西安某高校节能中心热环境模拟优化设计
关键词：ECOTECT软件；室内热环境；模拟分析；优化策略
引言
随着哥本哈根会议、中国两会中“低碳”一词的高调亮相，低碳经济、低碳生活等概念深入人心，低碳更是风靡整个社会。国务院总理温家宝在出席哥本哈根会议前宣布到2020年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%至45%的目标。由于在我国建筑相关能耗约占全社会总能耗的46.7%，因此建筑节能成为低碳减排的一个重要突破口。
建筑节能的实施过程中，大多数设计师运用的手法仅凭借以往经验，对具体建筑缺乏针对性。本文采用Ecotect对西安某高校的节能中心进行模拟分析，通过对建筑的热环境分析找出现有建筑存在问题，并提出具体的优化措施。
一、优化建筑概况
该建筑气候与节能中心位于西安市，年平均气温为12℃～13.6℃，由于受季风的影响，冬冷夏热、四季分明。夏季极端最高气温为41.4℃～45.2℃，最热月（７月份）平均气温为23℃～27℃，极端最冷气温-16.9℃～-20.8℃，最冷月（1月份）平均气温为-3℃～1℃。年降水量为500㎜～700㎜。农业气候属于暖温带气候区，在热工分区上属于寒冷地区的ⅡA，建筑设计中应满足夏季防热防潮的要求。
被模拟建筑为一层砖混结构，平面布局如图1所示。建筑主入口朝北，入口处设置缓冲空间前室，中间为中庭，在中庭周围布置各个办公房间。为了后续软件模拟的精确性，把整个图1节能中心平面图
建筑分为如图所示八个区域。外墙体材料为普通实心粘土砖（承重墙），墙体厚度为360㎜，中庭与周围房间之间的隔墙厚度为420㎜，其他内隔墙为360㎜，内墙抹灰；建筑北墙饰面材料为15㎜厚水刷石，其他三面墙体均用15㎜厚水泥砂浆抹面；中庭地面铺设木地板，其他各办公房间、前室、过道的地面均铺设普通饰面砖；屋顶为120mm厚钢筋混凝土预制多孔板平屋顶，3:7灰土找坡层（最薄处20厚）、5厚纸筋石灰浮筑层、无保温层和隔热层；室内中庭顶棚为轻钢龙骨吊顶；外门为1500mm×2100mm的塑钢门，其他房间门为900mm×2700mm（包括上部亮子）的木质门；窗为普通木框单层玻璃窗。
室外地面（周围空地和较低的建筑广场）为较大面积的绿化空地、东侧的木结构建筑广场和小块水泥硬化路面。模拟建筑南侧距离建筑系馆仅10m，冬季受其遮挡严重，周围绿化较好。
二、建立模型
针对节能中心热环境分析，在Ecotect中建立模型，按照上文所分的八个区域进行建模。建立模型的步骤如下所示：
（一）建模前期设置，建筑类型选为办公建筑。另外从气象数据库中调入西安的气象数据文件。设置场地的指北方向，选择场地所在位置为城市；
（二）在3DEDITOR中完成建筑单体模型的建立；
（三）模型中插入建筑的门窗；
（四）对于局部墙体进行修改；
（五）赋予材质有关材料数据；
（六）根据建筑自身情况每个建筑部位选择合适的材料；
三、热工模拟分析
全年最冷天1月9日该建筑的逐时温度曲线，在建立模型时，把中庭、前室、过道、厨房和五个房间各自设为一个区域，反映的是各个区域在最冷天（1月9日）的逐时温度，另外模拟还包括室外温度、太阳直射辐射、散射辐射及风速的变化情况，从中可以看到节能中心冬季气温在0℃左右，即使午后15点左右最高气温仍不超过10℃，而太阳直射辐射强度与西安建筑平均直射辐射水平相比同样较低究其原因是建筑南向采光受南侧建筑遮挡，影响了太阳直射辐射，从而造成冬季气温偏低。
该建筑被动组分得热分析，可以看出来全年中的热损失有61.6%都来自于自然通风，围护结构传导带来的热损失占到了29.8%，全年中的得热有16.3%来源于太阳辐射，自然通风带来的得热占总得热的10.8%。建筑改造过程重点关注围护结构，加强围护结构保温能力有利于该建筑节约能源，还要注意增加进入室内的太阳辐射，打开中庭上部窗户形成南北通透，改善室内空气品质。
四、建筑热工性能优化措施
通过对该建筑使用者的调查，结合计算机模拟，笔者发现冬季室内热工环境较差，主要表现为室内通风很差，加之暖气设备的使用，使室内空气较为干燥，随之带来的二氧化碳浓度增加等问题，不利于办公者的身心健康。同时由于南侧建筑遮挡进一步恶化了冬季室内热环境，夏季室内热工环境良好，较为凉爽。由于气候中心属于南侧东楼附属用房，建筑遮挡造成的太阳辐射量无法改变，针对影响节能中心热环境常见问题，在满足可行性原则基础上提出以下设计措施。
（一）自然通风的有效利用
良好的自然通风可以及时地将室内的热量和湿气带走，使室内空气温度较快的降下来，充分考虑窗户、门及风口的位置，组织好穿堂风也是非常重要的。
针对节能中心现有问题可以采用室外、室内同时进气和利用风压、热压作用相结合的方式。组织方式有：1.从室外进气，同时为了加强风压的作用，采用兜风檐口的做法；2.利用中庭上部的窗户或通风井达到自然通风的效果，可以抬高中庭突出屋顶的高度，能够增强通风效果。
（二）调整建筑布局周围绿化结构
室外绿化有降温增湿、遮阳防辐射、保持一定水分的作用。但是该建筑周围的树木过于茂密，加之东楼的遮挡，严重影响了建筑室内的太阳辐射量和采光。
绿化品种的选择和配置主要从遮阳来考虑，并注意通风采光问题，同时绿化对墙壁的防热也起到很重要的作用。树木可以选择伞形、广卵形、圆头形、锥形、散形等。另外在窗前设置棚架，利用攀爬植物，设置爬山虎、珊瑚藤等构成窗前水平或垂直遮阳，对室内气温有很大影响。同时合理选择绿化植物的种类和树种的布置，调整绿化密度，夏季导风入室，增强室内通风，并兼顾冬季日照和采光。
（三）增强围护结构保温性能
增强围护结构保温性能是提高室内热工性能，减少能量损失的关键。结合立面的设计，屋顶上方可设计通风间层，形成封闭的空气层，既起到夏季隔热作用，又达到冬季保温的作用。也可做成种植屋面，利用覆土层和植物增强屋面的保温、隔热性能，同时有美化民居的作用。