基于沈阳建筑大学教学区的建筑能耗模拟分析

基于沈阳建筑大学教学区的建筑能耗模拟分析

张凌志张洪恩郑义强张凯凯

张凌志张洪恩郑义强张凯凯

沈阳建筑大学土木工程学院辽宁沈阳110168

摘要：以沈阳建筑大学教学区为模拟对象，建立BIM模型并导入Ecotect绿色分析软件中进行能耗模拟分析，对不满足现有标准限值的既有建筑围护结构，提出改造方案，并将三种方案分别进行模拟，通过模拟数据与相关标准进行对比，得出绿色改造最优方案。

关键词：教学区；BIM；Ecotect；模拟分析；绿色改造

引言

我国正处于城市化进程的高速发展时期，对资源、能源的需求与日俱增，节能减排形势严峻。根据《中国建筑能耗研究报告（2017年）》[1]显示，房屋建筑在全寿命周期中，消费了全国1/3的钢材，60%～70%的水泥，1/3的城市建设用地，1/3的城市用水，40%～50%的能源，对能源、资源、环境影响巨大，建筑耗能已经成为我国经济发展的软肋。与新建建筑相比，既有建筑受当时技术水平与经济条件的限制，其能源消耗大、环境负荷高，不但浪费了大量资源还造成了环境污染，对我国发展环境友好型社会产生了负面效果。因此发展绿色建筑、对既有建筑进行绿色改造是解决这一问题的有效途径。

1.1项目概况

该项目位于沈阳建筑大学教学区，由丙一楼、A1馆及部分长廊组成，主要由教室、计算机室、办公室、档案室、长廊等构成，建筑面积约为1.9万m2，主体建筑共五层，长廊为三层，且三层为露天走廊。2003年4月第一期工程竣工并投入使用，主体结构为框架形式，采用全空调系统。外墙采用粘土空心砖墙，传热系数高于《公共建筑节能设计标准》的规定限值0.4W/（m2·K）[2]，屋面保温采用的是XPS保温板，外窗为塑钢中空玻璃窗，且走廊一侧采用落地窗，冬季保温性能一般，传热系数已不满足现有标准限值。

2模型的创建与相关属性信息

2.1模型建立

模型的建立主要依据教学楼的CAD图纸，在Revit中导入CAD图纸建立既有教学楼模型。由于gbXML文件格式以空间性为主，所以在建模过程中尽量简化模型，不必要的构件如室内外装饰、楼梯、卫生器具等可以省略。

经过对模型的处理，从Revit软件中导出gbXML文件格式，载入Ecotect模拟分析软件中，如果前期在Ecotect中已建好材质库，可以直接进行材质的赋予，否则按照默认材质，在后期模拟分析时再进行材质的建立与赋予。

2.2相关属性信息

在Ecotect模拟软件中，为了更好地表达项目的基本信息，需要进行模型信息的填写，主要包括气象数据、项目地点及建筑类型等。

气象数据：本项目位于沈阳市，所以在“WeatherDataFile”中选择沈阳的气象数据。

项目地点及朝向：系统根据气象地点的选择自动定位项目经纬度，项目朝向按照建筑总图的指北针进行设置，该项目朝向为北偏西30°。

海拔高度及地形：根据WeatherTool面板可以查得沈阳市的地理海拔为44.7m，沈阳建筑大学位于沈阳市浑南东路，属于城区范围，所以这里选择“Urban”

2.2.1设置材质库

在Ecotect中对于围护结构能耗的模拟分析，需要对项目中建筑围护结构进行材质赋予，因此在进行模拟之前需要根据CAD图纸建立该项目的材质库，主要步骤如下：

材质建立方法：以外墙为例，在“Wall”中建立材质名称为“Exterior-wall（外墙）”，“Layers”表示该墙体主要构造层次，在“Layers”中定义该项目外墙的构造层次为“石材外饰面+抗裂砂浆+保温板+粘结层+粘土砖墙+水泥砂浆接层”，完成材质的建立。

材质的物理属性输入：根据《民用建筑热工设计规范》[3]附录四可以查得项目中新建材质的密度、比热容、导热系数等物理属性值，并填入表中。

热工参数的计算：计算新构造层热属性的相关参数，需要利用EcoCal软件计算材质热物理参数“ThermalLag”的数值，将构造层材质输入到EcoCal软件中进行自动计算，并将结果填入表格中。完成外墙材质的设置，添加到材质库以备后续操作中的直接提取利用。其他门、窗、屋顶等的材质建立同墙体类似，这里不一一赘述。

2.2.2区域属性设置

在进行围护结构的能耗模拟时，需要计算室内的热损失值，所以在此之前需要对室内的设备、人数按照实际情况进行区域属性的设置，主要包括人员、设备，供热系统等参数的输入[4-5]，可在《公共建筑节能设计标准》中进行选用。

3建筑围护结构方案设计

3.2建筑围护结构材质物理参数设置

建筑围护结构材质及其传热参数选取根据我国现行《民用建筑热工设计规范》的规定计算：

围护结构热阻的计算

通过与《公共建筑节能设计标准》中对于围护结构传热系数的限值比较分析，可以得出，外墙传热系数高于标准规定限值0.4W/（m2·K）；屋面传热系数高于标准规定限值0.34W/（m2·K）；外窗为塑钢中空玻璃窗，且走廊一侧采用落地窗，冬季保温性能一般，传热系数亦不满足现有标准限值，因此需要对其进行绿色节能改造｡

3.3改造方案设计

根据《公共建筑节能设计标准》和相关规范，结合本地区的气候条件、建筑类型及预算等条件，拟定了三种不同的方案[6]，如表1所示。

表1方案设计

3.4传热系数对比

利用EcoCal软件计算三种方案的材质热物理参数，得到改造前、后的传热系数对比情况，如表2所示。

表2改造前、后的传热系数对比

由表2可知，外墙的传热系数分别降低了0.82W/（m2·K）、0.77W/（m2·K）和0.82W/（m2·K），相应减小了71%、66%和71%；屋顶的传热系数分别降低了0.77W/（m2·K）、0.84W/（m2·K）和0.84W/（m2·K），相应减小了68%、74%和74%。

围护结构的传热系数减小比在63%到74%之间，符合《既有建筑绿色改造评价标准》[7]中4.2.10第3条的规定既建筑围护结构热工性能比原有围护结构提升幅度达到35%以上，同时围护结构传热系数满足《公共建筑节能设计标准》规定限值，说明设计改造方案符合现有标准要求。

4结语

（1）通过EcoCal软件计算的既有建筑围护结构传热系数值与《公共建筑节能设计标准》中对于围护结构传热系数的限值比较分析，得出该项目建筑外墙、屋顶、外窗的传热系数明显高于规定限值，研究中可用该软件快速计算出既有建筑围护结构的节能水平，方便对既有建筑的围护结构热物理属性的评估。

（2）通过与《公共建筑节能设计标准》中对于围护结构传热系数的限值比较分析，该建筑外墙传热系数为1.16W/（m2·K）、屋顶传热系数为1.14W/（m2·K），明显高于标准中规定限值，外窗为塑钢中空玻璃窗，且走廊一侧采用落地窗，冬季保温性能一般，传热系数为5.10W/（m2·K）不满足现有标准限值。因此需要做能耗模拟分析进行绿色化改造｡

（3）文中提出三种改造方案，围护结构的传热系数减小比在63%到74%之间，符合相关标准规定限值，说明设计改造方案符合现有标准要求。模拟结果显示，三种方案的全年总耗能小于按照标准计算的总耗能值，满足《既有建筑绿色改造评价标准》中规定的限值，验证了改造方案的可行性，其中方案3的节能率更高，优先选择方案3为绿色改造方案。

参考文献：

[1]侯恩哲.《中国建筑能耗研究报告（2017）》概述[J].建筑节能，2017，45（12）：131.

[2]GB50189-2005，公共建筑节能设计标准[S].

[3]GB50176-1993，民用建筑热工设计规范[S].

[4]BaruchGivioni.PassiveandLowEnergyCoolingofBuildings[M].Wiley，1994.

[5]JungDK，LeeDH，ShinJH，etal.OptimizationofEnergyConsumptionUsingBIM-BasedBuildingEnergyPerformanceAnalysis[J].AppliedMechanics&Materials，2013（281）：649-652.

[6]L.Aditya，T.M.I.Mahlia，B.Rismanchi，etal.Areviewoninsulationmaterialsforenergyconservationinbuildings[J].RenewableandSustainableEnergyReviews.2017，73：1352-1365.

[7]GB/T51141-2015.既有建筑绿色改造评价标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.