模拟分析技术在西西工程建筑节能设计中的应用

　　20世纪90年代以来，我国建筑业始终保持高速发展，城乡房屋建筑面积每年新增约16~丨9亿m2，建筑面积绝对数量不断上升。与此同时，人们对建筑环境的要求不断提高，包括建筑供暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器、电梯等的建筑能耗也不断增加，在我国的能源消耗中占有越来越大的比重，根据建设部统计分析，我国2000年建筑用商品能源消耗已占到全社会终端能源消费量的27.6%"1.建筑能耗不断增加，建筑节能一-在满足建筑环境要求的基础上降低建筑运行能耗，成为建筑可持续发展的重要课题。

　　特别需要指出的是，在新建的建筑项目中，包括许多大型商场、写字楼和宾馆建筑。这些建筑由于人员密度相对较高，建筑物内各种发热设备也多，舒适性要求高、连续使用时间长，是各类建筑中单位面积能耗*高的一类建筑。据统计，虽然此类建筑仅为5亿m2左右，但单位面积每年的能耗折合标准煤100~200kg/（rra），为城镇建筑平均能耗的5倍左右。占总建筑能耗20%以上。而商业建筑的总能耗中有60%以上来自供暖通风空调及热量供应，其余为照明、电梯及其他电器设备的能耗'由此可见，大型商业建筑的设计尤其要重视节能技术的应用，特别是暖通空调系统的节能。

　　建筑节能的关键是提高建筑设计的水平，这是减少建筑运行能耗的根源问题。而目前建筑设计的各个阶段存在着一些问题，如在建筑方案设计阶段，对建筑体型、窗墙比、材料使用等方面没有或较少考虑建筑运行能耗，在暖通空调方案设计阶段，过多的依赖工程人员的经验去设计，没有经过详细计算和论证来实现系统方案的节能优化。

　　上述问题存在的原因之一是在建筑设计过程中，确实存在一些人力计算所不能解决的问题，比如对所选建筑围护结构方案、系统方案做全年逐时的全T.况计算，分析运行能耗等，就不是现有的手r汁算所能解决的。为了能够在设计阶段就充分的去了解所设计系统的运行效果，从而分析改善现有方案，上述全T.况计算又非常必要，这就需要有方便的T具来辅助设计人员。计算机模拟技术正是解决这些人力所不能计算的问题。

　　目前建筑与系统的动态模拟是实现建筑节能设计的重要手段，我国很早就开始了此方面的研究开发T.作，并取得了系列成果。其中清华大学十多年来坚持不懈研究开发出的完全基于自主知识产权的建筑与系统动态模拟分析软件DeST，是我国暖通界在此领域的重要研究成果之一，目前已成为比较完善的设计分析软件，并在国内外得到较多应用，1建筑节能设计中的模拟分析技术建筑节能设计中的模拟分析技术主要分4个M次：建筑外环境模拟、围护结构热丁性能及建筑能耗模拟、HVAC系统模拟、典型气流组织模拟。1）建筑外环境模拟可对建筑小区内典型I况下的气流状况、建筑物表面风压、局部气候等进行分析，通过建筑的外部设计减少热岛效应，保证在冬季和夏季有较舒适的室外活动空间。2）建筑围护结构热工特性的模拟可以对不同的围护结构方案计算建筑物房间的逐时自然室温和表1围护结构方案类别原方案优化方案外墙370mni重砂浆粘土+80mm烟灰加气混凝土250mmKPl多孔砖+80mm多孔混凝土屋顶120mm混凝土+丨00mm胀珍珠岩100mm混凝土+100mm聚苯外窗中空双玻窗镀丨膜中空双玻窗空调采暖需要的冷热量，从而为建筑采用何种围护结构方案给出依据。3）HVAC系统的模拟可以分析比较采用不同的空调系统方案时，建筑物房间所能实现的温湿度状况和能耗情况，从系统的满意率和能耗两方面给设计者提供确定方案的依据。4）典型气流组织的模拟可以对不同的送回风方式、不同的末端形式的房间气流流动状况、温湿度分布状况进行模拟，辅助设计者确定合理舒适而又节能的送回风以及末端方案。

　　上述4个层次的模拟技术应用于建筑设计的不同方面和阶段，可以有效的帮助设计者实现各个阶段节能舒适的设计。当然，在进行建筑设计时，不能为了模拟而模拟，而是应该有针对性的针对设计中重点需要分析解决的问题，确定模拟方案和内容，从而使模拟分析技术在设计中真正的发挥节能设计的作用。下面以北京西西4地工程（以下简称为西西工程）为例介绍模拟技术在工程设计中的部分应用。

　　2模拟技术在西西工程中的应用2.1工程概况西西工程即北京市西单北大街西侧商业区改造项目，地下4层，地上16层，总建筑面积约为210 000m2，集商业、餐饮、娱乐、酒店、写字楼于一体，有大面积的内区房间，设计标准高，为典型的大型商用综合建筑。建筑设计方案从外观艺术角度出发，采用大量的玻璃构件，使内外空间交融，扩大了空间感，见。

　　工程的外围护结构大量采用玻璃部件，如不进行优化设计，必然会导致建筑热工环境的恶化，带来空调系统运行能耗高和设备初投资增加等问题。而大量的内区房间内部发热量比较大，在过渡季乃至冬季，依然需要供冷的情况下，选择节能的供冷方案也是需要解决的问题。本文将介绍在西西工程设计过程中，通过模拟分析进行围护结构节能设计及大量内区空间冬季过渡季通风方案设计的过程。

　　2.2西西工程围护结构方案模拟分析鉴于西西工程外围护结构以玻璃幕墙为主，通过围护结构传入室内的冷热量很大，为了减小通过围护结构产生的空调负荷，在确定建筑方案时对原围护结构方案进行了优化设计，见表1、表2，并通过建筑环境动态模拟软件DeST对不同围护结构方案的全年建筑空调采暖冷热量消耗进行模拟计算，为模型图。

　　表2围护结构热工参数类别原方案优化方案外窗遮阳系数表3负荷模拟计算结果项目原方案优化方案优化方案减小的比例全年*大热负荷，kW全年*大冷负荷，kW全年累计耗热量，kWh全年累计耗冷量，kWh表3为不同方案的负荷情况。由表3可见，优化方案的冷热负荷*大值、全年累计消耗的冷热量都有显著减小，一方面可以减小冷热源、末端、输配系统的设备选型，减小了初投资，另一方面可以大大降低供暖空调系统的运行费，根据减小的累计冷热量消耗，仅年运行费就至少减少150万元，而改善围护结构所增加的制洁空表4不同新风置供冷效果h参数*小新风量2倍*小新风量室温不满足要求的小时数32256初投资，仅靠运行费的减少在7a内即可回收，因此*终设计方案采用了优化的围护结构设计。

　　2.3西西工程空调系统方案模拟分析西西工程有大量的内区房间（如所示，有色部分为内区），而商业建筑本身的人员密度大，单位面积照明、设备的发热量高，且近年来随着电脑等设备的使用和室内照明度要求的提高、装饰灯具的使用，使得内部发热量有增加的趋势。这样，商业建筑的内区即便是在冬季，不开启空调，室内温度仍然会偏高导致室内环境不舒适。随着人们对室内环境舒适性的要求提高，内区在冬季也是需要供冷的。

　　为了缩短开启冷机时间，设计者希望冬季的内区冷负荷能由新风负担。而西西工程个别层由于层高限制，只能采用风机盘管加新风系统。因此如果用新风来处理冬季内区的冷负荷，需要分析内区房间的冬季冷负荷大小，从而确定为处理内区冷负荷需要的新风量，使设计的新风系统能够提供足够的新风量。

　　以写字楼内区为例，模拟分析风机盘管系统，冬季在不同新风量下的室内温度状况及冷负荷情况，如、所示。

　　表4显示，当增大新风量为*小新风量2倍时，不满足要求的小时数大大减小，只有56h.综上，内区办公室在冬季不开冷机的情况下，为了解决内区需要供冷的问题，设计时可以适当考虑增大新风系统的风量，如果新风系统的新风量能达到*小新风量的2倍，则可以基本满足冬季的供冷需要，同时也可以在过渡季节利用新风处理部分室内冷负荷。

　　设计方案通过模拟分析，确定采用新风解决内区余热，可大大减小运行能耗。

　　2.4西西工程遮阳方案分析西西工程因为围护结构以玻璃幕墙为主，在夏季控制太阳辐射进人室内是减小空调能耗的关键，设置合适的遮阳措施是有效的解决办法，对于西晒严重的西向房间尤其如此。经详细论证，设计者决定西向采用外卷帘遮阳方式旦西西工程地处西单的繁华商业燕达，谢晓娜，宋芳婷，等。建筑环境设汁模拟分析软件DeST第1讲：建筑模拟技术与DeST发展简介⑴。暖通空调，2004，34（7）：48