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最近几年随着高校对于构造细部的重视不断加强,对于建筑学生而言,构造做法的选取渐渐成为了设计过程中不可忽略的重要环节,无论是依据当地气候布置不同的墙体组成还是根据场地实际情况选择特定的防潮方案我们都离不开对于构造细部的评价。

软件小讲堂 | Honeybee热维护结构计算(1):基础设置第1张图片


而在构造细部评价中,保温性能是极其重要的判定标准之一。因为一般情况下人体觉得舒适的温度范围肯定是要小于外部环境的温度范围了,四季如春还是比较少见的。比如以我老家所在的江南地区为例,温度基本在0度-35度左右,但是人的舒适范围18-25摄氏度。那么如果我们想尽量减少将室内温度维持在一个舒适温度区间的能耗的话,一个比较可行的方法就是提升外围护结构的保温性能,尽量减少外部环境气温变化对于室内环境的影响,减少室内的温度波动。室内温度波动越小,相应的建筑维持舒适温度范围所需的能量就少。这也是为什么越寒冷的地方墙体越为厚重,因为越寒冷的区域的外部环境的温度范围与人体舒适的温度范围差值较大,厚重的墙体可以减少能量的消耗。

软件小讲堂 | Honeybee热维护结构计算(1):基础设置第2张图片

东北民居厚重的墙体

因此在本次系列教程中,我会向大家介绍如何借助Honeybee插件,在Rhino和GH中完成对于不同构造做法保温性能的测试与评价,而今天第一篇教程中我们将要学习的是Therm热维护结构计算的基础设置和相关的热学概念。


PART 1
therm模块


各位如果有了解过HB的话应该知道,借助HB中的材质与构造运算器我们可以非常快速的完成特定构造方案的制作,而通过能量模型的计算,我们可以对于不同的构造做法进行评价,比如依据相同环境下建筑内表面温度的高低我们就能判断特定构造保温性能的好坏。

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但是由于能量模型部分的计算是针对于整个建筑的,对于维护结构热参数的设置相对来说比较简单和粗糙,很多特定的热现象和相关的热参数我们都无法在能量模型中进行单独的设置,模拟和获取。

比如由于HB能量模型计算中使用的构造是依据不同层依次创建的,不同材料之间无法互相穿越,类似于金属构件穿过保温板连接墙体这样的构造细节在HB能量模型中是无法模拟的,而这种构造细节在会导致后续我将介绍的热桥现象,从而使得我们在HB中的模拟结果同现实世界的真实值出现较大的差距。

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所有在HB0.057版本以后,它正式引入therm板块,来解决这样一些传统能量模型无法解决的热维护结构计算问题。

THERM本身是一个独立进行热传递二维分析的软件,大家在安装HB的时候系统也会提示你安装Therm。所以实际上我们是可以单独直接在therm这款软件里面进行热维护结构的计算的,并不需要HB什么事情。HB实际上做的事情就是把Therm这样一款单独的热维护计算软件的功能整合到GH平台中,来方便建筑师对于模型的建立和结果的分析,因为我们肯定在Rhino和GH里面操作起来会比在Therm自己的绘图界面方便很多。

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therm与Honeybee中therm模块使用的对比

打开HB的十一号卷展览我们就能看到所有的Therm运算器,但是在正式开始讲解如何使用Therm进行热维护结构计算之前我们需要了解一下基本的相关概念。

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PART 2
相关概念


建筑维护结构保温性能的高低,对于建筑师来说最为直观的参数应该就是维护结构的厚度和材料。但是厚度和材料这两个参数并不方便大家对于建筑维护结构保温性能做定量的分析与比较,也不方便标准的制定。所以学界就设置了两个专门的参数来描述维护结构保温性能,U值和R值。

U值叫做传热系数,它是用来度量导热能力,即材料在单位面积上允许热量通过的能力,单位为W/m2·K。(英制:BTU/ft2·hr·F)

R值叫做热阻系数,它是用来度量阻热能力,即在指定的温度下,某种材料在单位面积上阻止热量穿过的能力,热阻值的单位是 m2·K/W(英制:ft2·hr·F/BTU)。两者互为倒数.

在这多说一句各位不要把传热系数也就是U值和导热系数K值弄混了,这两个是完全不同的概念,导热系数指的是导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,℃),在一定时间内,通过1平方米面积传递的热量,单位为瓦/米·度 (W/(m·K)。

那很明显,围护结构的R值越高,U值越低,其保温性能就越好。所以以后对于建筑保温性能的描述就可以使用U值和R值进行描述。

当然对于U值而R值的获取,实际上能量模型运算器比如说我们的炸开构造和炸开材料同样可以获得U值和R值。那为什么我们需要专门的therm模块来获取了,实际上就是因为能量模型的这些运算器没有考虑到一个非常重要的维护结构热现象,就是热桥现象。

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传统的建筑材料无论是素混凝土,砖材,木材还是黏土其实都具体非常好的保温性能,也就是低U值高R值。这也是为什么大家去一些农村的土房子会觉得冬暖夏凉。可是有这么一大类建筑材料是高U值低R值,那就是金属。他的导热性能是远远高于其余常规建筑材料,但由于金属本身的优秀的结构性能和力学性能,他又被大量用在现代建筑项目之中。比如钢筋混凝土梁、柱中的钢筋,夹心保温墙中为拉结内外两片墙体设置的金属联结件,外保温墙体中为固定保温板加设的金属锚固件,内保温层中设置的龙骨,保温门窗中的金属门窗框等等。那么这些金属构建了就相当于是一条条热量传输的高速公路了。冬季室内的热量会源源不断的传到室外,夏季室外的热量又会源源不断传到室内,这不仅会大大增加建筑的热负荷,更为麻烦的是在冬季,由于这些热桥的存在,靠近热桥的地方维护结构内表面的温度会明显低于其他区域,而如果这个温度是低于室内水蒸气的露点温度的话,就会在这些位置生成冷凝水,从而导致发霉,墙面脱落等一系列的麻烦。所以在现代建筑外围护结构的设计中,降低热桥现象的影响是非常重要的环节。

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当然在在这需要说一下并不是只有金属会出现热桥现象,实际只要两个材料导热能力不同都会出现热桥效应,比如相较于砖,素混凝土就可以被视为热桥,相较于不锈钢,铜就可以被视为热桥,之所以我们一般只关注与金属的热桥现象,是应该金属同其他材料的导热能力的差值远远高于其他材料之间,或者金属本身之前导热性能的差值罢了。

那么对于热桥效应我们有什么解决方法吗,主要有三种,阻断,替换和保温层。阻断了就是大家都熟悉的断热桥的技术,将构建中连续的金属材料进行打断,用一些低导热性能的材料进行连接,比如在断热桥的铝合金门窗中,就会使用尼龙来连接金属,替换了就是用低U值材料来替换高U材料,比如典型的用木门窗框替换金属门窗框。保温层了就是在围护结构中额外增加保温层,从而减少热桥现象的影响。

了解了这些背景知识之后我们就可以正式开始对于HB therm部分的学习


PART 3
基础设置


Therm使用的基本流程大致可以分为三步,第一步是绘制几何体,第二是指派材料属

性和边界条件,第三就是运行分析和结果可视化。

那对于第一步几何体的绘制,今天的教材中我们就绘制一个非常简单的矩形

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第二步指派材料属性和边界条件,对于材料我们使用create therm polygon这个运算器来设置

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Geo需要一个封闭的平面曲线,把刚刚绘制好的rec连接过去即可。

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material我们可以使用EP的预设材料进行添加,比如我们使用砖材

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当然现在大家会发现我们的运算器出现错误了。那么这里了就是各位使用therm第一个需要注意的地方,模型误差,对于therm当Rhino单位为米的话,我们的误差要降到0.00001,进入Rhino修改好误差即可。

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材料设置好之后,下面就要设置边界条件。边界条件的设置我们需要用到这个运算器:therm boundary

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他需要根据边界线来进行识别内外,那我就可以把矩形炸开一下,选择其中的一条边作为建筑内侧

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name随便起一个名字就可以了。

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temp为建筑内部的温度了,那比如我们分析一个北方冬季的建筑。由于供暖,北方室内温度应该是18度左右。

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之后的film coefficient是一个比较复杂的东西,中文名叫做对流换热系数。它指的是流体与物体表面的换热能量,即物体表面与附近空气温差为1度,单位时间单位面积上通过对流换热与附近空气交换的热量多少,它的大小反应了对流换热的强弱。单位是W/(m2c),因此对流换热系数与流体的物理性质,换热表面的形状,表面和流体的温差以及流体的流速都有关系。而具体的数值了我们可以使用巴兹公式进行计算。

当然在这其实大家并不需知道具体的概念和计算方法。因为一般情况下我们只需要在这里吗输入indoor和outdoor就可以了,运算器会更具Ashare预设的参数对于对流换热系数进行设置。

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不过对于对流换热系数稍微引申说一下,室内的对热换流系数一般我们直接使用它的默认就是输入indoor就可以了,因为不管在什么地方室内环境都是比较稳定的,但是对于室外环境,大家如果比较追求准确的话,可以自己设置值,因为我们之前说过,对热换流系数同流体的流速有关,那对于建筑设计就是同风速有关。所以大家可以根据Ladybug求出场地对应的风速,然后在根据这个风速进行对热换流系数的设置,各位可以看一下这个输入端的预览,这里面提供了几个不同风速下的对流换热系数:

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这些数大致成一个正相关的关系,因此各位可以参考这几个值进行对流换热系数的设置。当然在这我们就直接使用预设参数indoor了,这几个连接好后我们就完成了一个内部边界条件的设置.

下面再来链接一下外侧,室外温度在这我就假设是0度,当然大家自己做项目的话需要使用LB获取你分析时间段内对应的室外温度。

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OK那到此为止了我们就完成了第二步指派材料属性和边界条件。考虑到文章长度对于第三步:运行分析和结果可视化的操作我们将留到下一期教程进行讲解。


END

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