大空間公共建筑能耗模擬與節能優化設計

田國華,顧賢光,季翔,李小多

(1.江蘇建筑職業技術學院 江蘇省建筑節能工程技術研究中心,江蘇 徐州221116;2.中國礦業大學 力學與建筑工程學院,江蘇 徐州 221008)

大空間公共建筑能耗模擬與節能優化設計

田國華1,顧賢光2,季翔1,李小多2

(1.江蘇建筑職業技術學院 江蘇省建筑節能工程技術研究中心,江蘇 徐州221116;2.中國礦業大學 力學與建筑工程學院,江蘇 徐州 221008)

具有特殊功能的大空間公共建筑的最大缺點是高能耗.高鐵站房是具有代表性的大空間公共建筑.對某高鐵站房的能耗現狀進行了調查,利用ECOTECT軟件對其風環境、采光、建筑得熱等進行數值模擬,分析建筑設計方面存在的缺陷,并根據模擬結果提出了嚴格控制建筑體型系數、合理運用光導照明技術、綜合使用混合通風技術和被動式節能技術等建筑節能優化設計措施.

大空間;公共建筑;建筑能耗;計算機模擬;節能優化設計

大空間公共建筑作為社會活動的中心,在體量、尺度、體形及形式等方面往往與眾不同,具有重要的社會和美學地位,是一座城市的公共藝術和城市文明的標志.在大空間公共建筑的設計中,為了滿足其城市地標的要求,一般對其功能和美學研究得較多,較少關注其節能問題,造成多數大空間公共建筑能耗較高.在能源危機日益嚴重的形勢下,隨著大空間公共建筑建設量的增大,其建筑能耗和節能優化問題逐漸成為廣大學者研究的焦點.由于大空間公共建筑系統復雜多樣,受諸多因素影響,節能優化設計具有一定的難度(需要具有一定的專業工程經驗和技術素養的工程師專門負責),且當前針對大空間公共建筑的節能設計研究缺乏廣度和深度,尚未形成成熟的理論體系.因此,對大空間公共建筑的節能分析,必須從選址、形體、空間、環境氣候利用和節能手段等層面進行,并利用計算機軟件進行數值模擬計算,以定量的計算結果為節能設計提供有利的依據.

高鐵站房是具有代表性的大空間公共建筑.本文對某高鐵站建筑能耗現狀進行了調查,利用ECOTECT軟件對其風環境、采光、建筑得熱等進行數值模擬分析,并根據模擬結果提出了優化建筑節能設計的有關措施.

1 某高鐵站建筑能耗現狀調研

1.1 建筑概況

某高鐵站地處蘇北,屬寒冷地區.該站房主體為2層,兩側局部為3層,總建筑面積為14 984 m2;建筑主體高度為28.2 m.建筑造型上運用了親切、明快、生機勃勃的弧線元素符號,屋面挑檐深邃悠遠,曲線呈展翅騰飛的姿態.建筑大量使用金屬和玻璃材料,立面造型為對稱布局,中間高、兩邊低,主次分明.整體設計簡約大方,優美自然,融合了現代技術與材料,表達出自然親和的個性特點以及充滿現代感和速度感的時代精神.

1.2 建筑能耗組成

根據查閱資料和現場調查,該建筑單位面積能耗達到288.3 k Wh/m2,單位面積耗電密度高、耗電量大,遠高于公共建筑能耗限值,但冬季采暖耗熱量較小.該建筑總能耗組成(能耗,比例)如圖1所示,空調能耗組成(能耗,比例)如圖2所示.

圖1 建筑總能耗組成Fig.1 Composition of total energy consumption of the building

圖2 空調系統能耗組成Fig.2 Composition of energy consumption of air conditioning system

1.3 建筑能耗特點

根據現場調研和對該建筑單位面積能源消耗量組成的分析,其能耗具有以下特點[1]:

1)該高鐵站房人流密度大,電器設備密度高,室內發熱量大,冬季耗熱量較小.

2)自然采光不足,需要采用人工照明,因在照明設計時以較高的照度、合適的色溫來滿足使用要求,導致照明設備單位面積功率較高,照明用能較大.

3)由于建筑空間大,中央空調系統能量傳輸距離長,送風系統采用定風量全空氣系統,輸送系數較低,每天運行時間長達12 h以上,空調能耗較大.

4)建筑東西兩側使用了大面積的玻璃幕墻,窗墻比雖大,但可開啟面積較小,未能充分利用自然通風降溫,增加了空調能耗.

5)建筑幕墻面積大,導致保溫隔熱性能相對墻體較差,增加了能源消耗.

2 建筑能耗模擬分析

采用ECOTECT軟件對該高鐵站房建筑風環境、采光、熱量等進行模擬計算,分析該類大空間建筑能耗高的原因.

2.1 風環境

該建筑地處江蘇北部,為寒冷地區,常年風速大于3 m/s的時間在2 000 h以上,夏季風主導方向為東南方向,具有豐富的風資源,其主導風頻率、平均風溫度如圖3、圖4所示.

由圖3、圖4分析,該地區全年大部分時間的風速均在41 km/h左右,風溫度多集中在15～25℃之間,屬較舒適環境,能夠為建筑節能提供有利條件.但由于該建筑主要入口為西向,且均為不可開啟的幕墻,導致對風資源利用不足.

圖3 主導風頻率Fig.3 Prevailing wind frequency

圖4 平均風溫度Fig.4 Average wind temperature

2.2 采光

該高鐵站房為東西朝向布置,東西側均為大面積玻璃幕墻,采光較好,但由于空間較大,采光不夠均勻.利用ECOTECT軟件進行采光分析的條件為:以太陽方位角南偏西23°,天空照度模型CIE多云,照度5 000 Lux.

圖5為建筑的采光模擬分析.通過分析可以得出,在東西兩側大面積的玻璃幕墻下,全年陽光直射相對較多,夏季空間內溫度偏高.由于太陽方位的原因,西側主入口的采光系數最大.

圖5 采光模擬分析Fig.5 Simulation analysis of lighting

2.3 建筑得失熱量

在夏季,太陽高度角較高,該建筑在出挑的大屋頂下,遮陽效果比較明顯;但在下午西曬時段,遮陽效果較差,室內受熱較多.在冬季,太陽高度角較低,可以直射進空間內部,增加內部采光和得熱,但由于建筑為東西朝向,自然采光時間較短.

由圖6可以看出,該建筑平均每天可用的日光輻射多集中在7時～19時;而做了保溫措施的圍護結構將吸收的太陽輻射熱在8時～20時釋放到室內空間,這一時間段正是該建筑使用頻率最高的時候,因此室內夏季舒適度較差.

圖6 全年直接太陽得熱分析Fig.6 Analysis of yearly solar heat gain

根據圖7所示,該建筑每年11月至來年3月為季風帶走建筑自身熱量的時間段,在此期間,建筑需要得到外界熱量,因此必須采取保溫隔熱措施,減少建筑熱損失;每年4～10月是由通風獲得熱量的時間段,建筑需要向室外釋放熱量,因此需要做好必要的隔熱措施保證室內空調的效率;而在每年的過渡季節(3～7月、10～12月)可以開啟外窗,通過自然通風和有效的太陽輻射,滿足室內熱舒適度的要求.由此可見,在冬夏季節,良好的圍護結構保溫隔熱措施是保證建筑節能的關鍵.

圖7 全年通風得熱分析Fig.7 Analysis of yearly ventilation heat gain

3 建筑節能優化設計

根據上述模擬結果分析,提出以下優化建筑節能設計的措施.

3.1 嚴格控制建筑體型系數

大空間公共建筑一般具有特殊的功能,造型變化多樣,體形系數較大,多為地標性建筑,但從降低建筑能耗的角度而言,應當按照公共建筑節能設計標準嚴格控制體型系數,減小建筑熱損失表面積.體型系數與建筑造型、平面布局、采光通風等因素相關,當體型系數過小,將制約建筑的造型,甚至會損害建筑功能.因此,如何合理地確定建筑體型系數,是建筑節能設計中必須考慮的關鍵問題.根據能耗數值模擬分析,應從以下方面進行控制[2]:

1)根據用地條件合理規劃,選擇建筑南北朝向,避免東西朝向.

2)根據場地合理設計建筑長寬比,盡量減少建筑的面寬,加大建筑的進深.

3)在滿足造型需要的條件下,盡量減少建筑體型曲折多變、墻面凸凹不平的造型設計.

3.2 合理運用光導照明技術

在可持續建筑的設計理念下,充分利用自然光,通過側向采光、屋面采光等手段實現大空間公共建筑自然采光的優化設計是有效的節能手段.大空間公共建筑一般具有特殊使用功能要求,需要寬敞明亮的采光效果,若在自然采光的情況下大量使用人工照明,顯然違背了生態建筑的節能理念.

光導照明技術通過采光罩高效采集室外自然光線并導入系統內重新分配,再經過特殊制作的導光管傳輸后,由底部的漫射裝置把自然光均勻高效地照射到任何需要光線的地方,是真正節能、環保、綠色的照明方式,能夠顯著降低照明能耗[3].因此,對于內部空間大、無法采用屋面采光的特殊建筑,合理采用光導照明技術是減少照明能耗的有效方法.

3.3 強化使用混合通風技術

模擬結果顯示,大空間公共建筑中自然通風效果較差.在實際工程中,空氣很容易產生流動,并且總是在有壓力梯度時產生.正壓出現在建筑上風方向,在這里空氣對建筑形成一定的壓力;負壓在建筑的下風方向(即風影區)產生,并從建筑中吸出空氣.要形成通風,必須創造壓力梯度,可以通過兩種方式實現.其一,利用由自然風形成的建筑外部的壓力差;其二,利用空間內部形成的壓力差.因暖空氣比冷空氣密度低,在壓力作用下空氣中較暖的部分向上升起,同時冷空氣向下降落,從而形成“煙囪效應”,可用以實現建筑空間的通風,但有時會與風壓形成的穿堂風產生矛盾[4].

因此,在這種大進深和面寬的公共建筑中,由于室內環境復雜,通風路徑不固定,很難形成穩定的自然通風,僅依靠風壓通風則難以進行有效控制.由此可見,對于大空間、大進深建筑,在新鮮空氣需求量大,自然通風不能滿足要求的條件下,必須強化混合通風,優化室內的微氣候環境.

3.4 綜合運用被動式節能技術

在大空間公共建筑的設計中,綜合運用被動式節能技術,推行節能一體化設計,亦可有效降低建筑能耗[5].適用于大空間公共建筑的被動式節能技術主要有:

1)利用場地因素遮擋或者吸收太陽輻射,利用和控制主導風向,實現室外環境利用的最優化,增加或者降低建筑室外溫濕度,達到節能的效果.

2)通過合理的平面布局實現自然采光通風,并通過對體型系數的控制達到保溫節能.

3)通過遮陽設計阻擋過多的太陽輻射.

4)充分利用被動式太陽能,通過太陽房收集儲存太陽輻射熱量.

4 結語

大空間公共建筑作為具有特殊功能的建筑,單位面積能耗較大,遠超過普通公共建筑能耗水平,具有較大的節能潛力.本文通過對某高鐵站房建筑能耗現狀進行調查,利用ECOTECT軟件數值模擬計算結果,分析了大空間公共建筑節能設計存在的缺陷,提出該類建筑設計應從體形系數、平面形式、自然采光和通風控制等方面,進行多種節能技術的整合及集成,設計合理的體形系數,采用良好的自然采光和自然通風技術,并綜合利用保溫隔熱的圍護結構以及被動式節能技術,以最終達到最優化設計,進而有效地降低建筑能耗.

[1] 魏慶芃,王鑫,肖賀,等.中國公共建筑能耗現狀和特點[J].建設科技,2009(8):39-43.

[2] 莫天柱,宋竹.夏熱冬冷地區規劃方案階段控制體型系數的研究[J].建筑節能,2010(4):4-7.

[3] 鄧衍亮.綠色管道式日光照明裝置[J].建設科技,2011(3):90-91.

[4] 李傳成.大空間建筑通風節能策略[M].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[5] 李云.被動式節能技術在綠色建筑中的應用[J].華東科技:學術版,2012(3):111-112.

Energy consumption simulation and optimization design for energy conservation of large space public buildings

TIAN Guo-hua1,GU Xian-guang2,JI Xiang1,LI Xiao-duo2
(1.Jiangsu Building Energy Efficiency Engineering Research Center,Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

The biggest advantage of large space public buildings with special function is high energy consumption.High-speed railway stations are typical large space public buildings.This paper carries out investigations on energy consumption status of some high-speed railway station,conducts numerical simulation of its wind environment,lighting and heat gain situations with the software of ECOTECT.Based on that,it analyzes defects existing in architectural design and according to simulating results,it puts forward optimization design measures for energy conservation including controlling shape coefficient of the building strictly,using tubular skylight technology properly and using a combination of hybrid ventilation technology and passive energy conservation technology.

large space;public buildings;building energy consumption;computer simulation;optimization design for energy conservation

TU 832

A

2095-3550(2014)04-0001-04

2014-06-15

江蘇省六大人才高峰資助項目 (2011-JZ-009);徐州市節能技術進步專項資金計劃項目 (XJ12B006)

田國華,男,山東單縣人,講師,工程師,博士研究生.

E-mail:tgh0208@163.com

(責任編輯:趙國淮)