模擬分析技術在西西工程建筑節能設計中的應用

　　20世紀90年代以來，我國建筑業始終保持高速發展，城鄉房屋建筑面積每年新增約16~丨9億m2，建筑面積絕對數量不斷上升。與此同時，人們對建筑環境的要求不斷提高，包括建筑供暖、空調、熱水供應、炊事、照明、家用電器、電梯等的建筑能耗也不斷增加，在我國的能源消耗中占有越來越大的比重，根據建設部統計分析，我國2000年建筑用商品能源消耗已占到全社會終端能源消費量的27.6%"1.建筑能耗不斷增加，建筑節能一-在滿足建筑環境要求的基礎上降低建筑運行能耗，成為建筑可持續發展的重要課題。

　　特別需要指出的是，在新建的建筑項目中，包括許多大型商場、寫字樓和賓館建筑。這些建筑由于人員密度相對較高，建筑物內各種發熱設備也多，舒適性要求高、連續使用時間長，是各類建筑中單位面積能耗*高的一類建筑。據統計，雖然此類建筑僅為5億m2左右，但單位面積每年的能耗折合標準煤100~200kg/（rra），為城鎮建筑平均能耗的5倍左右。占總建筑能耗20%以上。而商業建筑的總能耗中有60%以上來自供暖通風空調及熱量供應，其余為照明、電梯及其他電器設備的能耗'由此可見，大型商業建筑的設計尤其要重視節能技術的應用，特別是暖通空調系統的節能。

　　建筑節能的關鍵是提高建筑設計的水平，這是減少建筑運行能耗的根源問題。而目前建筑設計的各個階段存在著一些問題，如在建筑方案設計階段，對建筑體型、窗墻比、材料使用等方面沒有或較少考慮建筑運行能耗，在暖通空調方案設計階段，過多的依賴工程人員的經驗去設計，沒有經過詳細計算和論證來實現系統方案的節能優化。

　　上述問題存在的原因之一是在建筑設計過程中，確實存在一些人力計算所不能解決的問題，比如對所選建筑圍護結構方案、系統方案做全年逐時的全T.況計算，分析運行能耗等，就不是現有的手r汁算所能解決的。為了能夠在設計階段就充分的去了解所設計系統的運行效果，從而分析改善現有方案，上述全T.況計算又非常必要，這就需要有方便的T具來輔助設計人員。計算機模擬技術正是解決這些人力所不能計算的問題。

　　目前建筑與系統的動態模擬是實現建筑節能設計的重要手段，我國很早就開始了此方面的研究開發T.作，并取得了系列成果。其中清華大學十多年來堅持不懈研究開發出的完全基于自主知識產權的建筑與系統動態模擬分析軟件DeST，是我國暖通界在此領域的重要研究成果之一，目前已成為比較完善的設計分析軟件，并在國內外得到較多應用，1建筑節能設計中的模擬分析技術建筑節能設計中的模擬分析技術主要分4個M次：建筑外環境模擬、圍護結構熱丁性能及建筑能耗模擬、HVAC系統模擬、典型氣流組織模擬。1）建筑外環境模擬可對建筑小區內典型I況下的氣流狀況、建筑物表面風壓、局部氣候等進行分析，通過建筑的外部設計減少熱島效應，保證在冬季和夏季有較舒適的室外活動空間。2）建筑圍護結構熱工特性的模擬可以對不同的圍護結構方案計算建筑物房間的逐時自然室溫和表1圍護結構方案類別原方案優化方案外墻370mni重砂漿粘土+80mm煙灰加氣混凝土250mmKPl多孔磚+80mm多孔混凝土屋頂120mm混凝土+丨00mm脹珍珠巖100mm混凝土+100mm聚苯外窗中空雙玻窗鍍丨膜中空雙玻窗空調采暖需要的冷熱量，從而為建筑采用何種圍護結構方案給出依據。3）HVAC系統的模擬可以分析比較采用不同的空調系統方案時，建筑物房間所能實現的溫濕度狀況和能耗情況，從系統的滿意率和能耗兩方面給設計者提供確定方案的依據。4）典型氣流組織的模擬可以對不同的送回風方式、不同的末端形式的房間氣流流動狀況、溫濕度分布狀況進行模擬，輔助設計者確定合理舒適而又節能的送回風以及末端方案。

　　上述4個層次的模擬技術應用于建筑設計的不同方面和階段，可以有效的幫助設計者實現各個階段節能舒適的設計。當然，在進行建筑設計時，不能為了模擬而模擬，而是應該有針對性的針對設計中重點需要分析解決的問題，確定模擬方案和內容，從而使模擬分析技術在設計中真正的發揮節能設計的作用。下面以北京西西4地工程（以下簡稱為西西工程）為例介紹模擬技術在工程設計中的部分應用。

　　2模擬技術在西西工程中的應用2.1工程概況西西工程即北京市西單北大街西側商業區改造項目，地下4層，地上16層，總建筑面積約為210 000m2，集商業、餐飲、娛樂、酒店、寫字樓于一體，有大面積的內區房間，設計標準高，為典型的大型商用綜合建筑。建筑設計方案從外觀藝術角度出發，采用大量的玻璃構件，使內外空間交融，擴大了空間感，見。

　　工程的外圍護結構大量采用玻璃部件，如不進行優化設計，必然會導致建筑熱工環境的惡化，帶來空調系統運行能耗高和設備初投資增加等問題。而大量的內區房間內部發熱量比較大，在過渡季乃至冬季，依然需要供冷的情況下，選擇節能的供冷方案也是需要解決的問題。本文將介紹在西西工程設計過程中，通過模擬分析進行圍護結構節能設計及大量內區空間冬季過渡季通風方案設計的過程。

　　2.2西西工程圍護結構方案模擬分析鑒于西西工程外圍護結構以玻璃幕墻為主，通過圍護結構傳入室內的冷熱量很大，為了減小通過圍護結構產生的空調負荷，在確定建筑方案時對原圍護結構方案進行了優化設計，見表1、表2，并通過建筑環境動態模擬軟件DeST對不同圍護結構方案的全年建筑空調采暖冷熱量消耗進行模擬計算，為模型圖。

　　表2圍護結構熱工參數類別原方案優化方案外窗遮陽系數表3負荷模擬計算結果項目原方案優化方案優化方案減小的比例全年*大熱負荷，kW全年*大冷負荷，kW全年累計耗熱量，kWh全年累計耗冷量，kWh表3為不同方案的負荷情況。由表3可見，優化方案的冷熱負荷*大值、全年累計消耗的冷熱量都有顯著減小，一方面可以減小冷熱源、末端、輸配系統的設備選型，減小了初投資，另一方面可以大大降低供暖空調系統的運行費，根據減小的累計冷熱量消耗，僅年運行費就至少減少150萬元，而改善圍護結構所增加的制潔空表4不同新風置供冷效果h參數*小新風量2倍*小新風量室溫不滿足要求的小時數32256初投資，僅靠運行費的減少在7a內即可回收，因此*終設計方案采用了優化的圍護結構設計。

　　2.3西西工程空調系統方案模擬分析西西工程有大量的內區房間（如所示，有色部分為內區），而商業建筑本身的人員密度大，單位面積照明、設備的發熱量高，且近年來隨著電腦等設備的使用和室內照明度要求的提高、裝飾燈具的使用，使得內部發熱量有增加的趨勢。這樣，商業建筑的內區即便是在冬季，不開啟空調，室內溫度仍然會偏高導致室內環境不舒適。隨著人們對室內環境舒適性的要求提高，內區在冬季也是需要供冷的。

　　為了縮短開啟冷機時間，設計者希望冬季的內區冷負荷能由新風負擔。而西西工程個別層由于層高限制，只能采用風機盤管加新風系統。因此如果用新風來處理冬季內區的冷負荷，需要分析內區房間的冬季冷負荷大小，從而確定為處理內區冷負荷需要的新風量，使設計的新風系統能夠提供足夠的新風量。

　　以寫字樓內區為例，模擬分析風機盤管系統，冬季在不同新風量下的室內溫度狀況及冷負荷情況，如、所示。

　　表4顯示，當增大新風量為*小新風量2倍時，不滿足要求的小時數大大減小，只有56h.綜上，內區辦公室在冬季不開冷機的情況下，為了解決內區需要供冷的問題，設計時可以適當考慮增大新風系統的風量，如果新風系統的新風量能達到*小新風量的2倍，則可以基本滿足冬季的供冷需要，同時也可以在過渡季節利用新風處理部分室內冷負荷。

　　設計方案通過模擬分析，確定采用新風解決內區余熱，可大大減小運行能耗。

　　2.4西西工程遮陽方案分析西西工程因為圍護結構以玻璃幕墻為主，在夏季控制太陽輻射進人室內是減小空調能耗的關鍵，設置合適的遮陽措施是有效的解決辦法，對于西曬嚴重的西向房間尤其如此。經詳細論證，設計者決定西向采用外卷簾遮陽方式旦西西工程地處西單的繁華商業燕達，謝曉娜，宋芳婷，等。建筑環境設汁模擬分析軟件DeST第1講：建筑模擬技術與DeST發展簡介⑴。暖通空調，2004，34（7）：48