PKPM節(jié)能設(shè)計軟件應(yīng)用之不足與節(jié)能設(shè)計發(fā)展思路

陸德偉　熊大勇

常州市規(guī)劃設(shè)計院　江蘇常州213003

    我院自2005年起使用PKPN節(jié)能設(shè)計軟件(夏熱冬冷地區(qū)江蘇版)，在此之前一直使用手算方法計算節(jié)能，計算過程復(fù)雜，耗時費(fèi)力。結(jié)果卻差強(qiáng)人意。主要表現(xiàn)在手算難以保證計算質(zhì)量，對復(fù)雜體型建筑更是難以下手，而當(dāng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的規(guī)定性指標(biāo)不能完全達(dá)標(biāo)時，如體型系數(shù)、窗墻面積比、門窗傳熱系數(shù)、遮陽等不滿足規(guī)定性指標(biāo)，無法按照規(guī)范要求通過采取提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能，經(jīng)過節(jié)能綜合指標(biāo)的權(quán)衡計算，來實(shí)現(xiàn)規(guī)范規(guī)定的節(jié)能50％(或65％)的目標(biāo)，使設(shè)計陷于被動。使用PKPN節(jié)能設(shè)計分析軟件(指夏熱冬冷地區(qū)江蘇版，版本號l.09版，下文同)后，上述情況迎刃而解，它在設(shè)計單位原AutoCAD圖形文件的基礎(chǔ)上快速建立三維模型，交互式輸入墻體、屋面、樓地面、門窗材料類型，完成建筑能耗分析，并生成標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能報告書和計算書。該軟件迅速受到設(shè)計人員的歡迎和審圖機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。隨著節(jié)能設(shè)計的深入，該軟件在大量的實(shí)踐應(yīng)用中也逐漸暴露出一些不足與缺陷，有些不足之處甚至影響到了節(jié)能設(shè)計的完成。

1、 PKPM節(jié)能設(shè)計軟件應(yīng)用不足之處

    1.1墻體和屋面、地面等材料無法自定義添加，材料對應(yīng)的導(dǎo)熱修正系數(shù)不自動給出。軟件材料庫中提供了較多廠家生產(chǎn)的不同類型的墻體材料和保溫材料，并且給出了相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱等物理指標(biāo)，可以自動計算出總傳熱阻和熱情性指標(biāo)，應(yīng)用起來十分方便。但由于保溫材料的不斷發(fā)展和各地廠家產(chǎn)品的區(qū)別，材料庫中不可能列出設(shè)計人員采用的所有材料，軟件卻投有提供設(shè)計人員自定義材料的功能，無法自行添加一些新型材料和具有地域特色的材料，也無法自行設(shè)定這些材料的物理指標(biāo)，給設(shè)計人員的材料使用帶來限制。目前我院通過采取先指定一種與材料庫中性能指標(biāo)類似的材料，待生成節(jié)能報告和計算書后，在word文檔中人為修改材料名稱，作為權(quán)宜之計暫時克服了這個困難，我們希望在軟件升級改進(jìn)后解決這個問題。在使用中還發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定材料型號后，軟件不能自行給出對應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)，一旦設(shè)計人員疏漏設(shè)置修正系數(shù)，將影響計算結(jié)果的真實(shí)性，我們認(rèn)為改進(jìn)此項(xiàng)功能后將使軟件更加具有可操作性。

    1.2在該軟件江蘇版居住建筑節(jié)能設(shè)計模塊中，外墻類型只能設(shè)置一種，無法滿足實(shí)際工程設(shè)計中的外墻節(jié)能計算要求。在剪力墻結(jié)構(gòu)住宅中，鋼筋混凝土剪力墻、梁板面積占外墻體總面積65％左右，砌體面積占35％左右，由于只能設(shè)置一種外墻類型，不得不全部按鋼筋混凝土墻體輸入，而不能按規(guī)范規(guī)定計算這兩種墻體的平均熱阻，導(dǎo)致計算結(jié)果中保溫層厚度人為增加，不利于控制節(jié)能成本。在框架結(jié)構(gòu)住宅中，由于鋼筋混凝土部分面積比例更小，如果均按鋼筋混凝土墻體計算，計算出的保溫厚度比實(shí)際值更太，這個問題更為突出，而如果全按砌體結(jié)構(gòu)輸入，忽略鋼筋混凝土粱柱面積，又必將導(dǎo)致計算結(jié)果失真，實(shí)際上不滿足規(guī)范規(guī)定的外墻平均熱阻指標(biāo)。需要指出的是，在該軟件公共建筑模塊中并不存在上述問題，可以根據(jù)設(shè)計輸入不同墻體組合類型，計算出外墻的全樓加權(quán)平均熱阻值。向該軟件上海方面的技術(shù)人員了解后，我們認(rèn)為可能是編制人員由于對《江蘇省民用建筑熱環(huán)境與節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn))(DB32／478—2001)有關(guān)條文的誤解，在編制江蘇版時產(chǎn)生了上述問題。該軟件的某些地區(qū)版本并不存在這種同題。

    1.3該軟件建模過程中可以建成復(fù)雜體型、高低錯落的三維屋頂造型，可奇怪的是，該軟件也只能對屋頂材料類型設(shè)置一種。而實(shí)際工程中對上人與非上人屋面、平屋面與坡屋面往往有不同的保溫與防水構(gòu)造做法。在同一建筑的不同屋頂做法中，設(shè)計人員被迫只能選擇一種屋面做法輸入軟件，難以保證最終計算結(jié)果的質(zhì)量。

    1.4體型系數(shù)計算方法不嚴(yán)謹(jǐn)。體型系數(shù)是建筑物與室外大氣層接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值，外表面積不包括地面等不與室外空氣接觸部分的面積。對商住樓進(jìn)行節(jié)能設(shè)計時，對上部住宅與下部的商業(yè)建筑，由于適用規(guī)范不同，應(yīng)該分開單獨(dú)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計和節(jié)能分析，以分別滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn))(GB50189—2005)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn))(JGJl34—2001)、《江蘇省民用建筑熱環(huán)境與節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn))(DB32／478—2001)。在對下部公共建筑計算體型系數(shù)時或進(jìn)行綜合計算時，理應(yīng)扣除有住宅覆蓋的部分屋頂表面積否則體型系數(shù)被人為放大，將對計算造成不刺后果。可能是軟件編制人員空間概念不強(qiáng)，軟件在計算中無法去除這部分表面積，當(dāng)需要進(jìn)行權(quán)衡判斷時，設(shè)計人員被迫提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能，才能使權(quán)衡計算滿足動態(tài)節(jié)能指標(biāo)。相反對于底層架空住宅(底層作為綠化或活動場地)，底層與室外空氣接觸部分的面積不易被計人住宅外表面積，容易使體型系數(shù)計算值偏小。

    1.5對圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料層次缺乏合理排列措施，尤其是對外保溫做法與內(nèi)保溫做法一視同仁，計算結(jié)果既不體現(xiàn)外保溫的優(yōu)越性，也不反映內(nèi)保溫的弊端。對于內(nèi)保溫的種種缺點(diǎn)，國內(nèi)外已有很多研究，本文不再對此分析。容易忽略的是圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料排列次序還影響溫度波衰減度大小和室內(nèi)散熱的快慢，從而影響室內(nèi)熱穩(wěn)定性，例如間歇性使用空調(diào)建筑中，總希望室內(nèi)溫度提高或降低快一些，耗能少一些，就要求內(nèi)表面蓄熱系數(shù)小一些．就不宜在內(nèi)表面使用厚實(shí)材料。材料排列次序不當(dāng)時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部還可能出現(xiàn)水蒸汽滲透冷凝界面，產(chǎn)生冷凝水，不但降低保溫性能，甚至影響結(jié)構(gòu)耐久性和室內(nèi)衛(wèi)生。建議PKPN節(jié)能設(shè)計軟件能夠量化體現(xiàn)出圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料排列次序的優(yōu)劣，為設(shè)計人員提供設(shè)計參考。

    1.6節(jié)能計算書計算過程存在缺失，計算書名不副實(shí)。在對建筑物的節(jié)能綜合指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)計算時，計算書僅提供了綜合指標(biāo)計算結(jié)果，即建筑單位面積的采暖年耗電量和空調(diào)年耗電量。對于這兩個關(guān)系到節(jié)能設(shè)計是否真正滿足規(guī)范要求的重要指標(biāo)，計算書不提供任何計算過程，很難令人信服。對于建筑平面房間功能的輸入狀況、采暖空調(diào)房間面積計算過程，計算書中均無反映，如果設(shè)計人員為了通過動態(tài)計算，人為減少采暖空調(diào)房間輸人的數(shù)量減少其面積，將得到失真的計算結(jié)果，而審圖人員根本無法通過計算書發(fā)現(xiàn)這種情況。建議該軟件升級時對此做徹底修改，能夠像 PKPM結(jié)構(gòu)軟件那樣，生成真正的計算書。

    根據(jù)我院使用PKPM節(jié)能設(shè)計軟件對節(jié)能設(shè)計的研究實(shí)踐，我們提出了節(jié)能設(shè)計進(jìn)一步發(fā)展的一些思路。

2、節(jié)能設(shè)計發(fā)展思路

    2.1應(yīng)將建筑布局、朝向、間距、環(huán)境綠化以至單體平面形式、剖面形式作為節(jié)能設(shè)計的首要內(nèi)容，并在節(jié)能設(shè)計分析的計算結(jié)果、計算過程中得到充分體現(xiàn)。這一系列問題是節(jié)能設(shè)計開展的根本前提，對室內(nèi)熱環(huán)境有不同程度的影響，如不能有效解決，即使圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能良好，也難以實(shí)現(xiàn)所需的室內(nèi)氣候條件。例如現(xiàn)代城市中出現(xiàn)的“熱島現(xiàn)象”，使發(fā)生在熱島范圍內(nèi)的各種污染物質(zhì)和熱量都被封閉在熱島中，熱島范圍內(nèi)的建筑根本無法成為舒適的工作、生活場所。目前的節(jié)能設(shè)計軟件和建筑師的節(jié)能設(shè)計均重視了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能指標(biāo)，卻忽視了上述因素，難免事倍功半。

    2.2應(yīng)避免節(jié)能計算模型的簡單化、理想化，力求接近實(shí)際狀態(tài)。目前按照《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB50176-93)、《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn))(G'BS0189—2005)、《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn))(JGJl34—2001)、《江蘇省民用建筑熱環(huán)境與節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn))(DB32／478—2001)，為了使不同建筑具有合理的可比性，并簡化計算，規(guī)定了計算的標(biāo)準(zhǔn)條件，以各地區(qū)的空調(diào)降溫期室外平均氣溫和采暖期室外平均氣溫作為室外計算條件，室內(nèi)溫度也由規(guī)范直接規(guī)定。由于室外氣溫和太陽輻射的晝夜、小時變化，加上室內(nèi)使用狀況的變化，實(shí)際上圍護(hù)結(jié)構(gòu)的環(huán)境熱作用，不論室內(nèi)或室外，都在隨時間變化，這種變化在一段時間內(nèi)可以近似看作每天出現(xiàn)的重復(fù)性周期變化，是一種周期性不穩(wěn)定傳熱。節(jié)能設(shè)計分析鞔件應(yīng)當(dāng)建立周期性不穩(wěn)定傳熱計算模型，用接近實(shí)際的算法，體現(xiàn)出其相對于手算的優(yōu)勢，成為提供建筑節(jié)能全壽命周期解決方案的專家系統(tǒng)，決不僅僅簡單作為代替手算的計算工具。目前實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并不存在技術(shù)困難。

    2.3加強(qiáng)節(jié)能建筑的熱舒適性效果研究、評判。達(dá)到同樣節(jié)能效率的建筑，熱舒適效果也可能差別很大，需要進(jìn)一步研究不同功能類型建筑的熱舒適性。丹麥學(xué)者房格爾的熱舒適方程、圖表以及PMV—PPD指標(biāo)，全面客觀地反殃了室內(nèi)氣候與人體主觀感受和生理反應(yīng)問的復(fù)雜關(guān)系，提出了人與6個物理量間的定量函數(shù)關(guān)系。人體得失熱量Aq--0，即F，Q，O，v,M,R。)=0。其中：f．——室內(nèi)空氣溫度Q，——相對濕度，O1----壁面平均輻射溫，y——室內(nèi)氣流速，M—一人體活動強(qiáng)，R——衣服熱阻  按此方法，根據(jù)房間用途和相對濕度，人們工作活動中的衣著，就可以確定合適的室內(nèi)溫度。該方法也說明了控制內(nèi)壁表面溫度的重要性，說明了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱情性指標(biāo)和熱阻的重要性。

    2.4加強(qiáng)主動節(jié)能措施研究，充分利用太陽能、風(fēng)能、地?zé)岬刃滦涂稍偕�能源，尋求技術(shù)和使用成本的突破。在建筑上大量使用太陽能電池發(fā)電技術(shù)、太陽能熱水器，應(yīng)明確這部分實(shí)際利用的能量可沖抵建筑采暖、空調(diào)能耗，以鼓勵建設(shè)單位、設(shè)計單位利用這些資源。

    2.5節(jié)能設(shè)計是建筑熱工專業(yè)在建筑設(shè)計中的具體應(yīng)用，具有很強(qiáng)的專業(yè)性和綜合性，建筑師能夠掌握一定的建筑熱工物理知識和應(yīng)用方法，但很難精通掌握熱工專業(yè)設(shè)計。目前節(jié)能設(shè)計分析軟件都是由建筑師操作使用，節(jié)能設(shè)計主要由建筑師獨(dú)立完成，而且往往在施工圖階段才開始進(jìn)行節(jié)能設(shè)計，普通設(shè)計單位均缺乏熱工專業(yè)工程師，節(jié)能設(shè)計水平取決于建筑師個人對建筑熱工知識和規(guī)范的應(yīng)用掌握程度．這種做法不利于節(jié)能設(shè)計水平的提高和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。未來可考慮參考建筑聲學(xué)等其它專業(yè)做法，先經(jīng)過熱工專業(yè)人員計算分析和提出設(shè)計措施意見，再由建筑師采用后綜合調(diào)整建筑設(shè)計方案，完善設(shè)計方案和建筑保溫隔熱等構(gòu)造設(shè)計，從方案上就體現(xiàn)出節(jié)能設(shè)計理念，把節(jié)能設(shè)計落實(shí)到建筑設(shè)計的每個環(huán)節(jié)。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)