PKPM節能設計軟件應用之不足與節能設計發展思路

陸德偉　熊大勇

常州市規劃設計院　江蘇常州213003

    我院自2005年起使用PKPN節能設計軟件(夏熱冬冷地區江蘇版)，在此之前一直使用手算方法計算節能，計算過程復雜，耗時費力。結果卻差強人意。主要表現在手算難以保證計算質量，對復雜體型建筑更是難以下手，而當建筑圍護結構的規定性指標不能完全達標時，如體型系數、窗墻面積比、門窗傳熱系數、遮陽等不滿足規定性指標，無法按照規范要求通過采取提高圍護結構保溫隔熱性能，經過節能綜合指標的權衡計算，來實現規范規定的節能50％(或65％)的目標，使設計陷于被動。使用PKPN節能設計分析軟件(指夏熱冬冷地區江蘇版，版本號l.09版，下文同)后，上述情況迎刃而解，它在設計單位原AutoCAD圖形文件的基礎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，并生成標準的節能報告書和計算書。該軟件迅速受到設計人員的歡迎和審圖機構的認可。隨著節能設計的深入，該軟件在大量的實踐應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能設計的完成。

1、 PKPM節能設計軟件應用不足之處

    1.1墻體和屋面、地面等材料無法自定義添加，材料對應的導熱修正系數不自動給出。軟件材料庫中提供了較多廠家生產的不同類型的墻體材料和保溫材料，并且給出了相應的導熱系數、密度、比熱等物理指標，可以自動計算出總傳熱阻和熱情性指標，應用起來十分方便。但由于保溫材料的不斷發展和各地廠家產品的區別，材料庫中不可能列出設計人員采用的所有材料，軟件卻投有提供設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，也無法自行設定這些材料的物理指標，給設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類似的材料，待生成節能報告和計算書后，在word文檔中人為修改材料名稱，作為權宜之計暫時克服了這個困難，我們希望在軟件升級改進后解決這個問題。在使用中還發現，在設定材料型號后，軟件不能自行給出對應導熱系數的修正系數，一旦設計人員疏漏設置修正系數，將影響計算結果的真實性，我們認為改進此項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能設計模塊中，外墻類型只能設置一種，無法滿足實際工程設計中的外墻節能計算要求。在剪力墻結構住宅中，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，而不能按規范規定計算這兩種墻體的平均熱阻，導致計算結果中保溫層厚度人為增加，不利于控制節能成本。在框架結構住宅中，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際值更太，這個問題更為突出，而如果全按砌體結構輸入，忽略鋼筋混凝土粱柱面積，又必將導致計算結果失真，實際上不滿足規范規定的外墻平均熱阻指標。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，可以根據設計輸入不同墻體組合類型，計算出外墻的全樓加權平均熱阻值。向該軟件上海方面的技術人員了解后，我們認為可能是編制人員由于對《江蘇省民用建筑熱環境與節能設計標準)(DB32／478—2001)有關條文的誤解，在編制江蘇版時產生了上述問題。該軟件的某些地區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置一種。而實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造做法。在同一建筑的不同屋頂做法中，設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果的質量。

    1.4體型系數計算方法不嚴謹。體型系數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。對商住樓進行節能設計時，對上部住宅與下部的商業建筑，由于適用規范不同，應該分開單獨進行節能設計和節能分析，以分別滿足《公共建筑節能設計標準)(GB50189—2005)《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準)(JGJl34—2001)、《江蘇省民用建筑熱環境與節能設計標準)(DB32／478—2001)。在對下部公共建筑計算體型系數時或進行綜合計算時，理應扣除有住宅覆蓋的部分屋頂表面積否則體型系數被人為放大，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，軟件在計算中無法去除這部分表面積，當需要進行權衡判斷時，設計人員被迫提高圍護結構性能，才能使權衡計算滿足動態節能指標。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，容易使體型系數計算值偏小。

    1.5對圍護結構材料層次缺乏合理排列措施，尤其是對外保溫做法與內保溫做法一視同仁，計算結果既不體現外保溫的優越性，也不反映內保溫的弊端。對于內保溫的種種缺點，國內外已有很多研究，本文不再對此分析。容易忽略的是圍護結構材料排列次序還影響溫度波衰減度大小和室內散熱的快慢，從而影響室內熱穩定性，例如間歇性使用空調建筑中，總希望室內溫度提高或降低快一些，耗能少一些，就要求內表面蓄熱系數小一些．就不宜在內表面使用厚實材料。材料排列次序不當時，圍護結構內部還可能出現水蒸汽滲透冷凝界面，產生冷凝水，不但降低保溫性能，甚至影響結構耐久性和室內衛生。建議PKPN節能設計軟件能夠量化體現出圍護結構材料排列次序的優劣，為設計人員提供設計參考。

    1.6節能計算書計算過程存在缺失，計算書名不副實。在對建筑物的節能綜合指標進行動態計算時，計算書僅提供了綜合指標計算結果，即建筑單位面積的采暖年耗電量和空調年耗電量。對于這兩個關系到節能設計是否真正滿足規范要求的重要指標，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、采暖空調房間面積計算過程，計算書中均無反映，如果設計人員為了通過動態計算，人為減少采暖空調房間輸人的數量減少其面積，將得到失真的計算結果，而審圖人員根本無法通過計算書發現這種情況。建議該軟件升級時對此做徹底修改，能夠像 PKPM結構軟件那樣，生成真正的計算書。

    根據我院使用PKPM節能設計軟件對節能設計的研究實踐，我們提出了節能設計進一步發展的一些思路。

2、節能設計發展思路

    2.1應將建筑布局、朝向、間距、環境綠化以至單體平面形式、剖面形式作為節能設計的首要內容，并在節能設計分析的計算結果、計算過程中得到充分體現。這一系列問題是節能設計開展的根本前提，對室內熱環境有不同程度的影響，如不能有效解決，即使圍護結構熱工性能良好，也難以實現所需的室內氣候條件。例如現代城市中出現的“熱島現象”，使發生在熱島范圍內的各種污染物質和熱量都被封閉在熱島中，熱島范圍內的建筑根本無法成為舒適的工作、生活場所。目前的節能設計軟件和建筑師的節能設計均重視了圍護結構熱工性能指標，卻忽視了上述因素，難免事倍功半。

    2.2應避免節能計算模型的簡單化、理想化，力求接近實際狀態。目前按照《民用建筑熱工設計規范》(GB50176-93)、《公共建筑節能設計標準)(G'BS0189—2005)、《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準)(JGJl34—2001)、《江蘇省民用建筑熱環境與節能設計標準)(DB32／478—2001)，為了使不同建筑具有合理的可比性，并簡化計算，規定了計算的標準條件，以各地區的空調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，室內溫度也由規范直接規定。由于室外氣溫和太陽輻射的晝夜、小時變化，加上室內使用狀況的變化，實際上圍護結構的環境熱作用，不論室內或室外，都在隨時間變化，這種變化在一段時間內可以近似看作每天出現的重復性周期變化，是一種周期性不穩定傳熱。節能設計分析鞔件應當建立周期性不穩定傳熱計算模型，用接近實際的算法，體現出其相對于手算的優勢，成為提供建筑節能全壽命周期解決方案的專家系統，決不僅僅簡單作為代替手算的計算工具。目前實現這一目標并不存在技術困難。

    2.3加強節能建筑的熱舒適性效果研究、評判。達到同樣節能效率的建筑，熱舒適效果也可能差別很大，需要進一步研究不同功能類型建筑的熱舒適性。丹麥學者房格爾的熱舒適方程、圖表以及PMV—PPD指標，全面客觀地反殃了室內氣候與人體主觀感受和生理反應問的復雜關系，提出了人與6個物理量間的定量函數關系。人體得失熱量Aq--0，即F，Q，O，v,M,R。)=0。其中：f．——室內空氣溫度Q，——相對濕度，O1----壁面平均輻射溫，y——室內氣流速，M—一人體活動強，R——衣服熱阻  按此方法，根據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溫度。該方法也說明了控制內壁表面溫度的重要性，說明了圍護結構熱情性指標和熱阻的重要性。

    2.4加強主動節能措施研究，充分利用太陽能、風能、地熱等新型可再生能源，尋求技術和使用成本的突破。在建筑上大量使用太陽能電池發電技術、太陽能熱水器，應明確這部分實際利用的能量可沖抵建筑采暖、空調能耗，以鼓勵建設單位、設計單位利用這些資源。

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

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)