田国华,顾贤光,季翔,李小多

(1.江苏建筑职业技术学院 江苏省建筑节能工程技术研究中心,江苏 徐州221116;2.中国矿业大学 力学与建筑工程学院,江苏 徐州 221008)

大空间公共建筑能耗模拟与节能优化设计

田国华1,顾贤光2,季翔1,李小多2

(1.江苏建筑职业技术学院 江苏省建筑节能工程技术研究中心,江苏 徐州221116;2.中国矿业大学 力学与建筑工程学院,江苏 徐州 221008)

具有特殊功能的大空间公共建筑的最大缺点是高能耗.高铁站房是具有代表性的大空间公共建筑.对某高铁站房的能耗现状进行了调查,利用ECOTECT软件对其风环境、采光、建筑得热等进行数值模拟,分析建筑设计方面存在的缺陷,并根据模拟结果提出了严格控制建筑体型系数、合理运用光导照明技术、综合使用混合通风技术和被动式节能技术等建筑节能优化设计措施.

大空间;公共建筑;建筑能耗;计算机模拟;节能优化设计

大空间公共建筑作为社会活动的中心,在体量、尺度、体形及形式等方面往往与众不同,具有重要的社会和美学地位,是一座城市的公共艺术和城市文明的标志.在大空间公共建筑的设计中,为了满足其城市地标的要求,一般对其功能和美学研究得较多,较少关注其节能问题,造成多数大空间公共建筑能耗较高.在能源危机日益严重的形势下,随着大空间公共建筑建设量的增大,其建筑能耗和节能优化问题逐渐成为广大学者研究的焦点.由于大空间公共建筑系统复杂多样,受诸多因素影响,节能优化设计具有一定的难度(需要具有一定的专业工程经验和技术素养的工程师专门负责),且当前针对大空间公共建筑的节能设计研究缺乏广度和深度,尚未形成成熟的理论体系.因此,对大空间公共建筑的节能分析,必须从选址、形体、空间、环境气候利用和节能手段等层面进行,并利用计算机软件进行数值模拟计算,以定量的计算结果为节能设计提供有利的依据.

高铁站房是具有代表性的大空间公共建筑.本文对某高铁站建筑能耗现状进行了调查,利用ECOTECT软件对其风环境、采光、建筑得热等进行数值模拟分析,并根据模拟结果提出了优化建筑节能设计的有关措施.

1 某高铁站建筑能耗现状调研

1.1 建筑概况

某高铁站地处苏北,属寒冷地区.该站房主体为2层,两侧局部为3层,总建筑面积为14 984 m2;建筑主体高度为28.2 m.建筑造型上运用了亲切、明快、生机勃勃的弧线元素符号,屋面挑檐深邃悠远,曲线呈展翅腾飞的姿态.建筑大量使用金属和玻璃材料,立面造型为对称布局,中间高、两边低,主次分明.整体设计简约大方,优美自然,融合了现代技术与材料,表达出自然亲和的个性特点以及充满现代感和速度感的时代精神.

1.2 建筑能耗组成

根据查阅资料和现场调查,该建筑单位面积能耗达到288.3 k Wh/m2,单位面积耗电密度高、耗电量大,远高于公共建筑能耗限值,但冬季采暖耗热量较小.该建筑总能耗组成(能耗,比例)如图1所示,空调能耗组成(能耗,比例)如图2所示.

图1 建筑总能耗组成Fig.1 Composition of total energy consumption of the building

图2 空调系统能耗组成Fig.2 Composition of energy consumption of air conditioning system

1.3 建筑能耗特点

根据现场调研和对该建筑单位面积能源消耗量组成的分析,其能耗具有以下特点[1]:

1)该高铁站房人流密度大,电器设备密度高,室内发热量大,冬季耗热量较小.

2)自然采光不足,需要采用人工照明,因在照明设计时以较高的照度、合适的色温来满足使用要求,导致照明设备单位面积功率较高,照明用能较大.

3)由于建筑空间大,中央空调系统能量传输距离长,送风系统采用定风量全空气系统,输送系数较低,每天运行时间长达12 h以上,空调能耗较大.

4)建筑东西两侧使用了大面积的玻璃幕墙,窗墙比虽大,但可开启面积较小,未能充分利用自然通风降温,增加了空调能耗.

5)建筑幕墙面积大,导致保温隔热性能相对墙体较差,增加了能源消耗.

2 建筑能耗模拟分析

采用ECOTECT软件对该高铁站房建筑风环境、采光、热量等进行模拟计算,分析该类大空间建筑能耗高的原因.

2.1 风环境

该建筑地处江苏北部,为寒冷地区,常年风速大于3 m/s的时间在2 000 h以上,夏季风主导方向为东南方向,具有丰富的风资源,其主导风频率、平均风温度如图3、图4所示.

由图3、图4分析,该地区全年大部分时间的风速均在41 km/h左右,风温度多集中在15～25℃之间,属较舒适环境,能够为建筑节能提供有利条件.但由于该建筑主要入口为西向,且均为不可开启的幕墙,导致对风资源利用不足.

图3 主导风频率Fig.3 Prevailing wind frequency

图4 平均风温度Fig.4 Average wind temperature

2.2 采光

该高铁站房为东西朝向布置,东西侧均为大面积玻璃幕墙,采光较好,但由于空间较大,采光不够均匀.利用ECOTECT软件进行采光分析的条件为:以太阳方位角南偏西23°,天空照度模型CIE多云,照度5 000 Lux.

图5为建筑的采光模拟分析.通过分析可以得出,在东西两侧大面积的玻璃幕墙下,全年阳光直射相对较多,夏季空间内温度偏高.由于太阳方位的原因,西侧主入口的采光系数最大.

图5 采光模拟分析Fig.5 Simulation analysis of lighting

2.3 建筑得失热量

在夏季,太阳高度角较高,该建筑在出挑的大屋顶下,遮阳效果比较明显;但在下午西晒时段,遮阳效果较差,室内受热较多.在冬季,太阳高度角较低,可以直射进空间内部,增加内部采光和得热,但由于建筑为东西朝向,自然采光时间较短.

由图6可以看出,该建筑平均每天可用的日光辐射多集中在7时～19时;而做了保温措施的围护结构将吸收的太阳辐射热在8时～20时释放到室内空间,这一时间段正是该建筑使用频率最高的时候,因此室内夏季舒适度较差.

图6 全年直接太阳得热分析Fig.6 Analysis of yearly solar heat gain

根据图7所示,该建筑每年11月至来年3月为季风带走建筑自身热量的时间段,在此期间,建筑需要得到外界热量,因此必须采取保温隔热措施,减少建筑热损失;每年4～10月是由通风获得热量的时间段,建筑需要向室外释放热量,因此需要做好必要的隔热措施保证室内空调的效率;而在每年的过渡季节(3～7月、10～12月)可以开启外窗,通过自然通风和有效的太阳辐射,满足室内热舒适度的要求.由此可见,在冬夏季节,良好的围护结构保温隔热措施是保证建筑节能的关键.

图7 全年通风得热分析Fig.7 Analysis of yearly ventilation heat gain

3 建筑节能优化设计

根据上述模拟结果分析,提出以下优化建筑节能设计的措施.

3.1 严格控制建筑体型系数

大空间公共建筑一般具有特殊的功能,造型变化多样,体形系数较大,多为地标性建筑,但从降低建筑能耗的角度而言,应当按照公共建筑节能设计标准严格控制体型系数,减小建筑热损失表面积.体型系数与建筑造型、平面布局、采光通风等因素相关,当体型系数过小,将制约建筑的造型,甚至会损害建筑功能.因此,如何合理地确定建筑体型系数,是建筑节能设计中必须考虑的关键问题.根据能耗数值模拟分析,应从以下方面进行控制[2]:

1)根据用地条件合理规划,选择建筑南北朝向,避免东西朝向.

2)根据场地合理设计建筑长宽比,尽量减少建筑的面宽,加大建筑的进深.

3)在满足造型需要的条件下,尽量减少建筑体型曲折多变、墙面凸凹不平的造型设计.

3.2 合理运用光导照明技术

在可持续建筑的设计理念下,充分利用自然光,通过侧向采光、屋面采光等手段实现大空间公共建筑自然采光的优化设计是有效的节能手段.大空间公共建筑一般具有特殊使用功能要求,需要宽敞明亮的采光效果,若在自然采光的情况下大量使用人工照明,显然违背了生态建筑的节能理念.

光导照明技术通过采光罩高效采集室外自然光线并导入系统内重新分配,再经过特殊制作的导光管传输后,由底部的漫射装置把自然光均匀高效地照射到任何需要光线的地方,是真正节能、环保、绿色的照明方式,能够显著降低照明能耗[3].因此,对于内部空间大、无法采用屋面采光的特殊建筑,合理采用光导照明技术是减少照明能耗的有效方法.

3.3 强化使用混合通风技术

模拟结果显示,大空间公共建筑中自然通风效果较差.在实际工程中,空气很容易产生流动,并且总是在有压力梯度时产生.正压出现在建筑上风方向,在这里空气对建筑形成一定的压力;负压在建筑的下风方向(即风影区)产生,并从建筑中吸出空气.要形成通风,必须创造压力梯度,可以通过两种方式实现.其一,利用由自然风形成的建筑外部的压力差;其二,利用空间内部形成的压力差.因暖空气比冷空气密度低,在压力作用下空气中较暖的部分向上升起,同时冷空气向下降落,从而形成“烟囱效应”,可用以实现建筑空间的通风,但有时会与风压形成的穿堂风产生矛盾[4].

因此,在这种大进深和面宽的公共建筑中,由于室内环境复杂,通风路径不固定,很难形成稳定的自然通风,仅依靠风压通风则难以进行有效控制.由此可见,对于大空间、大进深建筑,在新鲜空气需求量大,自然通风不能满足要求的条件下,必须强化混合通风,优化室内的微气候环境.

3.4 综合运用被动式节能技术

在大空间公共建筑的设计中,综合运用被动式节能技术,推行节能一体化设计,亦可有效降低建筑能耗[5].适用于大空间公共建筑的被动式节能技术主要有:

1)利用场地因素遮挡或者吸收太阳辐射,利用和控制主导风向,实现室外环境利用的最优化,增加或者降低建筑室外温湿度,达到节能的效果.

2)通过合理的平面布局实现自然采光通风,并通过对体型系数的控制达到保温节能.

3)通过遮阳设计阻挡过多的太阳辐射.

4)充分利用被动式太阳能,通过太阳房收集储存太阳辐射热量.

4 结语

大空间公共建筑作为具有特殊功能的建筑,单位面积能耗较大,远超过普通公共建筑能耗水平,具有较大的节能潜力.本文通过对某高铁站房建筑能耗现状进行调查,利用ECOTECT软件数值模拟计算结果,分析了大空间公共建筑节能设计存在的缺陷,提出该类建筑设计应从体形系数、平面形式、自然采光和通风控制等方面,进行多种节能技术的整合及集成,设计合理的体形系数,采用良好的自然采光和自然通风技术,并综合利用保温隔热的围护结构以及被动式节能技术,以最终达到最优化设计,进而有效地降低建筑能耗.

[1] 魏庆芃,王鑫,肖贺,等.中国公共建筑能耗现状和特点[J].建设科技,2009(8):39-43.

[2] 莫天柱,宋竹.夏热冬冷地区规划方案阶段控制体型系数的研究[J].建筑节能,2010(4):4-7.

[3] 邓衍亮.绿色管道式日光照明装置[J].建设科技,2011(3):90-91.

[4] 李传成.大空间建筑通风节能策略[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[5] 李云.被动式节能技术在绿色建筑中的应用[J].华东科技:学术版,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

江苏省六大人才高峰资助项目 (2011-JZ-009);徐州市节能技术进步专项资金计划项目 (XJ12B006)

田国华,男,山东单县人,讲师,工程师,博士研究生.

E-mail:tgh0208@163.com

(责任编辑:赵国淮)