建筑設(shè)計方案階段能耗模擬對建筑節(jié)能的影響研究

王園媛 俞曉麗

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

建筑設(shè)計方案階段能耗模擬對建筑節(jié)能的影響研究

王園媛1俞曉麗2

(1.河北工程大學建筑與藝術(shù)學院，河北 邯鄲 056038；2.聊城市國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建筑能耗的影響，并以濟南市某小區(qū)11層小高層為具體實例，對不同朝向、窗墻比的建筑能耗進行了對比分析。

方案階段，能耗模擬，朝向，窗墻比

0 引言

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

近年來，數(shù)字化技術(shù)不斷發(fā)展，在建筑設(shè)計中的應用之一表現(xiàn)為軟件輔助設(shè)計，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)境的復雜性，無法單單依靠經(jīng)驗來判斷一座建筑的耗能，需要通過科學技術(shù)手段來評價。相較于傳統(tǒng)的分析方法，建筑能耗模擬能在較短時間內(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)計初期對節(jié)能的意義

建筑從概念提出到建成，需要經(jīng)歷多個階段，建筑設(shè)計階段分為方案設(shè)計、初步設(shè)計和施工圖設(shè)計3個階段，依次進行，設(shè)計的重點從整體逐漸細化到局部，再到細節(jié)，設(shè)計層次步步深入。方案階段是設(shè)計過程的第一步，確立建筑設(shè)計的思路與意圖，對設(shè)計過程起指導作用。

近年來，為鼓勵綠色節(jié)能建筑的發(fā)展，國家已經(jīng)出臺相應的規(guī)范與政策，鼓勵獎勵在節(jié)能上有突出表現(xiàn)的建筑。建筑節(jié)能依賴于節(jié)能技術(shù)的進步，目前，節(jié)能的重點一般集中于構(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)計過程中就加入了軟件模擬，如BIG事務所設(shè)計的哈薩克斯坦阿斯塔納國家圖書館，其建筑造型為不規(guī)則形體，為保證室內(nèi)采光均勻性，開窗設(shè)計在方案階段應用Ecotect對建筑表面采光情況進行分析，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)計階段確定，在初步設(shè)計階段確定的僅占13%，且隨著設(shè)計的不斷深化能達到的節(jié)能效果就越小，后期為達到相同節(jié)能所付出的成本也就越高。

但因方案階段是設(shè)計的初期，其最大的特點之一就是不確定性，給模擬帶來了不小難度，表現(xiàn)在兩個方面；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增多，工作量也隨之增大，對模擬的速度就提出了要求；另一方面，方案階段本就是一個相對來說較為粗化決定建筑參數(shù)的階段，無法為模擬提供準確、詳細的參數(shù)輸入，也就增加了模擬實現(xiàn)的難度。

2 模擬過程

本文主要探討的是方案設(shè)計階段確定的參數(shù)對建筑單體節(jié)能的影響，因此不考慮周圍建筑物對目標建筑物的影響。方案階段決定的參數(shù)較多，無法一一模擬，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。模型以濟南市某小區(qū)11層住宅樓設(shè)計方案為例，平面圖如圖1所示。本次模擬采用軟件DeST-h，模擬過程中除影響朝向和窗墻比的因素外，其他均采用軟件默認值。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。本次研究主要對空調(diào)系統(tǒng)的能耗及其經(jīng)濟性進行分析。

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，全年累計冷負荷51 125.99 kW·h；建筑空調(diào)全年運行費用約為27 627.3元，能耗53 682.39 kW·h。

2.2只改變建筑朝向

太陽輻射是對建筑有重要影響的室外因素，建筑的自然采光、得熱都來源于陽光，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行：+30°，-60°，+30°，-60°(南偏東為正，南偏西為負)，結(jié)果同原始能耗對比。

將建筑逐時能耗的模擬結(jié)果進行整理，結(jié)果如圖2所示。經(jīng)對比可見，朝向為正南的建筑總能耗最低，朝向為+60°的總能耗最高，-60°時熱負荷最大，冷負荷最大出現(xiàn)在+60°時，且朝向改變相同角度對冷負荷的影響大于對熱負荷的影響。從建筑經(jīng)濟性來看，±30°時全年空調(diào)運行費用相似，相差很小，都相較正南向增加了1 707元。運行費用最高為31 993元，為+60°時，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，建筑朝向?qū)ㄖ?jīng)濟性有不可忽視的影響，偏移角度越大增加的能耗越多。在實際工程中，因周圍環(huán)境的復雜性，建筑可能無法保證正南朝向，因此應在合理范圍內(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，還能將建筑能耗控制在合理范圍內(nèi)。經(jīng)計算，本建筑窗墻比為17.14%。其中北向窗墻比為16.56%，南向為28.12%，西向為3.88%。模擬分兩種情況進行：在滿足規(guī)范的情況下，南、北向窗墻比同時增大2%，南、北向窗墻比都減少2%，因東、西向開窗面積較小，此次模擬不考慮。

模擬結(jié)果如圖3所示?？梢?，南、北向窗墻比都增加2%時，負荷共增加4 036.9 kW，其中熱負荷增加533.5 kW，較原始數(shù)據(jù)增加1%，冷負荷增長了3 503.4 kW，增幅為6.9%，空調(diào)費用增加551.8元，占比2.0%；南、北向窗墻比都減少2%時，負荷共減少5 753.82 kW，熱負荷減少1 034.32 kW，減少2.1%，冷負荷減少4 724.5 kW，減少9.2%，經(jīng)濟方面節(jié)省744.5元，占比2.7%。由此可以得出，窗墻比增加建筑負荷隨之增加，窗墻比的減小會減小建筑負荷，且冷負荷改變幅度大于熱負荷的變動幅度。因此，如果都能在方案階段科學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節(jié)省更多能源。

3 結(jié)語

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

[1] 國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2016.

[2] 中南建筑設(shè)計院.建筑工程設(shè)計文件編制深度規(guī)定[M].北京:中國建筑標準設(shè)計研究院,2003.

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