陈博飞
（山西交控置地有限公司，山西 太原 030006）
判断建筑能耗变化方向是提高还是减少最为简便的方法就是对比分析法，然而受复杂的实际影响因素以及各因素间的交互作用限制，单因素分析方法模拟分析实际影响因素，在其他因素固定不变的条件下，指定其中某一因素进行变化研究，能有效对建筑节能变化方向进行判断[1]。
1.1 建筑体型系数
本研究模型起始平面面积设为420m2左右的固定值，建筑层高设为55.8m的固定值，分别模拟分析多种建筑体型型式，包括圆柱体、三棱柱体、正方体、长方体以及凹凸组合型体等，依次将体型系数设成0.20、0.30、0.27、0.26。对不同的平面型式进行变换，从而使模型参数中的体型系数发生改变，并对各体型系数与建筑能耗变化之间的影响关系进行分析对比，图1为各体型系数下，建筑总能耗、照明能耗、制冷能耗和采暖能耗指标的分析结果。
图1 不同建筑体型的建筑能耗影响
通过对图1进行分析可得，能耗指标方面,三棱柱体＞正方体＞长方体＞圆柱体，可认为，在相同建筑平面面积条件下，建筑体型系数越大，其耗费的能耗指标越大；
此外，需对建筑表面的凹凸组合关系进行合理控制，避免非必要的凹凸变化出现。设计时，也应对长宽边长比例进行适当选择。平面布局型式应考虑对圆型或长方型进行优先选用，从而得到较小的建筑体型系数，促使建筑所需能耗得到降低[2]。
在模拟分析中调整建筑层高设置参数，对不同体型系数对建筑能耗的影响关系进行分析，分析结果如图2所示。
图2 不同建筑层高的建筑能耗影响
对图2分析可得，经模拟分析后，建筑层数的逐渐递增，特别是层数由3层提高至6层时，建筑总能耗呈上升趋势，但由从6层提高至21层的时候，建筑总能耗又呈现下降趋势，总能耗直至层数达到30层才又变为上升趋势。故可通过对层数进行适当增加的方式，使建筑体型系数得到减小，从而使建筑所需能耗得到降低。
1.2 建筑朝向
对建筑朝向进行合理布置，在冬季，能通过足够多的太阳辐射来提高建筑内的室温，使人体舒适感得到提升，并能使采暖能耗得到降低；
在夏季，则可以避免由于获得过多太阳辐射而导致的室温升高问题。通常来说，建筑主立面所面向的角度即为建筑朝向[3]。本研究通过对建筑朝向方位参数进行调整，由正南方向依次逆时针偏转15°至正东方向，然后顺时针偏转15°至正西方向，对建筑不同朝向与所需能耗间的变化影响关系进行对比分析，分析结果如图3所示。
图3 不同建筑朝向的建筑能耗影响
通过对图3的分析可得，当建筑处于正南朝向时，其建筑能耗，包括采暖能耗、制冷能耗和全年总能耗均处于最低水平，其次为南偏西15°朝向下的建筑能耗，且随着向东或向西的偏角变大，建筑总能耗指标也呈现渐增趋势，当建筑朝向完全偏向西时，各类建筑能耗指标均达到最高，故应避免建筑朝向向西。由前分析可知，朝向的不同也显著影响着建筑所需能耗。
1.3 外墙传热系数
本研究在模拟分析建筑能耗时，将外墙传热系数的取值范围设定在1.1W/（m2·K）之间。在限制传热系数的基础上，通过对外墙材质进行变换，并对外墙墙体保温层进行厚度调整，促使外墙的热工系数随之变化。对居住建筑在各类外墙类型，即：钢筋混凝土砌块、实心砖墙、空心砖墙、加气混凝土砌块、EPS保温板+混凝土砌块等11种类型，受热工系数变化影响带来的全年总能耗、采暖制冷能耗及照明能耗指标的变化情况进行研究分析，如图4所示。
图4 不同建筑外墙类型的建筑能耗影响
由图4可知，降低建筑的外墙传热系数并不能显著影响其制冷能耗指标的变化，而通过逐渐增加墙体保温层厚度，降低墙体传热系数，能使采暖能耗指标的变化趋势随之产生显著的下降变化，以及建筑全年总能耗指标也相应地出现较为显著的下降变化。由图中结果还可认为，当建筑的保温层厚度增大至6cm时，其采暖能耗指标变化开始转为较为平缓的趋势，就算持续增大保温层厚度，其采暖指标仍未出现明显的变化趋势。
1.4 屋顶传热系数
在模拟分析建筑能耗时，将外墙传热系数的取值范围控制在不超过0.6W/（m2·K）。在限制屋顶传热系数参数设定的基础上，通过屋顶保温层的厚度调整来改变屋顶热工系数[4]，对不同屋顶构造类型的居住建筑，即：细石混凝土配钢筋4cm+防水沥青+水泥砂浆2cm+挤塑聚苯板XPS（不同厚度）+钢筋混凝土12cm+水泥砂浆2cm，在受热工系数变化影响下，其全年总能耗，和采暖、制冷能耗指标的变化情况进行研究，研究结果见图5。
通过对图5的分析可见，采暖能耗与制冷能耗具有同步的降低变化趋势，照明能耗始终保持不变的趋势，随着逐渐增大屋面保温层厚度，建筑总能耗也在缓慢下降。据此可认为，建筑物在满足结构荷载的前提下，可通过增加调节屋面保温层厚度的方式，实现建筑能耗指标的降低控制，但若对屋面保温层厚度进行无限的增加，则有可能会使得屋顶结构的耐久性和牢固程度受到影响，同时也会使屋顶所受荷载压力增大。
图5 不同建筑屋顶类型的建筑能耗影响
1.5 窗墙比
在夏季制冷时，由窗户接收到的外界太阳辐射将大幅增加室内的能耗水平。当窗墙比取值不超过0.7时，能使采光通风得到良好保证，同时也能使使用者心理需要得以满足。通过对建筑窗墙比设置参数进行调整，对不同窗墙比取值下，建筑能耗的变化情况进行对比分析。图6为不同窗墙比对总能耗、照明能耗、采暖和制冷能耗指标变化的影响分析结果。
图6 不同窗墙比的建筑能耗影响（以南向为例）
通过对图6的分析，对南向窗墙比取值进行调整可发现，随着窗墙比取值的增大，采暖能耗指标呈现缓慢下降的变化趋势；
而制冷能耗指标随着南向窗墙比的增加而增加，且趋势较为稳定；
同时，由于制冷能耗上升趋势陡于采暖能耗下降趋势，总能耗的变化趋势总体表现为上升变化。由以上分析结果可知，当南向窗墙比取值在0.4上下时，能得到较为适宜的全年总能耗指标，同时也是较为合理的居住建筑窗墙比取值。在冬冷夏热地带，为确保冬季能得到更多的太阳辐射，需对增大南向窗墙比进行适当考虑，使室内舒适感得到提升。
选取某小区住宅建筑作为案例，本研究采用BIM技术对监理基础模型进行搭建，并在Design Builder中导入模型，分析其全年运行总能耗以及采暖、制冷能耗，对采取节能优化措施前的原方案能耗指标进行获取，作为后续优化设计后的能耗指标的对比。
2.1 BIM模型构建
采用Revit软件，搭建原方案的BIM信息模型，并导出为gb.XML格式文件，然后在Design Builder软件中导入该格式文件，再调整模型并设置各相关参数[5]。
2.2 原方案的能耗指标结果
对原始模型进行适当简化调整，在Design Builder中导入模型并模拟其能耗指标数据，能耗指标模拟结果如图7所示。
图7 原方案能耗指标
结合前述居住建筑能耗影响因素分析，并以当地居住建筑节能设计标准中取限值为基础，设置标准对照建筑的取值，提出下列三种节能优化方案，如表1所示。
表1 节能优化设计方案
对三种节能优化方案的能耗指标进行模拟后，得到的数据结果如图8所示。
通过对图8的分析，方案A有最低的总能耗模拟结果，其中，建筑采暖能耗由38543.62kWh降至26559.04kWh，达到了31.1%的降幅；
制冷能耗由31035.89kWh降低到20176kWh，达到了35%的降幅。相比原建筑方案，方案A节能25.6%，方案B节能24.1%，方案C节能10.2%。在总能耗、采暖能耗和制冷能耗指标上，三种优化方案均能实现节能效果，可结合项目所在区域具体需要，对最适宜的节能优化方案进行综合比选。
图8 优化方案能耗指标
设计居住建筑的过程中，方案阶段存在着较多的可变因素和不确定因素，灵活度较强。在方案阶段的设计时，即提出相应的居住建筑节能优化策略，且在建筑整个生命周期内越早地介入，越有助于促进节能优化目标的实现。对当地实际气象参数情况进行充分参考，利用相关软件模拟分析不同方案的能耗指标，对不同因素影响节能优化措施的效果进行对比分析，对各种限制因素进行全面考虑，结合当地实际对最佳节能优化方案进行筛选，在确保使用者生理和心理需求均能得到满足的同时，也能实现节约能耗效果的优化。
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