数字化模拟技术在绿色建筑设计策划中的关键作用

刘昕晔

(中国中元国际工程有限公司 绿色建筑研究中心，北京 100089)

数字化模拟技术在绿色建筑设计策划中的关键作用

刘昕晔

(中国中元国际工程有限公司 绿色建筑研究中心，北京 100089)

我国的绿色建筑发展正式步入“深绿”阶段，新版《绿色建筑评价标准》GB50378-2014的内容也相比2006版有了巨大的进步，对绿色建筑的认识与要求从此进入“以实际效果为检验标准”阶段。这意味着多年前那种把新型建材、新技术设备简单地堆砌在一起，号称“绿色建筑”的做法已经适应市场的要求，更不符合国家的政策；只有以运营阶段取得真实高效的节能减排、提升室内外环境品质为目的进行精细化设计，才是满足“深绿”阶段设计要求的唯一手段，进而在市场经济中良性成长。必须强调的是，尽管检验绿色建筑实效性重点落在了运营阶段，设计阶段仍然是决定建筑拥有良好“绿色”基础的最重要阶段。在设计中制定优秀的绿色建筑策略，确保应用适宜适量的建筑技术，是做到绿色建筑的首个关键步骤。本文以实例论述了数字化模拟技术在精细化设计过程中的重要作用。数字化模拟技术以其高可靠性、低投入成本、占据工程周期短、灵活性强等特点成为了制定绿色建筑策划并预判各类绿色技术未来效果的可靠工具。

绿色建筑；节能；数字化模似

引言

自2014年开始我国的绿色建筑发展正式步入“深绿”阶段，伴随着新版《绿色建筑评价标准》GB50378-2014的实施，国家对于绿色建筑的要求越来越趋于实效性和量化性——改善了多大的自然采光条件，提高了多少自然通风效果，采用的新能源和新型技术设备节省了多少单位的水、电、燃气等。这说明我国的绿色可持续发展已从初期简单的注重新型能源设备的技术堆砌，提升到注重运营阶段节约资源、提升室内外环境品质等效果的落实上。

由于建筑本身是一个复杂的动态综合体，其内外环境、资源消耗等数据可以同时受到多重因素的影响，因此如果在绿色建筑设计策略的制定中不经综合量化分析推敲，很可能通过众多昂贵新技术堆砌起来的“绿色建筑”会在运营阶段反而比同等级的建筑浪费更多的宝贵资源，同时没有起到提升自身环境品质的目地。比如著名的LEED白金级项目美国银行大厦(2010年获得)，当年被誉为全球最环保的高层办公楼，最终被证明其石化能源的消耗量以及连带温室气体的释放量远高于同等规模的同类建筑，连最基本的节能都没有做到，这种局面可以说是绿色建筑发展的悲剧[1]。为了避免这类事件的重演，使用数字化模拟分析技术模拟复杂动态环境下各类技术在建筑上作用效果，保证设计策划的可行性，就成了做好绿色建筑第一步的重心。

1 绿色建筑策划的意义

所谓绿建策划，实际上是指绿色建筑方案的。在绿色建筑发展之初，高等级绿色建筑在实施中往往意味着需要比普通建筑高得多的初投资，因为需要各类新能源、新技术设备的投入。我国能源基金会节能项目部通过对不同区域不同绿色建筑星级的公共建筑整体调研后发现，一星级公建的平均成本增量为43元/m2；二星级和三星级分别达到了121元/m2和358元/m2之高；根据对中国城市科学研究会2012年评审的148个项目进行绿色建筑增量成本统计，公建项目一星级、二星级、三星级绿色建筑的增量成本分别为29.9元/m2、87.3元/m2、216.4元/m2；而市场上的设计院对一个公共建筑的设计费用收费也不过平均100-200多元/m2。而诸如美国银行大厦这样运营多年的高等级绿色建筑实例又证明了高技术堆砌未必能够带来高资源的节约，那么在设计阶段通过科学的方案优选，组合出最佳的绿色建筑设计策划方案的意义就十分重大了。

以我公司近期完成的哈尔滨某国家级大型综合生化实验楼(图1)绿色建筑三星级设计为例，该项目位于哈尔滨市，为新建科研实验楼、实验动物用房。用地呈矩形，东西宽约447m，南北约600m，总用地面积约10 880 m2，建筑面积为45 509m2，地上6层，面积35 161m2，地下1层，面积10 348m2，是我国绿色建筑评价中第一个大型综合实验室绿色三星案例。实验室建筑由于其巨大的通风换气量和严格的室内设计环境要求，决定了自身必是能耗大户，更何况本项目是处在冬天最低气温可达零下40℃的哈尔滨。

然而经过数年的精细策划和设计，本项目最终绿色三星级建筑成本增量仅210.99万元，合46.14元/m2，预计节能成本回收期在3年半内(详见下表1)。这一方面是由于业主拥有较高的节能减排社会责任感，在整个设计阶段给予了充分的支持和信任，另一方面是由于设计团队从方案设计阶段便与绿色建筑团队开展了紧密协同，从建筑形体推敲、主朝向调整、外保温优选到冷热源论证、自然采光设计、外遮阳设计与建筑冷热负荷耦合论证，太阳能热水与电伴热论证等问题均得到了迅速的数值模拟分析与解决；并在扩初至施工图设计阶段保证了绿色策划的严格落实，取得了比较好的设计成果。

图1 哈尔滨某国家级大型综合实验楼

表1 某国家级大型综合实验楼绿色建筑增量成本统计

项目建筑面积(平方米):45509.00工程总投资(万元)26207.00为实现绿色建筑面而增加的初投资成本(万元)210.99绿色建筑可节约的运行费用(万元/年)6.98(照明节约)+7.74(太阳能节电)+50.11(燃气)+3.86(水)=68.69万元/年实施绿建采取的措施标准建筑采用的常规技术和产品单价应用量应用面积(m2)增量成本备注(补贴)地下自然光照明光导管照明系统8000元/套18套9589144000元元西侧外遮阳400可调处遮阳系统400元/m2100套20964100000元元围护结构优于地标规定加厚保温层50元/m2-45509865900元元空气质量监控空气质量监控系统2000元/点284点9072568000元元太阳能热水太阳能热水系统1200元/m21套45509432000元元合计210.99元

2 绿色建筑适宜技术的组合优选

组合优选原则[2]：

以降低建筑全年能耗为优先;

以被动式节能为先，主动式节能为后;

不以牺牲室内设计环境品质为代价;

将运营效果的落实与能源监测平台的建设要求统一;

时刻考虑未来运行阶段的行为节能策略;

避免将来源不稳定，节能效果的条件较多的技术方案作为节能重点方案，如自然通风、自然采光、场地风能利用等[3]。

随着绿色建筑概念在社会上的广泛传播以及国家政策的大力推动，许多建筑材料、机电设备、功能性软件都打出了“绿色建筑技术”的旗号。其中确实有在绿色建筑要求的一些方面有较好效果的技术，但是项目的设计、咨询单位需在绿色建筑策划中严格实施数值化可行性分析，依照图2中列出的6个绿色建筑技术方面，保证整体达到真正的节能减排效果。在这一阶段，需要使用计算机模拟分析软件对各类方案进行组合分析，本项目在方案阶段主要使用了英国的IES-VE软件与Ecotect软件进行总图设计与能源系统优选的耦合分析，保证分析的快速高效，可以灵活组合并且易于修改。图3是用于能源与室内环境分析的三维建筑模型(IES-VE模型)。

图2 绿色建筑节约资源技术的6个主要方面

图3 实验楼三维建筑模型(IES-VE模型)

2.1 太阳能热水与电伴热的选择

在确定了项目的主要冷热源(传统冷热源)之后，就是考虑项目使用可再生能源可行性的时候了。经过使用数值模拟技术，可以对项目场地的可再生能源潜力进行预判，风能、地热能、太阳能光电等均被确认为项目的“不适宜能源”。其中针对绿色建筑中的自然通风要求，本项目基于场地各季节主导风向下风环境分析确认了自然通风条件良好的房间位置以及适合自然通风的季节，这样可以将绿建标准要求面积比例的可开启外窗优先分配给这些房间。(见图4项目场地风环境速度云图、图5项目场地风环境压力云图)

图4 项目场地风环境速度云图

图5 项目场地风环境压力云图

经过可再生能源方案分析优选，只有太阳能光热比较适宜本项目，此时需要对太阳能系统未来集热能力进行快速分析，以判断使用太阳能供生活热水所需要的预留面积、最佳位置组合等。在确认了太阳能热水的可行性后，又遇到了是否使用电伴热的问题，经过对哈尔滨地区20年太阳辐射强度的分析以及本项目用热水的性质，最终确定了将生活热水水箱放置在建筑内区，不再额外设置电热锅炉对太阳能热水进行补充。模拟计算的气象参数采用哈尔滨市标准典型气象参数，其温度及太阳辐射强度，场地有利于太阳能集热的位置如图6、7、8所示。

图6 哈尔滨市日干球温度统计图

图7 哈尔滨市太阳全年逐时辐射强度统计图

2.2 自然采光、可调节外遮阳与防眩光设计

在进行外立面推敲的过程中，建筑设计综合了绿色建筑标准对自然采光、遮阳的条文要求以及业主本身对自然光环境的关注——希望增加自然采光同时控制夏季的夕晒与眩光问题；同时希望在冬季为室内尽可能的引入阳光直射。由于涉及到的可调节外遮阳和光导管都属于单位投资成本增量较高的技术，项目使用模拟技术预判未来的运营效果，力求根据《绿色建筑评价标准》以最少的安装数量满足需求。在综合权衡了全阴天条件下自然采光、冬夏季太阳高度角、眩光控制与夏季室内太阳辐射得热多种问题后确认了项目可调节外遮阳的数量、安装位置与冬夏季的主要调节角度；优化了服务于地下车库的光导管数量。在图9中显示的是针对可调节外遮阳安装位置与遮阳设备自身型号，以及调节角度的优选分析，保证了造价和使用方便上的考虑，仅在必需的位置设置可调节外遮阳。

同时进行的分析还有立面开窗与外遮阳对室内自然采光条件的影响。在冬季严寒的哈尔滨，大面积的外窗意味着冬季采暖能耗的急剧增加；为了找到自然采光与能耗优化的平衡点，项目使用耦合数值模拟技术，针对有自然采光需求的房间进行了自然采光与冬季采暖热负荷权衡分析。

图9 可调节外遮阳的冬夏季角度设置分析

图10 建筑自然采光设计分析

按照自然采光条件的分析，建筑平面将办公科研室尽量集中到了拥有良好采光条件的部位，而大量对自然光非必需条件的实验室、细胞房、器械库房被移至内区，交通布置也因此从方案阶段便确定下来。同时考虑到哈尔滨夏季的冷负荷峰值同样较高且主要来自太阳辐射得热，因此专门进行了外遮阳冬夏、过度季最佳角度转换设计，保证夏季遮阳，冬季进光，全年保证自然采光，降低眩光。

2.3 建筑总冷热负荷动态分析与节能

在对该实验室建筑进行节能问题探讨时，曾经考虑到是否要完全放弃绿色建筑的能耗优化一项。因为该建筑的主要功能区域——实验室拥有巨大的换气次数且由于排风有一定的腐蚀性而不宜设置排风热回收系统；同时为了保障整个建筑不处于负压，其他办公等区域不再设置排风，由这些区域部分弥补实验室排风造成的负压。为此项目组在采用诸如适宜的提升围护结构、所有非实验室区域采用二氧化碳浓度控制新风量等方法的同时，想到了一个釜底抽薪的方法。本项目由大量的消防喷淋系统覆盖，同时有院区自身的中水处理站提供中水，消防水管、中水供水是沿外区布置，出于防冻防裂的考虑，很多罕有人员停留或行走的走管区域都设置了采暖末端以保护冬季的消防、中水水管。针对这种保护性设计，可以使用IES-VE的全年动态性能化分析，综合室外温度、太阳辐射等外扰和临近相连的采暖区、非采暖区以及设备自发热区域的内扰变化进行水管走管区域的动态温度分析。本项目经过此分析，发现在防冻设计温度为5℃时，有95%的区域在20年内的最极端状态下无需采暖；即使将防冻设计温度提高到8℃，仍有90%以上的保护性采暖末端可以不需采暖，这样项目最终优化了88%的非必要采暖，使建筑整体能耗相对现行节能设计标准能耗降低了12%，对于一个实验室新风量占建筑总新风量90%以上且无法进行热回收的项目，这一结果可谓难得。

图11 针对眩光影响所做的可调节外遮阳角度设置分析

图12 耦合计算分析的在多重内外扰及机械、自然通风干预下的环境参数变化

下图为模拟水管管壁上空气温度的全年动态变化，发现即使在室外-44℃的极端情况，处于外区的走管空间温度仍能够在不采暖的情况下保持5.05℃以上超过18h的，而导致室内温度降低的主要因素-室外温度早已在达到极端温度的5h后大幅度回升。

3 结语

通过对此大型国家级综合实验室建筑的绿色设计步骤阐述，可以看到其对数值模拟分析技术的倚重。自方案设计之初至整个设计阶段，数值模拟技术为项目的绿色建筑策划提供了大量的方案优选数据基础，在将这些数据分析结果结合在建筑、机电设计中后，才筛选出一批综合型适宜技术；而项目团队自方案—初设—施工图—竣工图阶段的紧密沟通与审核保障了绿色建筑策划的一步步落实，也是本项目以低廉成本达到绿色建筑设计三星级目标的关键。本项目并未以全力争取绿色建筑三星标识为目的进行绿建策划，而是着眼真正的运营阶段节约资源，便于灵活管理，优化室内外环境等目标，其绿色建筑三星级的一纸认证仅仅是设计中的附加价值。

[1]Sam Roudman, Bank of America's Toxic Tower, New Republic July 28, 2013.

[2]CIBSE Guide F Energy Efficiency in Buildings

[3]CIBSE Applications Manual AM10, Natural ventilation in non-domestic buildings

[4]赛杨.动物实验室建筑能耗的模拟及优化

Key Role of Simulation in Green Building Design Strategy

Liu Xinye

(ChinaIPPRInternationalEngineeringCo.,LTD.,GreenBuildingGroup,Beijing100089,China)

Green building development has stepped into the “deep green” phase, which means that the so-called green building of new building materials and new technologies can neither meet the requirements of the market nor be in line with the national policies. More importantly, although the effectiveness of green building is usually considered at the operation phase, the design phase has always been the most crucial phase for the building to start with a good green foundation. The first key step for a green building is to work out good green building strategy in design and to use suitable building technologies. The article analyzes the important role of digital simulation technology in fine design. With its high reliability, low cost, short project life circle and flexibility, digital simulation technology has become a reliable tool for working out green building planning and predict the future results of all kinds of green technologies.

Green Building; Energy Efficiency; Simulation

刘昕晔(1983-)，男，硕士，英国皇家特许暖通工程师，英国皇家特许机电工程师协会企业代表，LEED AP，中国中元国际工程有限公司绿色建筑研究中心主任， 北京市绿色建筑专业评价组成员。主要研究方向：绿色建筑。

TU201·5；TP391·98

A

1674-7461(2015)01-0053-07