基于木結構替代下的寒地建筑空間節能探究
——以吉林建筑大學城市設計研究中心環境改造為例

張成龍 李介鵬*,2

1.吉林建筑大學建筑與城市規劃學院

2.上海海上藝號教育培訓有限公司

1 引言

木結構建筑在節能環保、綠色低碳、防震減災、工廠化預制、施工效率等方面也凸現了更多的優勢。木結構建筑的大規模興建對于實現東北嚴寒地區的建筑節能、興建綠色建筑甚至零能耗建筑都有十分重要的參考價值，對于建設兩型社會，提高生態文明水平，具有十分重要的現實意義。而當前對于現有建筑，對其進行木結構建筑的改建替代設計，運用數字化建筑能耗模擬的方法對其進行能耗模擬計算，可以很好地指導新建木結構建筑的設計、施工和建造[1]。

本文將從吉林建筑大學逸夫教學館寒地城市設計研究中心的現有辦公和木結構改建空間的建筑能耗模擬入手，結合模擬計算后的能耗參數對木結構建筑空間提出合理的改造策略。

2 研究方法

2.1 研究對象

吉林建筑大學逸夫教學館位于吉林省長春市凈月區，建筑面積27492m2，于2011 年10 月破土動工，2013 年5 月投入使用。主要用于建筑與規劃學院和藝術設計學院的教學、辦公及科研。寒地城市設計研究中心工作室空間位于逸夫教學館一層[1]，建筑面積為162m2，高度為3.5m，為2 位中心主任老師和約14 名科研人員提供辦公、學習場所。

原有辦公工作空間建成初期為學校的學生創新創業中心，一度也為學校的設計研究院提供師生的辦公學習場所，現擬對該辦公空間進行改造，成立校級科研平臺寒地城市設計研究中心，以適應當前與接下來學校的科研發展需求。原建筑結構形式為鋼筋混凝土結構，整棟建筑為長春市統一供暖，暖氣為靠墻式暖氣片供暖，考慮到建筑為寒地建筑，因此設計之初無夏季制冷措施，并無節能措施，因此需進行改造。

2.2 研究方法與軟件選擇

（1）建筑能耗模擬：美國暖氣和空調工程師學會（ASHAE）將能耗模擬方法分為兩大類，一類是“正向模擬法”（或經典方法）；另一種是“數據驅動法”（或逆向模擬法）。本案例主要應用了正向模擬法對建筑空間進行模擬[1]。

（2）Energy Plus：EnergyPlus由美國能源部（Department of En?ergy，DOE）和勞倫斯·伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley Na?tional Laboratory，LBNL）共同開發的一款建筑能耗模擬內核引擎，是性能比較優異、可靠性較強的能耗模擬軟件，可以對建筑、構件、空間界面等對象進行采暖、制冷、照明、通風以及其他能源消耗的等價換算和進行全面能耗模擬分析。常見的EnergyPlus的用戶界面有兩種，OpenStudio（Legacy Openstudio）和Design?Builder，本案例使用的二次開發軟件為DesignBuilder，可以比較準確地對項目進行全方位能耗模擬。

（3）DesignBuilder：內置了EnergyPlus 的能耗模擬內核，是EnergyPlus 的再次開發軟件，可以實現自然采光模擬分析、大規模模型的能耗模擬分析，其內置了建筑的地理位置系統，可以直接進行當地氣候的參數設置，并具備了數據可視化呈現等一系列功能，可以大大提高分析的易用性和可操作性。

3 寒地城市設計研究中心既有工作室空間數字化能耗模擬

3.1 建立規范性建筑能耗基本模型

一般設計過程中的建筑建模更多的是為了體現建筑的造型、材質、功能等方面，但對于建筑能耗模擬而言，更側重于建筑各個功能空間區域的能耗模擬計算，因此所建模型并不一定需要直觀，各個功能空間區域可以直接簡化為熱工分區（zone），并進行結構簡化，本案例的功能空間有研究員辦公空間、教職工工作空間、儲藏空間、接待空間、休憩空間等，各個空間的人流量和熱工需求不同，因此對于不同熱工分區，其內部的熱工參數需要進行不同的設置。

數字化模型具有簡易性、確定性和線形設置等特點，與實際建筑有很大的不同，因此在建模過程中需要對原有模型進行簡易化提取，對樓地板、墻面等維護結構進行參數設置：

（1）本模擬對象為工作室空間，實際空間中并無墻體分隔，工作空間人員的流動性很大，參照《公共建筑設計規范》中關于“不同類型房間人均占有的使用面積”的規定，接待空間（zone1，含小型會議空間）取值2.5m2/人，研究員辦公空間（zone2）取值4m2/人，教職工工作空間（zone3）取值8m2/人，休憩與會議空間（zone4）取值2.5m2/人，儲藏空間（zone5）取值0m2/人。

（2）本空間模型參照《公共建筑節能設計標準》中對建筑南向開窗面積的規定，按照選取區間中的中間值來進行設置，取值30%。

（3）本項目位于吉林省長春市，屬于嚴寒地區的室內空間，模型建立時外墻參數按照吉林省長春市典型氣象年參數設置，屋頂部分及內墻的圍護結構參數根據吉林建筑大學逸夫教學館地源熱泵檢測室測量的全年室內外溫度統計表取全年平均值進行參數設置。

3.2 基本參數組建與工況介紹

（1）室外熱工參數。長春市屬于嚴寒C類地區，年平均氣溫最高11℃，年平均最低氣溫0℃，年平均氣溫為5.5℃，極低的溫度為建筑的保溫設計提出了更高的要求，同時相較于其他地區，建筑的能耗也更大，每年月平均氣溫低于-10℃的時間長達3個月，利用DesignBuilder內置的EnergyPlus的典型氣象年參數，對建筑換氣次數、建筑溫濕系統、假期時長參數、空間得熱比例等參數設置為默認值或相同參數，項目頂部的溫度設置則采用檢測室測量的全年平均氣溫進行設置，其他參數，如維護結構材質、建筑設計參數、維護導熱系數等需要查找材料后手工錄入。

表1 建筑造價表（元）

（2）室內熱工參數。本項目需建立現狀模型與節能改造模型進行能耗對比分析，分別對不同的熱工模型進行建筑模擬參數的錄入和計算最后進行數據比對，現狀模型的熱工參數主要參照原設計技術圖紙和設計規范，節能改造模型的熱工參數設置則主要參照設計規范及加拿大木業協會提供的材料熱工數據進行參照設置。

本項目的原有空間為典型的鋼筋混凝土結構，其熱工參數可直接在DesignBuilder 軟件中進行設置，改建的木結構空間模型采用節能幕墻系統，參照上?，F代集團提供的節能木墻墻體的傳熱系數，墻體內部使用巖棉和玻璃纖維作為保溫材質，墻體龍骨尺寸為38mm×89mm，設置使用巖棉的墻體傳熱系數為0.37W/（m2·k）～0.40W/（m2·k），改進墻體龍骨尺寸為38mm×140mm且增加外墻保溫構造，使傳熱系數下降為0.3W/（m2·k）以下。經過改進設計，模擬計算后發現木結構模型的熱能耗性能得到了極大的加強，原有鋼筋混凝土結構若需達到改進模型的熱工效能，墻體厚度需增加10cm 以上，或增設成本較高的外保溫板。由此可知在嚴寒地區，節能木墻系統的加入可以是建筑的節能性能更加優異。在本項目的參數設置中，圍護結構導熱系數部分參數按照GB 50189－2005《公共建筑節能設計標準》中關于辦公建筑的標準進行設定，外墻參數參照加拿大木業協會提供的《輕型木結構建筑設計》中的數據進行模擬。

3.3 HVAC

HVAC（Heating, Ventilation and Air Conditioning），即供熱通風與空氣調節系統，是對構筑物內溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環系統進行調節和控制的系統，本項目中的HVAC 系統主要涉及的有采暖供熱系統，夏季制冷系統在改進模型中采用學校逸夫教學樓中統一設置的地源熱泵系統進行制冷換氣，根據建筑能耗模擬標準ASHRAE62.1，系統設置加熱溫度參數為13℃～20℃，制冷溫度參數為26℃～32℃，本項目的改造模型也加入了簡單的遮陽系統進行夏季遮陽。

由于現有工作室納入到了城市統一供熱系統，采暖周期設置為10 月20 日～3 月20 日，供熱系統采用學?，F有的AUX HW loop 集中供熱系統?，F有的供熱系統現率較低，改進模型中進行了升級改造，在原有模型基礎上啟用逸夫教學館設有的土壤源熱泵系統。本項目的地源熱泵系統采用的是雙U 型垂直埋管，配備有中心日本機房，可實時監測建筑室內溫度，配備了實時數據檢測系統，建筑內有兩個熱工環路，設有內外環井各一個，外環井間距為5m，內環井間距為4m、5m、6m。

4 基于數字能耗模擬的木結構改造空間優化對比分析

4.1 建筑能耗模擬能耗基礎分析

利用DesignBuilder 軟件自帶的簡易建模功能對兩個空間模型進行數據設置并運行能耗計算后，可以得到以下結論：

改進模型加入了全新的HAVC 系統，全年的溫度變化比較均衡，長期保持在20℃上下，原有空間并無夏季制冷系統，夏季最高氣溫可達30℃以上，全年氣溫變化強烈，土壤源熱泵系統的加入，使得實際能耗大大降低，同時由于地熱能源屬于潔凈可再生能源，相較于原有的化石能源，對外界環境的影響大大降低，節能效果顯著。

兩種計算模型均有不同的HAVC 系統，無法單純比較外圍護結構的節能效力，因此可將兩種模型的HAVC 模型變量去除再次進行模擬計算。計算后發現木結構模型內部室內溫度自10月至次年6月期間的單位月平均溫度要比原鋼筋混凝土結構的模型高2℃～4℃，在7 月至9 月的單位月平均溫度要比原模型低1℃。證明木結構模型比鋼筋混凝土結構模型的人體舒適度要高，建筑能耗性能要好。

4.2 建筑造價及溫室氣體排放分析

4.2.1 建筑模型造價分析

在DesignBuilder 軟件分別對兩種結構空間界面進行能耗模型建模中，利用Cost and Carbon 計算模塊進行模擬計算，可以快速計算出圍護結構、HVAC、采光、基礎結構、上層結構、玻璃窗等構件的工程造價，并預估出項目的總體造價（見表1）。

通過計算可以得出，以木結構為主要維護空間的建筑模型比以鋼筋混凝土為主要維護空間的建筑模型在整體建筑的造價上要節省三分之二左右，基礎結構的造價變化不大，改造空間模型由于加入了遮陽系統，因此造價有所升高，但就建筑的總體造價來看，木結構建筑模型比鋼筋混凝土建筑結構模型的總造價要低4萬元左右。

4.2.2 溫室氣體排放分析

由DesignBuilder 軟件模擬計算結果可以看出，木結構改造空間的溫室氣體排放量為10555.8kg，僅為混凝土建筑的三分之一左右（35771.7kg），對建筑的外環境影響遠小于混凝土建筑，木結構界面節能效果顯著。

4.3 建筑能耗比較

對兩種空間模型進行單位采暖熱量檢測結果進行匯總分析。利用現有實際測量所得到的年平均氣溫和年平均室內外溫度差進行原空間的能耗模擬計算，然后對木結構空間進行采暖耗熱量的計算。最后根據計量和檢測建筑物室內外平均溫度,得到實測采暖耗熱量和折算到標準年狀態下的建筑物單位采暖耗熱量。通過以上的方法進行的能耗模擬計算，對原有模型可以有比較準確的復現性，能夠對其他可以進行現場測算的建筑場景建模計算有很好的指導性和借鑒性。

根據檢測計算,原有空間體形系數為0.63，建筑面積為160.75m2, 供熱期供熱天數為178d, 實際檢測研究天數為284d（40周,26816h）,原有空間實測采暖耗熱量為1726.5 MJ/m2/year,折算到標準年的建筑物單位采暖耗熱量為35.77W/m2，采暖耗煤量為212.813kg/m2。根據檢測計算, 木結構空間體形系數為0.63,建筑面積為160.75m2,供熱期供熱天數為178d,實際檢測

研究天數為284d（40 周, 26816h），理論計算的采暖耗熱量為

1689.8 MJ/m2/year,采暖耗煤量為64.505kg/m2。通過對比可以得出，木結構模型比鋼筋混凝土模型有更好的節能效力。

5 結束語

木結構建筑在生命全周期內可再生重復利用，其低能耗、吸濕性、低技術易獲得等方面都比當前常用的鋼筋混凝土結構有著得天獨厚的優勢。在建筑模型的能耗模擬對比計算上,木結構空間與鋼筋混凝土結構空間的單位面積建筑能耗性能均高于60%以上。木結構建筑在對保溫隔熱要求較高的地區尤其是東北嚴寒地區的建筑能耗性能極佳，可以很好地保持室內的舒適性。