一种对既有建筑进行节能改造的数值化分析方法

摘要

本发明涉及一种既有建筑节能改造、数值化模拟分析实验，即通过数值化分析模拟技术，进行既有建筑内外环境模拟试验，对既有建筑的能耗进行精确检测，并确定其能耗源头，从而对既有建筑的节能改造进行有效的改进和完善的数值化分析方法。该方法通过CFD软件模拟和Ecotect软件模拟对既有建筑进行改造。该方法可以直观反映节能效果，通过计算机模拟演算，建筑师可以了解每个房间需要到达预期节能效果所需要采用到的生态技术。

说明书

技术领域

本发明涉及一种既有建筑节能改造、数值化模拟分析实验，即通过数值化分析模拟技术，进行既有建筑内外环境模拟试验，对既有建筑的能耗进行精确检测，并确定其能耗源头，从而对既有建筑的节能改造进行有效的改进和完善的数值化分析方法，属于土木建筑工程学、计算机科学技术领域。

背景技术

最近环境问题再度引起公众的高度观注，“节能减排”的呼声越来越高。大量没有任何节能措施的既有建筑，其能耗浪费非常严重。由此看出降低既有建筑能耗，加强其节能改造技术的研究对于节能减排、保护生态环境有着举足轻重的作用。

随着计算机技术的普及和发展，在建筑节能工程中采用数值化仿真模拟技术极大地促进了节能工作的技术和管理水平的提高，从而推动着建筑节能的不断进步和发展。数字化仿真模拟技术在建筑节能的应用始于1974年，近几年，随着数字化技术逐步成熟，对建筑节能的渗透愈发深入，本方法选用基于有限容积法的专门用于建筑通风分析的CFD(Computational Fluid Dynamics)计算流体力学软件-Fluent Air-pak对风场进行分析。Air-pak软件可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题。Air-pak的使用能够提高设计手段、减少设计风险、降低成本；然后再运用Ecotect生态建筑大师进行光、热和声环境的检测，Ecotect是一个全面的技术性能分析辅助设计软件，提供了一种交互式的检测方法，只要输入一个简单的模型，就可以提供数字化的可视图，随着设计的深入，分析也越来越详细。ECOTECT可提供许多即时性检测，比如改变地面材质，就可以比较房间里声音的反射、混响时间、房间照度和内部温度等的变化；加一扇窗户，立刻就可以看到它所引起的房间热效应、房间光环境等的变化，甚至可以计算出整栋建筑的节能投资成本。

目前既有建筑的数值分析主要是结合数值风洞的方法，用计算机进行建筑内环境和建筑外环境的模拟计算以观察建筑周围风速大小和其流线，但缺点是依赖计算人员的理论基础及其在具体操作中对各种影响因素的选择，且无法精确定位建筑可以进行节能改造的能耗点。

发明内容

本发明的目的是运用CFD(Computational Fluid Dynamics)计算流体力学软件计算建筑通风，又运用Ecotect生态建筑大师计算建筑光热能耗和声污染，在进行既有建筑节能改造的数字化模拟分析后，兼顾建筑的通风、光环境和声环境进行改造。

本专利是用来解决模拟既有建筑的节能改造方法，由于传统的节能改造只是孤立地运用多种节能手段装配既有建筑，没有考虑各个节能技术之间出现的矛盾和重复是否会降低既有建筑的节能效率，本专利就是要通过计算机模拟的方法事先对每一个房间进行模拟，然后得出最适合每一个房间需要运用到的节能技术，大大降低了建筑成本。

本方法技术方案是，一种对既有建筑进行节能改造的数值化分析方法，它的主要内容是根据现有建筑在计算机中建造同比例的模型，利用数字化模拟技术进行建筑内外环境的模拟计算，直观的表示出既有建筑现有的能耗情况，有了这样的模拟，就可以通过改变不同的节能改造方式，探寻出既有建筑最佳的节能改造方案，从而使既有建筑的节能改造更加完善。

具体的方法步骤为：

1.在模拟前，先要确定模拟对象所在的地理环境中造成最大能耗的因素，如果当地极端气候下风速流动较快，且建筑能耗主要是源于房间通风不好的情况下，先进行CFD模拟来改善通风，再进行Ecotect生态建筑大师模拟来改善采光。反之如果当地风速较低但由于太阳辐射导致温度过高或过热，则先用Ecotect模拟改善建筑节能再进行CFD模拟确定既有建筑的节能方案(如果环境过热，风速过低，风本身就是热源，良好的通风反而不利于降低房间温度)。假设既有建筑在风速较高却较热的环境中，则对需要进行节能改造的既有建筑和周边环境进行建模，在CFD软件中根据建筑的平立面图建立起立体的建筑一个层面内的模型(如果由连同几层的公共空间要一起建)，布置好外部环境参数(至少包括极端气候中的环境温度，风向和风速，如果有节能需要还可以增设湿度、风压等模拟参数)，然后利用Airpak软件模拟建筑在城市空间中夏季的环境状况(第一次CFD模拟)；

2.通过前面场景的模拟得出的环境对建筑影响的数据，就可以得出改造建筑中的一个房间层面内的通风情况(房间内风速，风向和风压的环境参数)和温度的影响。对于既有建筑的改造要考虑其所处的地理环境，如果是热带，要保证良好的通风；寒带要保证建筑封闭性来较少热量流失；温带建筑两者都要兼顾。

3.确定完房间所处地理位置和其本身的功能后，评定此种功能的房间最适合的环境参数，对比通过模拟得出的房间目前环境参数(房间内风速、风向、风压和温度的环境参数)，如果不能满足，居民会通过消耗能源的手段来达到房间内的舒适度，也就形成了建筑能耗。根据房间的功能，一方面可以确立各个房间离达到房间理想环境参数(合适的温度、湿度等)的差距，将这些差距一一以数值方式列出。由于每一个房间要达到要求的差距不一致，不同房间节能措施的力度也不同。此外，通过模拟可以确定房间中的能耗点，了解一个房间的能量从哪里流失，并对其进行适当的节能处理。整合数字化模拟软件所探寻出的既有建筑可以进行节能再造的能耗点的最佳参数，然后对这些能耗性质进行定位，运用具体能实现各房间降低能耗的节能手段。现在对温度较高的房间增加与内部公共空间的开洞尺寸，其开洞位置以能耗点为依据。如果门洞上的老虎窗夏天不通风，冬天应为材料不保暖而无法聚热，形成了能耗源头，索性将窗框和玻璃拆除，与前面新开设的洞口一同改建成保温性的百叶板，自由控制不同季节中的通风从而实现节能。或者可以设置其它的节能设施，尽可能把内部过多的热量排到公共空间中。对于一些难以实现节能改造的房间可以考虑改变房间本身的运用功能。

4.将这些节能手段的运用在计算机中模拟(第二次CFD模拟)，测试其与达到预期效果的差距，并设置能达到同等节能手段但可以改造成本的最佳节能方法，这样就可以对方案通风进行最终的确定，之后对改造完的房间重新进行模拟(第三次CFD模拟，可略)，得到初步改造后房间环境参数，检查是否整体实现了建筑节能。

5.对当前的房间进行冬季环境的模拟，由于冬季的风向会有所改变，所以要重新设置当前环境参数，对已经经过为满足夏季通风的而改造的模型进行冬季中极端气候的模拟(第四次CFD模拟)，其步骤大致与前步骤1到步骤5一致，只是节能以降低通风并加强建筑保暖为措施，如果冬季的节能措施会影响已经为满足夏季而采取的节能措施，就要取具有替代性的方案来同时兼顾冬夏季的节能，如果不能取代，则要考虑当前既有建筑所在环境在哪个季节消耗掉最多的能源(此能耗是通过当前节能改造可以形成影响的范围内，不包括其他日常生活的能耗)，就取有利于这个季节环境的节能措施，最终形成完套的通风方案(步骤中还存在第五次和第六次CFD模拟)。

6.CFD分析后进行Ecotect分析，此软件主要用于改善房间光环境和热辐射环境，根据CFD改造后的模型造型，在Ecotect里重新进行简单建模(CFD模型和Ecotect不能互导)，并输入当地夏季的太阳角度，对房间内进行自然采光(模拟后得出包括采光和热辐射2个环境参数)分析(第一次Ecotect模拟)。

7.通过Ecotect模拟可以清楚看到光和热对房间的影响，有了这些参数，建筑师就可以进行节能处理了，比如在光线较好区处理一些反射光的系统，在不影响人的情况下把光导到房间内光线不足的地方，对于采光差的公共空间可以铺设天窗或铺设浅色地砖、地毯(如果已铺设深色地砖的情况下)来增加房间光线。由于是夏季，在建筑节能改造中可能会存在既要满足采光又因直接接受光辐射而过热的区域，可以铺设浅色但抗热辐射的地毯或桌布来降温(这样做可以方便在冬季换上高导热的地毯和桌布，操作方便且有效利用冬季的热辐射)，重新进行Ecotect模拟来观察房间采光和热辐射的改善情况(第二次Ecotect模拟)，如果有不足之处可以增设新的导光和抗热的节能措施，再次模拟(第三次Ecotect模拟，可略)，这样当前层的节能措施方案就完全形成了。

8.与步骤六的概念一致，在有满足夏季采光节能方案基础上重新模拟冬季阳光对既有建筑的影响，只是这里要把抗热辐射的节能措施改变成既要满足采光，又要吸收热辐射的措施，模拟步骤与步骤8相似(存在第四次到第六次的Ecotect模拟)，最终对既有建筑形成了一套从通风到采光的节能方案。

9.用同样方法对建筑其他层进行从步骤1到步骤8的运算和节能改造，这样一套全备的既有建筑的节能改造方案就完成了。

注：由于既有建筑结构和环境已经定型，所以一切的节能措施不能破坏原本结构，如果是历史保留建筑不能改变外立面的造型(不能靠对外立面新增窗洞或改变窗洞大小和位置满足通风)。

既有建筑所处的环境也决定了模拟步骤的详略情况，如果是热带地区，冬季温度正好且风向与夏季一致，则在CFD中只需要一个极端季节的模拟，而采光上由于冬季和夏季太阳的采光角度不同(夏季由南向北，冬季由北向南)2个季节都要Ecotect模拟，只是采取的节能措施都以抗辐射为主。同样既有建筑在寒带，无论是CFD中还是Ecotect中都只模拟一次冬季情况，节能措施以保温和聚太阳热辐射为目标。

本专利技术旨在降低建筑节能成本，使得节能技术的运用根据具体条件的不同而不同，这样就可以大大地节省一个建筑节能的成本，把既有建筑的节能方案处理得更合理。

本发明的特点和优点：

1.对于流动问题自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解的问题，CFD则有可能找出满足工程需要的数值解。由于CFD适应性强、应用面广，通过CFD可进行各种数值试验。

2.ECOTECT的建模和环境对模型影响的功能可以处理任何复杂的几何形体模型。ECOTECT给设计者提供了视觉上和交互式的有用反馈信息，除了标准化的图表信息报告，计算结果还能直接在建筑表面和空间上显示出来，使得建筑师能够了解并展现出建筑性能表现。CFD与Ecotect生态建筑大师相结合可进行高效、经济的综合统计。从而缩短项目开发周期，节省大量物力和财力。

3.这种对既有建筑进行节能改造的数值化分析方法可以直观反映节能效果，通过计算机模拟演算，建筑师可以了解每个房间需要到达预期节能效果所需要采用到的生态技术。

附图说明

通过以下对本发明的实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是既有建筑节能改造的数值化分析步骤；

图2是既有建筑的正立面图；

图3是既有建筑的一层平面图；

图4是既有建筑的剖立面图；

图5是南部房间的热流通过北部走廊的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种既有建筑节能改造、数值化模拟实验，即通过CFD和Ecotect数值化模拟技术，进行既有建筑内部环境模拟试验，对既有建筑的能耗进行精确检测，并确定其能耗源头，从而对既有建筑的节能改造进行有效的改进和完善的数值化检测方法(图1)。

1.本方案以思福堂的节能改造为案例，思福堂是上海理工大学中35幢市级优秀历史建筑的一幢，因此在对老建筑进行保护和修缮的基础上，对于思福堂进行新的节能改造。根据既有建筑现有的平面图、立面图、剖面图数据以及周边的情况，在FluentAir-pak软件中进行既有建筑第一层和周边环境所需要模型的建立(图2、3、4)。在软件中待建筑模型建立完成后，利用软件模拟既有建筑内部的夏季中的环境状况。

2.显示模拟既有建筑的通风情况，由于思福堂属于办公型建筑，要求良好的通风性，而建筑本身的中间走廊由于四面开口，通风较好，但南部和北部的的房间通风并不完全理想。

3.对建筑房间墙体开设洞口，尤其是北侧背风的房间通风畅通。由于此建筑有历史保留价值，不能改变外部窗洞形状，另外要改善内部空间的通风，将南北侧房间内墙的门洞在不破坏结构的情况下开设到顶面，南北房间门的顶上都增设百叶通风板控制通风，百叶板要求在合闭后可以最高限度保持热量(图5)。

4.根据改造方案重新建模开洞，除了新开的洞口外也要有百叶板的模型，并将其调整为开启状态，对于新改造的方案进行第二次CFD模拟。模拟后发现通风得到了改善，温度略微下降，但在一些能影响到人的区域中还存在着一些热源，因此在内部聚热但通风不流畅处开设排风扇(在CFD建模中可以通过在房间模型内部加设风源模拟通风扇)，进行第三次CFD模拟，发现方案有了改善。

5.改变外部环境，将其调整为冬季，重新演算建筑内部的能耗源头(第四次CFD模拟)，通过模拟发现在西北风的影响下，由于北部房间窗洞过大，导致温度流失，所以对北部房间的窗安设成双层玻璃，并加固各个房间的门洞保暖措施。此外为满足夏季通风开设的通风扇成了能耗源头，所以通风扇口要安设可开闭的门板来阻止热量的流出。安设百叶板的洞口虽然关闭，但依然是能耗源头，可以对百叶板之间加添一层保暖覆盖层，在板与板交替处有间隔缝隙，对板边加设橡胶材质堵住缝隙，进行第五次CFD模拟，发现建筑保暖性能大大改善，再切换到夏季环境，将百叶板开启，并开通通风扇，确认冬季环境的改造是否对会影响夏季环境中的建筑通风，通过模拟发现百叶板的保暖层增加了其厚度，略微影响了夏季通风，可以将保暖层改为整体式可更换的大保暖层，其大小和洞口一致，夏季拿掉，冬季安设上去堵住洞口，这样就最终确立出合理的建筑通风方案。

6.根据CFD改造过的方案模型为参考，在Ecotect中重新建立模型，并输入上海夏季的太阳角度，对房间内进行采光分析(第一次Ecotect模拟)。

7.演算完后，看见南部房间由于向光，采光较好，但是热辐射也相应的增加了(这在冬季是有利的)，北部房间背光，没有热辐射。所以要设法增加北部房间采光，使得南部房间的热辐射变得可以控制。控制热辐射的措施比较简单，可以在夏季阳光直射到房间的区域铺设浅色且抗热辐射的地毯(方便与在冬季将地毯拿掉从而利用热辐射的温度)。北部房间可以在窗台四周布置反光较强的大面积材料，地板要铺设浅色却略有反光的地毯材料(反光太强会破坏视觉舒适度)，之后重新进行模拟(第二次Ecotect模拟)与改造前进行对比，也就得出最有利于夏季采光和控制热辐射的方案。

8.对改造后的建筑进行冬季环境的模拟，取上海冬季的太阳角度，进行第三次Ecotect模拟(前面只进行了两次，省略掉了对夏季采光最终定型的模拟)，由于光源方向基本一致，只是太阳倾斜角度有所变化，所以采光基本满足，只需要将原本抗热辐射的地毯拿掉，改成吸收热辐射的地毯来充分利用阳光，由于太阳倾斜角较大，此类地毯面积比夏季抗辐射地毯的面积更大。这样改造方案就完成了(不需进行第四次Ecotect模拟，因为上海地区在不受建筑物遮挡的情况下冬季采光本来就比夏季好，此建筑南侧没要高大的建筑遮挡物，对于热辐射的利用已经是采用了最大节能措施)。

9.之后在CFD中建立思福堂二层平面，重复步骤1-8，直到三层建筑都得出各平面最有效的节能方案，将他们组合起来就是整个既有建筑最终的节能方案。

建筑师在进行既有建筑节能设计的时候，往往要在不破坏既有建筑承重结构的基础上进行节能设计，所以在改造时显得无从下手，本办法就是利用数字化仿真模拟技术对既有建筑的各个情况下的能耗点进行全面的检测，最终得到建筑最佳的建筑节能改造方案。