基于Revit軟件的寒地高校教學樓綠色節能改造設計研究
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作者:李柱梁 張娜
關鍵詞：高校建筑；建筑節能；建筑改造
1研究背景
建筑行業作為碳排放的重要領域，如何加強綠色低碳可持續發展，是未來行業發展的主要方向，建筑行業作為城市建設支柱產業，呈現智能化、智慧化趨勢[1]。
20世紀90年代是我國高等教育大力發展階段，為響應“科教興國”的國家政策，高校先后擴大招生規模，高校的老舊建筑不能滿足現有使用需求，相繼進行擴建及改建，目前我國嚴寒地區既有高校建筑在節能方面依然存在很多問題，如外圍護結構氣密性較差、能耗總量大、采光不足、設備陳舊等問題，都是影響室內熱工環境及使用品質的重要問題，造成能源浪費。因此，對老舊教學樓的節能改造，提升師生的使用體驗是值得探究的問題。
2綠色節能改造設計原則
2.1因地制宜原則
在建筑設計初期，一個方案之所以成立需要考慮其所在地理位置、周邊環境、氣候條件、社會文化、經濟發展等諸多因素[2]，改建方案亦如此。需要進行改造方案的總體布局與規劃，進行差異分類與引導，從而獲得切實可行的改造措施。
2.2規范性原則
綠色建筑節能設計涉及的內容及方法均應遵照現行法規、標準，需要恪守規范性原則。斯維爾綠建節能設計彰顯建筑行業數字信息技術發展與實施成效，經計算獲得的參數、數據、成果等均應由相關職能部門進行嚴格審核，保證其標準性及規范性。
2.3可操作性原則
本文主要應用的是BIM及相關技術軟件，通過信息建模精準直觀地反映出節能改造設計數據與結果，并能實時呈現出各階段狀態，通過參數化設計，合理地將各參數之間的隱形與顯性相關聯，為后期方案的落地施工奠定堅實的基礎。
3既有高校建筑節能改造關鍵技術應用
3.1項目概況
該項目為長春某高校教學樓，于2005年設計，2007年投入使用。建筑面積為9592.09m2，層數為7層，建筑高度為27.30m。相關建筑在設計之初并未按照綠色節能建筑標準來衡量及設計，且長春氣候條件要求夏季需隔熱、冬季需采暖，因此在建筑的后期使用過程中存在能耗較高、室內環境舒適度不理想等情況。為了解決這一問題，挖掘出影響其能耗的重要因素，并進行改造，需要對比改造前后的計算數據，得出切實可行的改造方案。
3.2外圍護結構的節能設計
外圍護結構是建筑節能改造的一個重要組成部分，主要包括外墻、屋頂、門窗等。目前，建筑外墻保溫材料多選用熱阻較大、傳熱系數較小的保溫材料，如擠塑板、巖棉等材料：屋面要綜合考慮保溫材料的選用、屋頂的形式等因素，以達到冬暖夏涼的效果；門窗是為建筑內部提供采光、通風的主要通道，但其氣密性問題直接影響建筑內部熱工環境，因此在設計階段應控制窗墻比。
3.3采光設計
建筑內部采光設計是綠色建筑節能設計中又一重要組成部分，采光形式可以分為天然采光和人工照明兩類，在設計初期盡可能地通過天然采光來解決室內光環境與舒適度提升的問題，可解決建筑運營過程中所需的主動能耗，實現節能環保，以符合綠色建筑設計原則。
在《建筑采光設計標準》（GB50033-2013）要求下，通過模擬法計算功能空間的采光系數。在此過程中，需要考慮建筑周邊環境對建筑主體的遮擋作用，和室內環境（如頂棚、地面、墻體等）對光線的反射作用等影響，借助BIM技術的數據分析手段，計算主要功能房間的采光要求的符合度，從而捕捉建筑內部空間是否由于布局問題導致采光不足或采光過強等問題，為后期采光改造提供切入點。
3.4室內熱舒適度設計
所謂熱舒適，是指人體對周圍冷熱程度所感受到的滿意狀態，它是保持人體健康，使人能夠正常工作、學習和生活的基礎[3]。人體與其周邊環境達到熱平衡，是多種因素共同作用的結果。它除與個體的屬性（如著衣厚薄、本身調節能力、活動量大小等）有關，還有決定室內熱環境的組成因素（主要是室內空氣溫度、空氣濕度、氣流速度、環境輻射溫度等）有關。
3.5其他設計
除了建筑主體本身，我們還要考慮場地及周環境對其影響，如場地內既有建筑對其陽光的遮擋、主導風向對其影響、場地地面的規劃形態、地面鋪設材料等。
4基于Revit軟件的高校既有建筑節能改造措施
4.1外圍護結構的改造措施
通過對外墻、外窗和屋面保溫技術的優化設計，保證建筑的節能效果。
4.1.1墻體節能措施
由于外墻和空氣的接觸面積最大，外墻的熱損失在建筑能耗中占有相當大的份額，所以增加外墻熱阻對改善圍護結構節能改造設計具有重要意義。一般按保溫材料所處位置不同，有j種做法，即外墻內保溫法、外墻夾心保溫法、外墻外保溫法。但考慮到該建筑位于嚴寒地區，冬季室內與室外溫差較大，外墻保溫性能要求高，又考慮到教學樓人員流動量大，所以在建設的過程中，不應該影響教學樓的正常投入使用。依據上述三種外墻保溫形式特點，對教學樓外墻的改造形式上選擇外墻外保溫的做法，但在施工過程中需要對基墻做好保溫工作，從而保證保溫系統與基層墻體較好的結合。
在外墻保溫材料的選擇上也應選擇熱阻較大、傳熱系數較小、吸水性較差的保溫材料，本次節能改造選擇的是A級巖棉板，構造層次由外到內依次為“巖棉板（p=60-160） 110mm+水泥砂漿20mm+煤矸石空心磚370mm”。巖棉隔熱保溫性能優良，以及防火性能優良，適合人員密集場所，化學性能比較穩定，吸聲性能優良，使用周期長，熱阻高，冬季可阻隔室內熱量傳導到戶外，改變A級巖棉板厚度以達標。通過嚴寒地區外保溫做法外墻主斷面傳熱系數的修正系數=1.3的確定，外墻平均傳熱系數K=3.0x1.30=0.39W/（m2K）。
4.1.2外窗節能措施
建筑外窗原采用一般中空玻璃塑鋼窗結構，塑鋼窗以鋼襯增強強度為主，長春地區春、冬季兩季風力較強、溫差較大[4]．且塑鋼窗抗風壓性能較差，歷經15年歲月洗禮后，該建筑的塑鋼窗出現變形、窗框外凸內凹、密封膠條變硬、老化等現象，多數外窗損壞比較嚴重，造成冷風滲透量大，極大地減弱了密封效果。為了增加房間數量，在走廊兩側墻壁開長條形高側窗，造成走廊內采光和通風不足，常年陰冷。因此，外窗的改造具體做法是把原先“60系列（三腔）空氣4+9A+4+9A+4暖邊密封構造”改為“Low-E+白玻中空5+12A+5Low-E+9A+5鋁條密封”“70系列平開推拉窗（五腔）氬氣4+12A+4Low-E+12A+4暖邊密封”“幕墻為斷橋鋁5+12A+5Low-E氬氣斷橋寬24.0mm膠條封邊”三種構造類型，南向房間采光窗使用透光較好的玻璃，使太陽輻射熱能盡量地進入室內。
4.1.3屋頂節能措施
屋面是否具有保溫隔熱能力，是建筑節能中另一個關鍵[5]。在溫度的影響下，建筑材料會出現嚴重的漲縮現象，且嚴寒地區屋頂需要敷設保溫層以減少房間熱量損失，炎熱地區屋頂需要敷設隔熱降溫層以減少太陽熱輻射向房間傳遞。因此，在建筑屋面上合理地使用保溫材料可增強建筑物保溫隔熱性能、減少建筑能耗。此外，這種做法可改善用戶工作、居住環境，所以建筑屋面節能應采取的主要措施就是采用保溫隔熱性能強的材料。屋面保溫材料應導熱系數小，吸水率低，表觀密度小，并具有一定強度等。綜上所述，屋面采用120mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料作為保溫層，以提高屋頂蓄熱能力，在防水層上直接設置保溫隔熱層。
4.2光環境改造措施
通過斯維爾軟件模擬和分析建筑各房間的日照時間與遮擋陰影情況，得知該建筑北側采光較差，因此改造時考慮在北側去掉幾個功能房間，增加～個上下聯通的公共空間，作為室內活動討論區，以提升生活品質，并適當地增加開窗面積，以解決采光不足的問題。同時，建筑外立面原有的內凹設計不僅浪費了空間，對于1層采光有較大影響，采光嚴重不足。改造后將外立面連接，增加建筑整體窗戶面積，并在東側公共空間部分增加玻璃幕墻。此外，在建筑外墻增設導光管，將室外光線引到走廊內，并進行均勻的漫反射，增加走廊內采光。
根據《中小學校設計規范》第4.3條第3款規定，普通教室在冬至日滿窗照的時間不得小于2h。改造后，經過對周邊場地建模，利用斯維爾軟件分析場地冬至日（2022年12月22日）上午8：00至下午18：00時間段地面高度的日照時間。通過計算得出該建筑不再受南側建筑遮擋影響，確保了教學樓南側教室獲得充分采光。
4.3室內熱舒適度改造措施
熱舒適受兩大要素影響：一是環境因素，如空氣溫度、相對濕度、氣流速度與室內平均輻射溫度4個環境要素；二是人體因素，如人的衣著、活動量等，均會對人的熱舒適產生重大影響。教學樓的使用主要集中在每年3月1日至7月15日和9月1日至12月15日，學生在校期間的建筑內部熱舒適度符合正常使用需求即可。
由表1可知，一年之中長春的室外月平均溫度溫差較大，冬冷夏熱，為了保證室內熱舒適度穩定，我們需要采取相應措施，如冬季采暖、夏季通風。在采暖方面，近年來超低能耗被動式節能措施（如地源熱泵、太陽能光伏板、可再生能源利用等）均得到了廣泛推廣與應用，無疑為建筑節能提供了新路徑：在通風隔熱方面，可根據建筑主體設計及外立面兩個部分考慮。
4.3.1地源熱泵
目前，我國東北地區采暖主要是以燃煤為基礎的集中供暖，煤作為不可再生資源，世界已經產生能源不足等問題，近年來已出現多次煤供應不足導致的停電停暖的現象。地源熱泵是一種新型空調系統，它以地球表層淺層地熱資源為冷熱能源，實現能量轉換，加裝地源熱泵后，具有一機多用、維護成本低、污染小、使用壽命長、節約空間、可有效提高室內熱舒適度、地埋管熱交換器無須除霜、降低結霜除霜能耗等優點。目前，國內外許多城市都在積極推廣地源熱泵技術，尤其針對面積較大的公共建筑使用，順應了可持續性發展趨勢，擺脫了地域、資源的限制。
4.3.2太陽能光伏板
我國太陽能資源豐富，但太陽能受到氣候、地理等因素影響較大，具有地域性差異，按太陽能年輻射量的多少，我國可以分為4個太陽能資源帶。由于長春位于我國太陽能資源一般帶，因此在巖棉板外側考慮增加了BIPV光伏板，在降低建筑能耗的同時還能讓建筑產生清潔能源，推動我國順利實現“雙碳”目標。此外，光伏發電用于公共區域照明，余量并人電網獲取收益。
4.3.3可再生能源的利用
太陽能、風能、熱能等可再生能源具有污染小、可再生、使用時間長等優點，因此對這些可再生能源的收集和利用在建筑綠色節能優化中具有促進作用，可在長周期的建筑運行中減少不可再生能源消耗，降低建筑運行成本。
4.3.4通高空間通風
室內自然通風能加快夏季室內空氣的流動速度，降低人工供冷的使用頻率。改造時將層高較高的展覽空間二層樓板拆除，結合該建筑東側開窗室外氣流貫通，形成拔風效應，建筑內空氣受熱壓驅動通過開窗流向室外。此外，借助調整部分房間的不同墻面窗戶的高度的手段，形成空氣流，帶走房間上部空間的熱氣體。
4.3.5立體綠化
利用建筑南側立面在3～6層平臺上種植藤蔓植物作為墻面綠化措施，夏季遮擋陽光，體現立體綠化與外遮陽的等效熱阻優勢，冬季植物枯萎可充分利用日照輻射熱能，提高室內房間溫度。
4.4建筑周邊環境的改造
在對建筑周邊環境改造時引人海綿城市理念，雨天吸水、蓄水、滲水、凈水，必要時蓄存水排放利用，使雨水能自由運移到校園?；诖?，使校園在面對環境變化、自然災害日寸，具有很好的應對“性”。采用透水鋪裝地面。原有停車位布置在水泥混凝土路面上，將水泥混凝土改造為混凝土植草磚，停車位草坪覆蓋率達到30％，夏季可以減少園區地面熱量反射，改善熱島效應。采用環保型雨水口。按照規范在校園道路內的雨水口增加攔污籃，在源頭上截留雨水中更大污染物。濾水桶內開設有孔隙，濾水桶開設有溢流口，在降雨較多的情況下可直接進行溢流。下部設有沉淀區，可積淤深度為300mm。出水管前設置防臭管，攔截浮渣油污，阻擋臭氣，能夠有效去除雨水中25%的固體懸浮污染物。
結合《綠色建筑評價標準》（GB/T 50348-2014）技術要求，保證在綠色建筑停車場（庫）配建新能源電動汽車充電設施或具備安裝條件，鼓勵使用電動汽車，減少城市汽車尾氣及溫室氣體排放，是綠色建筑為實現我國2030年碳達峰、2060年碳中和的技術貢獻。
5結束語
高校既有建筑綠色節能改造以Revit軟件為基礎，以及利用斯維爾軟件進行模擬計算分析，采用定性和定量結合的方法，通過模擬計算將節能措施的數據及其預期成果可視化，對建筑圍護結構、光環境、熱舒適、碳排放、聲環境等進行改造優化，尋求該建筑綠色節能改造最優方案。這不僅有利于達成實踐過程中的風險可控化，延長既有建筑的使用壽命，還可以顯著提升其經濟效益。理論結合實際有利于理論研究成果的驗證，及時預防將來可能出現的問題。
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