王園媛 俞曉麗

(1.河北工程大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.聊城市國(guó)土資源局東昌府分局，山東 聊城 252000)

建筑設(shè)計(jì)方案階段能耗模擬對(duì)建筑節(jié)能的影響研究

王園媛1俞曉麗2

(1.河北工程大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.聊城市國(guó)土資源局東昌府分局，山東 聊城 252000)

研究了方案階段建筑朝向和窗墻比對(duì)建筑能耗的影響，并以濟(jì)南市某小區(qū)11層小高層為具體實(shí)例，對(duì)不同朝向、窗墻比的建筑能耗進(jìn)行了對(duì)比分析。

方案階段，能耗模擬，朝向，窗墻比

0 引言

建筑業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，雖然目前建筑業(yè)發(fā)展面臨產(chǎn)業(yè)升級(jí)等一系列問(wèn)題，但據(jù)《國(guó)家統(tǒng)計(jì)年鑒2016》統(tǒng)計(jì)，2015年僅我國(guó)35個(gè)大中城市房屋施工面積為285 765.75萬(wàn)m2，較2014年的283 313.92萬(wàn)m2還有小幅增加。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近年建成的建筑中97%以上為高能耗建筑，造成能源的低效率利用。

近年來(lái)，數(shù)字化技術(shù)不斷發(fā)展，在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用之一表現(xiàn)為軟件輔助設(shè)計(jì)，尤其是在建筑能耗模擬技術(shù)中的使用。因建筑自身及其環(huán)境的復(fù)雜性，無(wú)法單單依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷一座建筑的耗能，需要通過(guò)科學(xué)技術(shù)手段來(lái)評(píng)價(jià)。相較于傳統(tǒng)的分析方法，建筑能耗模擬能在較短時(shí)間內(nèi)模擬出多種因素引起的變化，符合現(xiàn)在的工作模式，更易被從業(yè)人員接受并推廣。

1 設(shè)計(jì)初期對(duì)節(jié)能的意義

建筑從概念提出到建成，需要經(jīng)歷多個(gè)階段，建筑設(shè)計(jì)階段分為方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)3個(gè)階段，依次進(jìn)行，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)從整體逐漸細(xì)化到局部，再到細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)層次步步深入。方案階段是設(shè)計(jì)過(guò)程的第一步，確立建筑設(shè)計(jì)的思路與意圖，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程起指導(dǎo)作用。

近年來(lái)，為鼓勵(lì)綠色節(jié)能建筑的發(fā)展，國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)相應(yīng)的規(guī)范與政策，鼓勵(lì)獎(jiǎng)勵(lì)在節(jié)能上有突出表現(xiàn)的建筑。建筑節(jié)能依賴(lài)于節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步，目前，節(jié)能的重點(diǎn)一般集中于構(gòu)造、材料、設(shè)備等方面，而作為決定建筑多個(gè)重要參數(shù)(如體形系數(shù)、窗墻比等)的方案階段卻被忽視。目前，許多大型公共建筑在設(shè)計(jì)過(guò)程中就加入了軟件模擬，如BIG事務(wù)所設(shè)計(jì)的哈薩克斯坦阿斯塔納國(guó)家圖書(shū)館，其建筑造型為不規(guī)則形體，為保證室內(nèi)采光均勻性，開(kāi)窗設(shè)計(jì)在方案階段應(yīng)用Ecotect對(duì)建筑表面采光情況進(jìn)行分析，根據(jù)采光條件的不同設(shè)置不同大小的窗洞口，以此達(dá)到節(jié)能的效果。亦有研究表明，57%的節(jié)能技術(shù)措施在方案設(shè)計(jì)階段確定，在初步設(shè)計(jì)階段確定的僅占13%，且隨著設(shè)計(jì)的不斷深化能達(dá)到的節(jié)能效果就越小，后期為達(dá)到相同節(jié)能所付出的成本也就越高。

但因方案階段是設(shè)計(jì)的初期，其最大的特點(diǎn)之一就是不確定性，給模擬帶來(lái)了不小難度，表現(xiàn)在兩個(gè)方面；一方面，方案不是一蹴而就，需要不斷探討、修改，修改必將引起建筑參量的變化，因此需要分析的情況就會(huì)增多，工作量也隨之增大，對(duì)模擬的速度就提出了要求；另一方面，方案階段本就是一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為粗化決定建筑參數(shù)的階段，無(wú)法為模擬提供準(zhǔn)確、詳細(xì)的參數(shù)輸入，也就增加了模擬實(shí)現(xiàn)的難度。

2 模擬過(guò)程

本文主要探討的是方案設(shè)計(jì)階段確定的參數(shù)對(duì)建筑單體節(jié)能的影響，因此不考慮周?chē)ㄖ飳?duì)目標(biāo)建筑物的影響。方案階段決定的參數(shù)較多，無(wú)法一一模擬，因此以最基本的參數(shù):朝向和窗墻比為例，模擬分析能耗結(jié)果。模型以濟(jì)南市某小區(qū)11層住宅樓設(shè)計(jì)方案為例，平面圖如圖1所示。本次模擬采用軟件DeST-h，模擬過(guò)程中除影響朝向和窗墻比的因素外，其他均采用軟件默認(rèn)值。住宅能耗中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比較大，特別是在炎熱的夏季。本次研究主要對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的能耗及其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

2.1原始方案的能耗

經(jīng)模擬，全年最熱月為7月，月平均溫度26.95 ℃；最冷月為1月，月平均溫度-0.44 ℃；總建筑空調(diào)面積為1 818.85 m2，全年累計(jì)冷負(fù)荷51 125.99 kW·h；建筑空調(diào)全年運(yùn)行費(fèi)用約為27 627.3元，能耗53 682.39 kW·h。

2.2只改變建筑朝向

太陽(yáng)輻射是對(duì)建筑有重要影響的室外因素，建筑的自然采光、得熱都來(lái)源于陽(yáng)光，建筑的朝向正是決定建筑物的采光和熱輻射的接收的先決條件。此次模擬分四種情況進(jìn)行：+30°，-60°，+30°，-60°(南偏東為正，南偏西為負(fù))，結(jié)果同原始能耗對(duì)比。

將建筑逐時(shí)能耗的模擬結(jié)果進(jìn)行整理，結(jié)果如圖2所示。經(jīng)對(duì)比可見(jiàn)，朝向?yàn)檎系慕ㄖ偰芎淖畹停驗(yàn)?60°的總能耗最高，-60°時(shí)熱負(fù)荷最大，冷負(fù)荷最大出現(xiàn)在+60°時(shí)，且朝向改變相同角度對(duì)冷負(fù)荷的影響大于對(duì)熱負(fù)荷的影響。從建筑經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，±30°時(shí)全年空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用相似，相差很小，都相較正南向增加了1 707元。運(yùn)行費(fèi)用最高為31 993元，為+60°時(shí)，較偏移相同角度不同方向的-60°高940元，增幅為6%；較+30°高2 626.3元，增加了9.5%；較正南向高4 365.8元，增加了15.8%，增幅十分明顯。由此可見(jiàn)，建筑朝向?qū)ㄖ?jīng)濟(jì)性有不可忽視的影響，偏移角度越大增加的能耗越多。在實(shí)際工程中，因周?chē)h(huán)境的復(fù)雜性，建筑可能無(wú)法保證正南朝向，因此應(yīng)在合理范圍內(nèi)選擇建筑朝向。

2.3只改變窗墻比

窗墻比是重要的熱工參數(shù)，合理的窗墻比不僅能為建筑提供舒適的日照、通風(fēng)，還能將建筑能耗控制在合理范圍內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，本建筑窗墻比為17.14%。其中北向窗墻比為16.56%，南向?yàn)?8.12%，西向?yàn)?.88%。模擬分兩種情況進(jìn)行：在滿(mǎn)足規(guī)范的情況下，南、北向窗墻比同時(shí)增大2%，南、北向窗墻比都減少2%，因東、西向開(kāi)窗面積較小，此次模擬不考慮。

模擬結(jié)果如圖3所示。可見(jiàn)，南、北向窗墻比都增加2%時(shí)，負(fù)荷共增加4 036.9 kW，其中熱負(fù)荷增加533.5 kW，較原始數(shù)據(jù)增加1%，冷負(fù)荷增長(zhǎng)了3 503.4 kW，增幅為6.9%，空調(diào)費(fèi)用增加551.8元，占比2.0%；南、北向窗墻比都減少2%時(shí)，負(fù)荷共減少5 753.82 kW，熱負(fù)荷減少1 034.32 kW，減少2.1%，冷負(fù)荷減少4 724.5 kW，減少9.2%，經(jīng)濟(jì)方面節(jié)省744.5元，占比2.7%。由此可以得出，窗墻比增加建筑負(fù)荷隨之增加，窗墻比的減小會(huì)減小建筑負(fù)荷，且冷負(fù)荷改變幅度大于熱負(fù)荷的變動(dòng)幅度。因此，如果都能在方案階段科學(xué)合理地把握窗墻比大小，避免盲目追求造型致使高能耗建筑的出現(xiàn)，就可以在以后建筑投入使用時(shí)節(jié)省更多能源。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)具體模擬分析，很直觀的可以看出建筑的朝向、窗墻比對(duì)建筑能耗的影響，選擇合理的朝向和窗墻有利于建筑節(jié)能。實(shí)際，在方案階段決定的參數(shù)中對(duì)建筑能耗產(chǎn)生影響的還有很多，建筑的整體能耗是一個(gè)多因素共同影響的復(fù)雜結(jié)果。因此，在方案階段對(duì)建筑的能耗進(jìn)行模擬，可以較為科學(xué)的把握建筑在今后使用過(guò)程中所產(chǎn)生的能耗量，并在后續(xù)深化設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)不足之處有針對(duì)性的修改，優(yōu)化完善設(shè)計(jì)，達(dá)到建筑節(jié)能的目的。隨著對(duì)建筑能耗模擬的重視和應(yīng)用，使模擬軟件更易操作，分析結(jié)果更清晰，使模擬能真正地對(duì)建筑設(shè)計(jì)起到作用的改進(jìn)方向。如本次模擬采用的軟件DeST，相較于其他模擬軟件簡(jiǎn)便易上手，模擬分析速度快，但繪圖方式不易于簡(jiǎn)單快速繪圖。

[1] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2016.

[2] 中南建筑設(shè)計(jì)院.建筑工程設(shè)計(jì)文件編制深度規(guī)定[M].北京:中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院,2003.

[3] 余 瓊.方案階段建筑節(jié)能參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究[D].北京：清華大學(xué),2011.

Studyontheinfluenceofenergyconsumptionsimulationonbuildingenergyefficiencyinarchitecturaldesignstage

WangYuanyuan1YuXiaoli2

(1.SchoolofArchitectureandArt,HebeiUniversityofEngineering,Handan056038,China；2.DongchangBureauofLandResourcesBureauofLiaocheng,Liaocheng252000,China)

To study the effects of building orientation and window-wall ratio on building energy consumption in scheme phase, and to use a 11 stories resident located in Jinan as an example. Analyzed energy consumption of the building when it with different directions or different window-wall ratios.

scheme phase, energy consumption simulation, building orientation, window-wall ratio

TU201.5

A

1009-6825(2017)26-0189-02

2017-07-06

王園媛(1991- )，女，在讀碩士；俞曉麗(1980- )，女，助理工程師