做进一步统计后发现，当地的相对湿度的变化趋势与气温基本相同，并且在过渡季也可以发现相对湿度的变化情况，其中冬季的相对湿度波动明显高于夏季。

3.3.3 焓湿图策略

借助系统的焓湿图策略，可以结合本地区的气象数据，在焓湿图中对各种能耗方案进行分析与优化，最终增强建筑物与周边环境之间的互动性，并达到降低后期运行成本的目的，其中包括自然通风、被动式太阳能采暖等多种方式。

在焓湿图上可以绘制不同的点，每个点分别代表了特定时间段的气温与湿度状态，在数据处理中，用X坐标表示气温温度；Y坐标表示绝对湿度；通过倾斜的虚线表示相对湿度。

但是在数据处理过程中应该注意的是，因为焓湿图中仅仅包括了湿度与气温两个物理因素之间的相关性，难以识别平均辐射温度以及气流速度等因素的影响，所以在焓湿图策略中可以设定上述指标为恒定的，无限接近平均温度。

3.4 能耗模拟结果分析

为深入判断建筑物在运行过程中的能耗问题，考虑到照明、采暖、电梯、烹饪、空调以及家用电器的能耗都会影响节能效果，而在上述能耗中，占比最高的就是暖空空调系统（见表1），所以本文将针对暖通系统展开重点分析。结合EcotectAnalysis软件模拟分析建筑物暖通空调的能耗，并在指示图中展示其中的关键数据，即可判断出建筑物的能耗运行参数。

表1 建筑物能耗的比例表

因此在选择某年1月1日建筑物暖通空调系统的能耗问题后，从EcotectAnalysis软件模拟结果中可以发现，在软件中可以记录当日室外温度、太阳辐射强度以及风速等一系列气象数据。最终模拟结果证明，建筑物在正午时的室外温度超过1℃，此时太阳直射强度与散射强度达到峰值；在室内温度检测结果显示，室内温度的平均温度约为19℃，结果证明室内温度基本维持在一定区域内恒定，符合前期的设计结果。同时从建筑物的得热情况来看（包括室内外温差造成的得热以及照射在围护结构表面的太阳辐射所形成的得热），结果显示得热主要集中在夏季，而冬季建筑物一直处于失热状态。因此根据这一结果可以认为，未来在建筑物改造中应确保建筑物的围护结构有良好的隔热性能，满足江西地区的气候要求，避免夏季温度偏高影响居民舒适度；而在冬季则要关注建筑物的保温性能，减少出现的热量散失情况，减少室内外的温度差。

同时在本文所选择的1月1日背景下，整个建筑物获得热量的主要方法为太阳能直接得热与建筑物内部直接热，而失热的主要途径为通风或者维护结构传导，所以根据这一结果应考虑到建筑物朝向等因素的影响，确保建筑物可以尽可能多接受太阳直射；同时应密切关注建筑物保温隔热性能的影响；最后要观察通风换气系统所造成的热量损失问题，最终改善通风系统功能，尽可能回收换气过程中所造成的热量损失。

最后在默认状态下，组件以组分的形式显示可以计算1月1日当天不同时间段的暖通空调能耗。结果显示在空调利用高峰期，暖通空调系统的耗电量与建筑物改造前相比下降约25%～30%。

4 结语

借助软件分析方法可以正确判断建筑物能耗问题，本文通过EcotectAnalysis软件实现了某一低能耗建筑物的能耗分析，结果显示该技术可以记录不同时间段的能耗变化，通过比较改造前后的能耗数据评估节能改造工艺质量，具有满意效果，值得关注。