建筑耗能計算機模擬分析
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本文作者：王芙蓉、文亮、王濤 單位：西安建筑科技大學建筑學院、中國建筑設計研究院
1（略）
利用計算機模擬，能夠彌補傳統(tǒng)設計方法對建筑能耗分析的不足，幫助建筑師直觀地判斷方案設計對于建筑能耗的影響，從而將建筑能耗成為建筑設計考慮的重要條件，在建筑的規(guī)劃設計和單體設計過程中進行節(jié)能設計。從建筑全壽命周期來看，前期的方案設計階段所做的決策對于建筑的能耗會產(chǎn)生重要的影響(圖1)，對降低后期建筑運行的能耗具有重要意義。目前建筑模擬軟件很多，本文采用Ecotect和Pheonics進行光環(huán)境和風環(huán)境模擬。
2西安市園丁花苑小區(qū)概況
2．1區(qū)位及規(guī)劃布局
園丁花苑小區(qū)位于西安市灞橋區(qū)紡織城東北部，是灞橋區(qū)為廣大教師建設的安居工程(圖2)。整個小區(qū)規(guī)劃用地面積265畝，全部工程分兩期完成。一期工程由A、B兩個區(qū)組成(圖3)，占地5.68公頃，其中A區(qū)總用地面積2.23公頃，B區(qū)總用地面積3.45公頃，A，B區(qū)之間相隔一條寬約110m的綠地。
2．2建筑現(xiàn)狀分析
本論文對A區(qū)進行了現(xiàn)狀分析及改造。A區(qū)包含10棟6層住宅樓以及1棟6層辦公樓，住宅總戶數(shù)360戶，建筑總面積約4500m2。建筑密度30%，基本采用行列式布局形式(圖4)，是北方地區(qū)常采用的形式之一。住宅為多層板樓，磚混結(jié)構(gòu)體系，都為6層，層高為2.8m。戶型主要有A，B兩種形式(圖5，6)，均采用北向入戶的布置。根據(jù)A，B兩種戶型的標準層平面可以看出，戶型平面均南北通透，室內(nèi)房間基本都面向南北開窗(山墻面有局部開窗)，內(nèi)部主要使用空間(臥室、客廳)基本都朝南布置。陽臺全部采用封閉陽臺形式，立面沒有進行遮陽設計。西安雖然屬于寒冷地區(qū)，但夏季氣候炎熱，建筑設計過程中對遮陽以及自然通風考慮較少。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，用戶夏季空調(diào)安裝與使用率有不斷提高的趨勢，因此本文主要對夏季的遮陽和自然通風進行模擬分析。
3規(guī)劃布局模擬分析
3．1小區(qū)日照模擬
Ecotect提供了強大的日照分析功能，并且可視化較高，便于建筑師在方案階段進行輔助分析和設計。首先建立建筑體量模型，導入西安地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，便可以利用Ecotect中的“遮擋及日照時間”分析模塊進行計算。我國標準是采用大寒日為日照時間，按照相關標準，大寒日的日照有效時間段為8點到16點。為此，將軟件計算時間設置為8點到16點，開始日期和結(jié)束日期均選擇1月20日。根據(jù)建筑一層的窗臺高度將計算界面選擇為1.6m高的水平平面。通過模擬便能夠精確地得到計算界面內(nèi)所有區(qū)域大寒日一天內(nèi)的日照時間。
根據(jù)GB50180—93《城市居住區(qū)規(guī)劃設計規(guī)范》應滿足大寒日最低兩小時的日照要求，對于西安地區(qū)，應該盡量爭取較長的冬季日照時間以吸收太陽輻射。小區(qū)由于采取行列式布局，前排建筑東西間距較小，對后排建筑日照遮擋影響較大，除南面第一排建筑外的后排建筑都難以滿足日照要求(圖7)。在不改變建筑規(guī)劃布局的前提下，通過對建筑南北間距的調(diào)整，所有住宅建筑南立面平均基本能達到3h以上的日照時間(圖8)。
3．2小區(qū)風環(huán)境模擬
小區(qū)建筑布局中，需要考慮風環(huán)境的影響主要有兩個方面，一是冬季的防風保溫，另一是夏季的通風。西安地區(qū)受冬季風影響較小，風環(huán)境主要考慮夏季自然通風的利用。利用Pheonics軟件作者對場地建筑群進行了模擬。
西安地區(qū)夏季盛行西南風，由于建筑布局的影響，通過模擬分析的結(jié)果可以觀察到西南風氣流經(jīng)過行列式布局的建筑群體時，風向由于受到建筑的影響發(fā)生了改變，與建筑的表面相平行(圖9)，給室內(nèi)自然通風的組織帶來了不利的影響。在單體設計時，需要考慮進行構(gòu)造措施設計以增強自然通風效果。
4建筑單體模擬分析
4．1自然采光分析
利用Ecotect建立單體戶型模型，首先對整個戶型平面進行自然采光模擬，通過分析網(wǎng)格的設置計算結(jié)果會按照數(shù)值以網(wǎng)格顯示(圖10)。由于戶型進深較大，給室內(nèi)自然采光造成了不利的影響。默認情況下顯示的是采光系數(shù)，同時程序還將在繪圖區(qū)右側(cè)顯示出數(shù)據(jù)圖例，室內(nèi)照度的分布從窗口到室內(nèi)逐步減小，其絕對值在100lux左右，基本滿足房間自然采光要求，但由于其分布不均，特別是對于有陽臺的臥室，由于陽臺的遮陽作用對自然采光影響較大。同時，窗戶和門洞的大小及形式會對自然采光的效果產(chǎn)生影響，例如臥室采用的是單扇1m寬木門，通過改變臥室開門的形式，將單扇門改為1.5m寬雙層玻璃雙扇推拉門，臥室的自然采光效果能夠得到有效的提升(圖11)。
4．2遮陽分析
從建筑單體的現(xiàn)狀調(diào)研來看，住宅南向使用房間除陽臺外沒有任何遮陽措施。遮陽措施能夠減少太陽的直射，減少由窗戶所吸收的太陽輻射，在夏季提高室內(nèi)舒適度的同時，可以有效地減少空調(diào)等電器的使用從而降低用電消耗。理想的遮陽措施應當減少夏季太陽直射，同時不影響冬季太陽輻射的吸收，通過冬夏兩季太陽入射高度角的差異能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求(圖12，13)。利用Ecotect的太陽輻射分析可以對南向開窗冬夏兩季所接受的太陽輻射進行模擬計算。對南向臥室開窗進行模擬分析得出:夏季(6月1號到8月30號)直接吸收的太陽輻射總量為340078.94Wh，冬季(12月1號到2月30號)為139167.4Wh(圖14，15)。通過Ecotect自動生成水平百葉遮陽構(gòu)件(圖16)，其尺寸為1.8m×1.7m。自動生成的水平百葉夏季太陽輻射總量為139167.4Wh，冬季為58743.85Wh，在夏季太陽輻射降低了59%的同時，冬季的太陽輻射量也降低了58%，從經(jīng)濟上分析明顯不劃算。西安地區(qū)大寒日的太陽高度角大約為33度，大暑日太陽高度角約為77度。
根據(jù)大暑日太陽高度角以及窗戶高度，利用三角函數(shù)求得遮陽板寬度約為0.3m，由于高度角采用的是最大值，適當增加寬度采用0.4m(圖17)，然后對其進行模擬計算。將遮陽板寬度改為0.4m之后，窗戶夏季吸收太陽輻射總量為189419.59Wh，冬季為115102.95Wh。同不采用任何遮陽措施相比，夏天吸收的太陽輻射總量減少了44.4%，冬季吸收的太陽輻射總量則減少了17.3%，總體來看，對于減少夏季太陽輻射起到了明顯的作用，同時對于冬季吸收太陽輻射影響較小，可以為設計方案提供依據(jù)。
4．3室內(nèi)通風模擬
通過之前的小區(qū)風環(huán)境模擬，已分析出由于受建筑群體布局的影響，夏季盛行的西南風經(jīng)過小區(qū)時風向與后排建筑平行，入射角變?yōu)?度，給戶內(nèi)的通風造成了不利影響。利用PHOENICS軟件，假設夏季西南風環(huán)境下，作者對戶型A的南向臥室進行了模擬(圖18)?？梢杂^察到，當外部氣流與窗戶平行時，室內(nèi)很難形成有效的自然通風，需要利用構(gòu)造措施增強自然通風效果，在窗戶外部加設寬度0.4m的豎向?qū)эL板，再次對室內(nèi)自然通風進行模擬(圖19)，室內(nèi)的自然通風效果得到了顯著的提升，平均風速增長了1倍，但由于進風口和出風口位置都靠向一側(cè)，導致了室內(nèi)風速分布不均，存在明顯死角。
通過調(diào)整窗戶位置，對窗戶靠另一側(cè)設置(圖20)和居中設置(圖21)的兩種情況進行模擬。在窗戶洞口大小不變的前提下，窗戶居中時室內(nèi)自然通風分布及平均風速能夠獲得更好的效果。為了對導風板的導風作用做進一步的分析，還對導風板不同寬度條件下的導風效果進行了試驗分析。當導風板寬度0.2m，0.4m，0.6m和0.8m時，室內(nèi)氣流環(huán)境如圖22～25所示。當導風板寬度為0.2m時，對增強室內(nèi)自然通風效果影響較小;當導風板寬度為0．4～0.8m時，隨著導風板寬度增加室內(nèi)平均風速有所增加，但總體效果不太明顯。結(jié)合之前遮陽板的寬度，選取擋風板寬度為0.4m。
5方案設計改造
以上的日照以及風環(huán)境分析，可以了解到如何在建筑布局中利用模擬技術(shù)掌握場地的日照環(huán)境和光環(huán)境，從而根據(jù)需要進行建筑布局調(diào)整，以及在建筑單體設計中，考慮自然采光、遮陽和自然通風等條件，進行節(jié)能設計。通過模擬分析，結(jié)合遮陽板、導風板、空調(diào)機的安裝需求，進行了立面的構(gòu)造措施設計。0．4m寬水平遮陽板能夠遮擋夏季太陽的直射，同時不影響冬季太陽輻射的吸收，東側(cè)豎直擋風板能夠增強自然通風效果，西側(cè)豎直活動百葉能夠根據(jù)遮陽或通風的需求進行調(diào)節(jié)，窗臺底部能夠進行室外空調(diào)機的安裝(圖26，27)。
6結(jié)論
本文通過實例應用計算機模擬對住宅區(qū)的規(guī)劃和單體進行日照和風環(huán)境分析，從而將建筑節(jié)能作為考慮條件進行方案設計。對于計算機模擬手段，從發(fā)展的趨勢來看，今后將被越來越多地應用
