基于Revit软件的寒地高校教学楼绿色节能改造设计研究
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作者:李柱梁 张娜
关键词：高校建筑；建筑节能；建筑改造
1研究背景
建筑行业作为碳排放的重要领域，如何加强绿色低碳可持续发展，是未来行业发展的主要方向，建筑行业作为城市建设支柱产业，呈现智能化、智慧化趋势[1]。
20世纪90年代是我国高等教育大力发展阶段，为响应“科教兴国”的国家政策，高校先后扩大招生规模，高校的老旧建筑不能满足现有使用需求，相继进行扩建及改建，目前我国严寒地区既有高校建筑在节能方面依然存在很多问题，如外围护结构气密性较差、能耗总量大、采光不足、设备陈旧等问题，都是影响室内热工环境及使用品质的重要问题，造成能源浪费。因此，对老旧教学楼的节能改造，提升师生的使用体验是值得探究的问题。
2绿色节能改造设计原则
2.1因地制宜原则
在建筑设计初期，一个方案之所以成立需要考虑其所在地理位置、周边环境、气候条件、社会文化、经济发展等诸多因素[2]，改建方案亦如此。需要进行改造方案的总体布局与规划，进行差异分类与引导，从而获得切实可行的改造措施。
2.2规范性原则
绿色建筑节能设计涉及的内容及方法均应遵照现行法规、标准，需要恪守规范性原则。斯维尔绿建节能设计彰显建筑行业数字信息技术发展与实施成效，经计算获得的参数、数据、成果等均应由相关职能部门进行严格审核，保证其标准性及规范性。
2.3可操作性原则
本文主要应用的是BIM及相关技术软件，通过信息建模精准直观地反映出节能改造设计数据与结果，并能实时呈现出各阶段状态，通过参数化设计，合理地将各参数之间的隐形与显性相关联，为后期方案的落地施工奠定坚实的基础。
3既有高校建筑节能改造关键技术应用
3.1项目概况
该项目为长春某高校教学楼，于2005年设计，2007年投入使用。建筑面积为9592.09m2，层数为7层，建筑高度为27.30m。相关建筑在设计之初并未按照绿色节能建筑标准来衡量及设计，且长春气候条件要求夏季需隔热、冬季需采暖，因此在建筑的后期使用过程中存在能耗较高、室内环境舒适度不理想等情况。为了解决这一问题，挖掘出影响其能耗的重要因素，并进行改造，需要对比改造前后的计算数据，得出切实可行的改造方案。
3.2外围护结构的节能设计
外围护结构是建筑节能改造的一个重要组成部分，主要包括外墙、屋顶、门窗等。目前，建筑外墙保温材料多选用热阻较大、传热系数较小的保温材料，如挤塑板、岩棉等材料：屋面要综合考虑保温材料的选用、屋顶的形式等因素，以达到冬暖夏凉的效果；门窗是为建筑内部提供采光、通风的主要通道，但其气密性问题直接影响建筑内部热工环境，因此在设计阶段应控制窗墙比。
3.3采光设计
建筑内部采光设计是绿色建筑节能设计中又一重要组成部分，采光形式可以分为天然采光和人工照明两类，在设计初期尽可能地通过天然采光来解决室内光环境与舒适度提升的问题，可解决建筑运营过程中所需的主动能耗，实现节能环保，以符合绿色建筑设计原则。
在《建筑采光设计标准》（GB50033-2013）要求下，通过模拟法计算功能空间的采光系数。在此过程中，需要考虑建筑周边环境对建筑主体的遮挡作用，和室内环境（如顶棚、地面、墙体等）对光线的反射作用等影响，借助BIM技术的数据分析手段，计算主要功能房间的采光要求的符合度，从而捕捉建筑内部空间是否由于布局问题导致采光不足或采光过强等问题，为后期采光改造提供切入点。
3.4室内热舒适度设计
所谓热舒适，是指人体对周围冷热程度所感受到的满意状态，它是保持人体健康，使人能够正常工作、学习和生活的基础[3]。人体与其周边环境达到热平衡，是多种因素共同作用的结果。它除与个体的属性（如着衣厚薄、本身调节能力、活动量大小等）有关，还有决定室内热环境的组成因素（主要是室内空气温度、空气湿度、气流速度、环境辐射温度等）有关。
3.5其他设计
除了建筑主体本身，我们还要考虑场地及周环境对其影响，如场地内既有建筑对其阳光的遮挡、主导风向对其影响、场地地面的规划形态、地面铺设材料等。
4基于Revit软件的高校既有建筑节能改造措施
4.1外围护结构的改造措施
通过对外墙、外窗和屋面保温技术的优化设计，保证建筑的节能效果。
4.1.1墙体节能措施
由于外墙和空气的接触面积最大，外墙的热损失在建筑能耗中占有相当大的份额，所以增加外墙热阻对改善围护结构节能改造设计具有重要意义。一般按保温材料所处位置不同，有j种做法，即外墙内保温法、外墙夹心保温法、外墙外保温法。但考虑到该建筑位于严寒地区，冬季室内与室外温差较大，外墙保温性能要求高，又考虑到教学楼人员流动量大，所以在建设的过程中，不应该影响教学楼的正常投入使用。依据上述三种外墙保温形式特点，对教学楼外墙的改造形式上选择外墙外保温的做法，但在施工过程中需要对基墙做好保温工作，从而保证保温系统与基层墙体较好的结合。
在外墙保温材料的选择上也应选择热阻较大、传热系数较小、吸水性较差的保温材料，本次节能改造选择的是A级岩棉板，构造层次由外到内依次为“岩棉板（p=60-160） 110mm+水泥砂浆20mm+煤矸石空心砖370mm”。岩棉隔热保温性能优良，以及防火性能优良，适合人员密集场所，化学性能比较稳定，吸声性能优良，使用周期长，热阻高，冬季可阻隔室内热量传导到户外，改变A级岩棉板厚度以达标。通过严寒地区外保温做法外墙主断面传热系数的修正系数=1.3的确定，外墙平均传热系数K=3.0x1.30=0.39W/（m2K）。
4.1.2外窗节能措施
建筑外窗原采用一般中空玻璃塑钢窗结构，塑钢窗以钢衬增强强度为主，长春地区春、冬季两季风力较强、温差较大[4]．且塑钢窗抗风压性能较差，历经15年岁月洗礼后，该建筑的塑钢窗出现变形、窗框外凸内凹、密封胶条变硬、老化等现象，多数外窗损坏比较严重，造成冷风渗透量大，极大地减弱了密封效果。为了增加房间数量，在走廊两侧墙壁开长条形高侧窗，造成走廊内采光和通风不足，常年阴冷。因此，外窗的改造具体做法是把原先“60系列（三腔）空气4+9A+4+9A+4暖边密封构造”改为“Low-E+白玻中空5+12A+5Low-E+9A+5铝条密封”“70系列平开推拉窗（五腔）氩气4+12A+4Low-E+12A+4暖边密封”“幕墙为断桥铝5+12A+5Low-E氩气断桥宽24.0mm胶条封边”三种构造类型，南向房间采光窗使用透光较好的玻璃，使太阳辐射热能尽量地进入室内。
4.1.3屋顶节能措施
屋面是否具有保温隔热能力，是建筑节能中另一个关键[5]。在温度的影响下，建筑材料会出现严重的涨缩现象，且严寒地区屋顶需要敷设保温层以减少房间热量损失，炎热地区屋顶需要敷设隔热降温层以减少太阳热辐射向房间传递。因此，在建筑屋面上合理地使用保温材料可增强建筑物保温隔热性能、减少建筑能耗。此外，这种做法可改善用户工作、居住环境，所以建筑屋面节能应采取的主要措施就是采用保温隔热性能强的材料。屋面保温材料应导热系数小，吸水率低，表观密度小，并具有一定强度等。综上所述，屋面采用120mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料作为保温层，以提高屋顶蓄热能力，在防水层上直接设置保温隔热层。
4.2光环境改造措施
通过斯维尔软件模拟和分析建筑各房间的日照时间与遮挡阴影情况，得知该建筑北侧采光较差，因此改造时考虑在北侧去掉几个功能房间，增加～个上下联通的公共空间，作为室内活动讨论区，以提升生活品质，并适当地增加开窗面积，以解决采光不足的问题。同时，建筑外立面原有的内凹设计不仅浪费了空间，对于1层采光有较大影响，采光严重不足。改造后将外立面连接，增加建筑整体窗户面积，并在东侧公共空间部分增加玻璃幕墙。此外，在建筑外墙增设导光管，将室外光线引到走廊内，并进行均匀的漫反射，增加走廊内采光。
根据《中小学校设计规范》第4.3条第3款规定，普通教室在冬至日满窗照的时间不得小于2h。改造后，经过对周边场地建模，利用斯维尔软件分析场地冬至日（2022年12月22日）上午8：00至下午18：00时间段地面高度的日照时间。通过计算得出该建筑不再受南侧建筑遮挡影响，确保了教学楼南侧教室获得充分采光。
4.3室内热舒适度改造措施
热舒适受两大要素影响：一是环境因素，如空气温度、相对湿度、气流速度与室内平均辐射温度4个环境要素；二是人体因素，如人的衣着、活动量等，均会对人的热舒适产生重大影响。教学楼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，学生在校期间的建筑内部热舒适度符合正常使用需求即可。
由表1可知，一年之中长春的室外月平均温度温差较大，冬冷夏热，为了保证室内热舒适度稳定，我们需要采取相应措施，如冬季采暖、夏季通风。在采暖方面，近年来超低能耗被动式节能措施（如地源热泵、太阳能光伏板、可再生能源利用等）均得到了广泛推广与应用，无疑为建筑节能提供了新路径：在通风隔热方面，可根据建筑主体设计及外立面两个部分考虑。
4.3.1地源热泵
目前，我国东北地区采暖主要是以燃煤为基础的集中供暖，煤作为不可再生资源，世界已经产生能源不足等问题，近年来已出现多次煤供应不足导致的停电停暖的现象。地源热泵是一种新型空调系统，它以地球表层浅层地热资源为冷热能源，实现能量转换，加装地源热泵后，具有一机多用、维护成本低、污染小、使用寿命长、节约空间、可有效提高室内热舒适度、地埋管热交换器无须除霜、降低结霜除霜能耗等优点。目前，国内外许多城市都在积极推广地源热泵技术，尤其针对面积较大的公共建筑使用，顺应了可持续性发展趋势，摆脱了地域、资源的限制。
4.3.2太阳能光伏板
我国太阳能资源丰富，但太阳能受到气候、地理等因素影响较大，具有地域性差异，按太阳能年辐射量的多少，我国可以分为4个太阳能资源带。由于长春位于我国太阳能资源一般带，因此在岩棉板外侧考虑增加了BIPV光伏板，在降低建筑能耗的同时还能让建筑产生清洁能源，推动我国顺利实现“双碳”目标。此外，光伏发电用于公共区域照明，余量并人电网获取收益。
4.3.3可再生能源的利用
太阳能、风能、热能等可再生能源具有污染小、可再生、使用时间长等优点，因此对这些可再生能源的收集和利用在建筑绿色节能优化中具有促进作用，可在长周期的建筑运行中减少不可再生能源消耗，降低建筑运行成本。
4.3.4通高空间通风
室内自然通风能加快夏季室内空气的流动速度，降低人工供冷的使用频率。改造时将层高较高的展览空间二层楼板拆除，结合该建筑东侧开窗室外气流贯通，形成拔风效应，建筑内空气受热压驱动通过开窗流向室外。此外，借助调整部分房间的不同墙面窗户的高度的手段，形成空气流，带走房间上部空间的热气体。
4.3.5立体绿化
利用建筑南侧立面在3～6层平台上种植藤蔓植物作为墙面绿化措施，夏季遮挡阳光，体现立体绿化与外遮阳的等效热阻优势，冬季植物枯萎可充分利用日照辐射热能，提高室内房间温度。
4.4建筑周边环境的改造
在对建筑周边环境改造时引人海绵城市理念，雨天吸水、蓄水、渗水、净水，必要时蓄存水排放利用，使雨水能自由运移到校园。基于此，使校园在面对环境变化、自然灾害日寸，具有很好的应对“性”。采用透水铺装地面。原有停车位布置在水泥混凝土路面上，将水泥混凝土改造为混凝土植草砖，停车位草坪覆盖率达到30％，夏季可以减少园区地面热量反射，改善热岛效应。采用环保型雨水口。按照规范在校园道路内的雨水口增加拦污篮，在源头上截留雨水中更大污染物。滤水桶内开设有孔隙，滤水桶开设有溢流口，在降雨较多的情况下可直接进行溢流。下部设有沉淀区，可积淤深度为300mm。出水管前设置防臭管，拦截浮渣油污，阻挡臭气，能够有效去除雨水中25%的固体悬浮污染物。
结合《绿色建筑评价标准》（GB/T 50348-2014）技术要求，保证在绿色建筑停车场（库）配建新能源电动汽车充电设施或具备安装条件，鼓励使用电动汽车，减少城市汽车尾气及温室气体排放，是绿色建筑为实现我国2030年碳达峰、2060年碳中和的技术贡献。
5结束语
高校既有建筑绿色节能改造以Revit软件为基础，以及利用斯维尔软件进行模拟计算分析，采用定性和定量结合的方法，通过模拟计算将节能措施的数据及其预期成果可视化，对建筑围护结构、光环境、热舒适、碳排放、声环境等进行改造优化，寻求该建筑绿色节能改造最优方案。这不仅有利于达成实践过程中的风险可控化，延长既有建筑的使用寿命，还可以显著提升其经济效益。理论结合实际有利于理论研究成果的验证，及时预防将来可能出现的问题。
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