不同建筑空間形態(tài)對建筑能耗的影響

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建筑室內(nèi)熱狀態(tài)受室外氣候狀態(tài)和建筑圍護結(jié)構(gòu)所影響，因此建筑供暖空調(diào)能耗在很大程度上與建筑的空間布局和圍護結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，不同的建筑空間形態(tài)分布還會影響建筑的遮陽與自然采光，從而影響建筑的人工照明能耗。扁平的建筑空間分布體型系數(shù)較小，會降低建筑的供暖能耗但造成夏季空調(diào)能耗高［1］，而塔式的建筑空間分布下夏季自然通風被強化，空調(diào)能耗降低，但造成冬季供暖能耗的上升，不同空間形態(tài)與建筑能耗的關(guān)系很難進行直接準確的分析，只有通過逐時的動態(tài)模擬才能得到。因此在分析評價和優(yōu)化選取建筑設(shè)計方案將造成的環(huán)境狀況和能耗時，一般都采用模擬計算的方法［2-4］。為了研究不同空間形態(tài)和布局對住宅建筑能耗的影響，本研究對各類布局下的住宅建筑，利用DeST模擬軟件對其建筑運行能耗進行了模擬分析，通過能耗比較來分析不同的空間形態(tài)對住宅建筑的遮陽、采光和夏季空調(diào)、冬季供暖能耗的影響。

1研究方法

本研究選取了北京市12種不同空間形成的建筑分布，這幾種方案下建筑面積總量相同，但其所需消耗的建筑運行能耗不同，因此在建筑的規(guī)劃過程中，需要優(yōu)選合理的建筑空間布局。具體各地空間形態(tài)如圖1所示。為了保證不同的方案之間具有可比性，各方案保證建筑面積一致，各方案的建筑面積總量如表1所列，可以看到各方案的建筑面積與平均值相比誤差均不大于1%，基本可以認為各方案的建筑面積相等。根據(jù)一般住宅建筑的層高，將此建筑的層高定義為3m。參照北京市地方標準DB11/891—2012《居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》中對各立面窗墻比的限值，給出各個立面的窗墻比，如表2所示。

2模擬參數(shù)設(shè)定

根據(jù)以上建筑基本信息，使用建筑能耗模擬軟件DeST，建立1～12號各類地塊的DeST模型。

2.1圍護結(jié)構(gòu)性能

參照北京市地方標準DB11/891—2012《居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》，將各方案其建筑圍護結(jié)構(gòu)性能如表3所示。

2.2空調(diào)供暖設(shè)定

在北京地區(qū)，冬季采取集中供暖，因此冬季供暖作息為24h連續(xù)供暖;夏季為間歇空調(diào)，在室外溫度合適的時候采用自然通風來帶走室內(nèi)熱量。根據(jù)設(shè)計規(guī)范給出各房間的溫濕度設(shè)定值，見表4。

2.3房間發(fā)熱量及通風量設(shè)定

根據(jù)北京市住宅建筑案例測試的結(jié)果設(shè)定房間的燈光、設(shè)備的功率密度、房間的設(shè)備發(fā)熱量(見表5)。由于相同功能的房間進行了一定的合并，所以人員密度無法按照DeST默認的總量指標設(shè)定，所以按照表5所列的人員密度進行設(shè)定。因為在一些地塊的設(shè)計中，存在內(nèi)區(qū)的房間(進深8～10m認為是內(nèi)區(qū))，無法進行自然通風，因此需要機械通風。同時，即使是在外區(qū)的房間，由于廚房和衛(wèi)生間的特殊功能，在使用時也需要一定的機械通風。因此，將各功能房間的通風作息及通風量設(shè)置如下:位于外區(qū)的房間，不設(shè)置機械通風，冬季的通風量為滲風量，設(shè)為0.5次/h，夏季則設(shè)為自然通風，開窗時最大通風量為10次/h。位于內(nèi)區(qū)的房間，由于無法進行自然通風，因此需要進行機械通風，設(shè)置其全年新風量為恒定數(shù)值，通風次數(shù)為1次/h。

2.4模擬計算

對于一般住宅建筑，其能耗主要包括:冬季供暖能耗、夏季空調(diào)能耗、照明能耗、生活熱水能耗、炊事能耗及各類家用電器能耗［5］。不同的空間形態(tài)會對建筑的冷、熱負荷及自然采光情況有影響，因此主要會影響建筑的供暖、空調(diào)及照明能耗。對于4號這樣存在一定內(nèi)區(qū)的建筑，由于其內(nèi)區(qū)無法開窗進行機械通風，還需要設(shè)置通風機對其進行機械通風，因此與一般住宅建筑相比，會額外多出一部分通風能耗。因此利用DeST模型，進行能耗模擬計算，模擬中考慮建筑由于空間形態(tài)造成的自遮擋，選取冬季熱負荷及供暖系統(tǒng)能耗、夏季冷負荷及空調(diào)系統(tǒng)能耗、照明能耗和機械通風能耗這四個能耗指標，分析各方案的能耗情況。

3結(jié)果分析

3.1冬季供暖能耗

利用DeST軟件對各方案的冬季供暖負荷進行模擬，并假設(shè)由大中規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)供熱，得到各方案的冬季供暖能耗，如圖3所示。圖3各方案的冬季供暖能耗與體型系數(shù)單位室內(nèi)空間需要的供熱量Q的計算公式見式(1)，單位為W/m3，Q=T×(K×S+A×0.335)(1)式中:Q為單位室內(nèi)空間需要的供熱量，W/m3;T為室內(nèi)外平均溫差，℃;K為平均傳熱系數(shù)，W/(m2•K);S為體形系數(shù);A為換氣次數(shù)，次/h。在本模擬計算中，各案例的窗、墻的傳熱系數(shù)和窗墻比均一致，也就是說圍護結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)一致，而且換氣次數(shù)也一致(除了1號和4號因為存在內(nèi)區(qū)需要機械通風以外)，所以體形系數(shù)成為影響冬季供暖能耗的關(guān)鍵因素，從圖3中也可明顯看出體形系數(shù)與供暖能耗的一致變化情況。但同時也可以發(fā)現(xiàn)，1和4號方案雖然體型系數(shù)小，但其供暖能耗并不比2、3和5、6方案低，主要原因是因為存在大面積的內(nèi)區(qū)，內(nèi)區(qū)僅靠滲透風不能解決人員新風供應(yīng)問題，所以需要24h進行1次/h的機械通風，這一定程度上增大了其供暖能耗，10號方案由于其裙樓(2層樓)部分也存在一定區(qū)域的內(nèi)區(qū)，所以對此區(qū)域也需要進行24h的機械通風風。對方案1、方案4和方案10關(guān)閉全年機械通風的方案進行了模擬，結(jié)果對比如圖4。對于方案1，由于增加了內(nèi)區(qū)的機械通風，其供暖能耗因此增大了1.5倍左右。對于方案4，由于需要機械通風的面積占其總面積的比例大于方案1，因此增加了機械通風后，其能耗增大為原來的將近10倍。對于方案10，由于其需要機械通風的區(qū)域并不大，因此由于增加了機械通風，其能耗(標準煤)僅上升了33t。對于方案7～方案9，由于外形復雜程度逐漸增加，增加了自遮陽，一定程度上由于太陽輻射得熱量的減少導致其供暖負荷逐漸增加。如圖5所示，分析方案7～方案9在不考慮陽光遮擋下的能耗(分別為7’、8’、9’)，與原方案進行對比可比可以發(fā)現(xiàn)遮擋對其能耗造成的影響。可以發(fā)現(xiàn)隨著外形復雜程度的增加和遮擋的增加，對熱負荷的影響也逐漸加強，9方案因此遮擋帶來的供暖能耗(標準煤)增加將近40t，而7方案因為遮擋帶來的供暖能耗(標準煤)僅為6.6t。在分析建筑供暖能耗總量時，不僅要關(guān)注建筑整體的體型系數(shù)，也要看各類朝向的房間的分布。一般來說，南向的房間越多，其冬季太陽輻射得熱就越多，相應(yīng)的供暖能耗就會降低。分析1、4、7號方案，可以發(fā)現(xiàn)，1、4、7號方案均為4個朝向均勻分布房間，其中均有一半的房間朝向為東西朝向，這類房間在冬季無法有效利用太陽輻射得熱來升高室內(nèi)溫度或者說降低供暖能耗，而10號方案的建筑布局是沿東西方向條狀分布，因此基本所有戶型都有南向窗戶，南向房間的比較非常高，有南向窗戶的房間的比例接近100%，這有效地增大了冬季的太陽輻射得熱，從而降低了供暖能耗。10號方案其體型系數(shù)適中，雖然存在一定面積的內(nèi)區(qū)，但面積并不大，由于機械通風增加的供暖能耗(標準煤)并不大(7t)，并且其不同區(qū)域之間的互相遮擋也比較小，因此其供暖能耗在整體12個方案里處于居中位置。由此可以看出，在北京地區(qū)，為了降低建筑的供暖能耗，在空間布局上可以考慮適當減小建筑的體型系數(shù)，但是對于住宅建筑，也應(yīng)該考慮不要形成內(nèi)區(qū)，否則就需要因此配置機械通風，反而會增加供暖能耗。除了建筑整體的體型系數(shù)，也應(yīng)該考慮適當增加南向房間的比例，有效地利用冬季太陽輻射得熱來降低供暖能耗。

3.2夏季空調(diào)能耗

利用DeST軟件對各方案的夏季制冷負荷進行模擬，假設(shè)制冷由分體空調(diào)提供，得到夏季空調(diào)能耗。與供暖不同，空調(diào)需要從室內(nèi)排除的熱量絕大多數(shù)不是來源于通過外墻的傳熱。室內(nèi)的各種電器設(shè)備、照明等發(fā)出的熱量及室內(nèi)人員發(fā)出的熱量占空調(diào)排熱任務(wù)的重要成分。再就是太陽透過外窗進入室內(nèi)的熱量。這些都需要從室內(nèi)排除，否則就會使室溫升高。當室外溫度低于室內(nèi)允許的舒適溫度時，依靠室內(nèi)外的溫差，通過外墻、外窗的傳熱以及室內(nèi)外的通風換氣，可以把這些熱量排出到室外。此時，圍護結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)越大(也就是保溫越不好)，通過圍護結(jié)構(gòu)向外傳出的熱量就越多，室內(nèi)發(fā)熱導致室內(nèi)溫度的升高就越小。此時如果能夠開窗通風，并且建筑造型與開窗位置具有較好的自然通風能力，則可以通過室內(nèi)外通風換氣向室外排熱。因此，建筑空調(diào)布局和圍護結(jié)構(gòu)對于夏季空調(diào)能耗的影響主要在于遮陽和能否有效自然通風。在本文的DeST模擬設(shè)定中，不考慮外遮陽措施，只考慮方案本身的自遮陽。同時對于自然通風，考慮的都是理想通風，即:夏季在室外溫度合適的時候使用自然通風，且通風次數(shù)均為理想數(shù)值，即認為自然通風為最理想效果，不考慮在實際中建筑的房間布局以及窗戶的位置等細節(jié)對自然通風效果的影響，因此自然通風對夏季空調(diào)能耗的影響也基本上是一致的。從模擬結(jié)果來看，各方案的夏季空調(diào)能耗也基本與體型系數(shù)直接相關(guān)，如圖6。對比方案1、方案4和方案10在有無機械通風下的夏季空調(diào)能耗如圖7，可以發(fā)現(xiàn)，由于機械通風的存在，同樣增大了夏季空調(diào)能耗。但是由于夏季的室內(nèi)外溫度遠小于冬季，因此機械通風造成的夏季空調(diào)能耗增加量遠小于冬季供暖能耗的增加量:對于方案1，由于使用了機械通風，其夏季空調(diào)能耗從29萬kW•h增加到40萬kW•h，增加了不到1倍;對于方案4，其夏季空調(diào)能耗從32萬kW•h增加到了85萬kW•h，增加了約1.5倍;對于方案10，其夏季空調(diào)能耗從34.5萬kW•h增加到了34.6萬kW•h，幾乎沒有變化。對于方案7～方案9，由于外形復雜程度逐漸增加，增加了自遮陽，由于太陽輻射得熱量的減少導致其空調(diào)能耗降低。如圖8所示，分析方案7～方案9在不考慮陽光遮擋下的能耗(分別為方案7’～方案9’)，與原方案進行對比可以發(fā)現(xiàn)遮擋對其能耗造成的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著外形復雜程度的增加和遮擋的增加，對熱負荷的影響也逐漸加強，9方案因此遮擋帶來空調(diào)耗電量增加為2582kW•h，而7方案因為遮擋帶來的空調(diào)耗電量僅為894kW•h。對于方案10～方案12，方案11和方案12顯著增大了外墻和外窗的面積，從圖9可以看出，方案11的外墻面積達到了18906m2，是方案10外墻面積的141%，而方案12的外墻面積為方案10外墻面積的187%，外窗面積也是如此。顯著增大的外墻和外窗在夏季時極大地增加了太陽輻射得熱，也使得方案11、12的夏季空調(diào)能耗急劇增大。需要說明的是，對于列出的12個方案，在負荷和能耗模擬的時候考慮的都是理想通風，即認為自然通風為最理想效果，但是在實際的過程中由于建筑的造型與空間布局不同，其在夏季室外溫能夠?qū)崿F(xiàn)的自然通風效果是不同的，因此其散熱能力也是不同的，這會在一定程度上造成空調(diào)能耗的變化，在本次模擬中并沒有體現(xiàn)。例如，相比較方案1、2、3的塔樓造型和圍合式的戶型分布，方案4、5、6是板樓，其南北通透的造型與戶型會導致在實際使用過程中，自然通風效果更好，在室外溫度合適的時候能夠充分利用自然通風降低室溫，減少了需要空調(diào)制冷的時間，從而能夠降低空調(diào)能耗。對于方案11、12，外形復雜能夠一定程度上增加夏季的自遮陽效果，但是由于是回字式圍合結(jié)構(gòu)，如果考慮1樓不與室外連通(不能產(chǎn)生煙囪效應(yīng))，即使開窗也很難通過自然通風帶走室內(nèi)的熱量，而且外墻外窗面積大，太陽輻射量巨大，因此當室內(nèi)大量的熱量不能通過圍護結(jié)構(gòu)排出時就只好開啟空調(diào)，依靠機械制冷排除熱量導致，所以空調(diào)能耗會大幅增加。

3.3照明能耗

利用DeST軟件對各方案的照明能耗進行模擬，結(jié)果如圖10。從結(jié)果可以看出，對于4個分組:方案1～方案3，方案4～方案6，方案7～方案9，方案10～方案12，由于增加了外區(qū)面積，優(yōu)化了自然采光，其照明能耗是逐漸下降的。各組之間進行對比，可以發(fā)現(xiàn)方案4、5、6的照明能耗是最高的，由于其扁平的建筑布局，增加了內(nèi)區(qū)的面積，尤其是對于方案4，有著大面積的內(nèi)區(qū)無法進行自然采光，所以其照明能耗在各個方案中最高，而對于方案12，由于其外窗的面積多，且能夠自然采光的面積也大，其照明能耗在各個方案中最小。為了定量分析各方案自然采光的效果，又對1～12各方案在不考慮自然采光下的照明能耗進行了對比，結(jié)果對比如圖11。將不考慮自然采光下的照明能耗與第一次計算得到的照明能耗相減得到自然采光對人工照明能耗總量的影響，結(jié)果如圖12。對比方案1、2、3:從方案1到方案2，自然采光條件得到了極大的優(yōu)化，因此照明能耗有了大幅的降低，方案2比方案1節(jié)電約4.1萬kW•h，但是從方案2到方案3，其節(jié)能效果就比較有限，雖然方案3進一步優(yōu)化了自然采光的效果，但是節(jié)電量只有1515kW•h。對比方案4、5、6:自然采光條件得到了極大的優(yōu)化，因此照明能耗有了大幅的降低，方案5比方案4節(jié)電約8.4萬kW•h，從方案5到方案6，方案6進一步優(yōu)化了自然采光的效果，節(jié)電量也達到了3.5萬kW•h。對比方案7、8、9:由于其本身回字形的造型，其外表面面積大，自然采光條件非常優(yōu)越，因此自然采光帶來的照明電耗下降也是非常明顯，并且隨著方案7～方案9，其自然采光得到進一步強化。方案10是方案3、6、9的一個綜合，并且由于其塔樓與裙房的高低組合，減小了不同的樓棟之間的遮擋，所以其自然采光對照明節(jié)能效果也非常明顯，節(jié)能量達1.7萬kW•h。方案11、12是回字形造型的一種加強，極大的優(yōu)化了自然采光的條件，因此其自然采光帶來的照明能耗下降了在各個方案中最大，方案11和方案12由于自然采光造成的人工照明能耗下降分別為20.5萬kW•h和20.8萬kW•h。

3.4機械通風能耗

1號方案、4號方案和10號方案需要供應(yīng)機械通風，其機械通風能耗見圖13。3.5全年一次能耗從上面的分析可以看出，各個方案各有利弊，體型系數(shù)小的方案冬季供暖能耗小，但若體型系數(shù)過小，反而會因為需要機械通風而增加能耗，同時，體型復雜圍合式的造型會增強夏季建筑自遮陽，降低空調(diào)能耗，但又會導致自然采光效果不佳，可能會增加照明能耗。因此，為了保證建筑的總能耗最低，需要權(quán)衡判斷，將各方案的各項能耗按發(fā)電煤耗法折合為一次能耗進行比較，如圖14所示?？梢园l(fā)現(xiàn)各方案全年的一次能耗對比，方案5是能耗最低的，這主要是因為5是除了方案1和方案4(體型系數(shù)小但需要機械通風)之外體型系數(shù)最小的方案。因此其供暖能耗和空調(diào)能耗都相對其他方案較低，而照明能耗與其他方案相比，雖然略大，但并不明顯，所以造成總體看來全年包括供暖能耗、空調(diào)能耗和照明能耗的總一次能耗在12種方案中最低。出于同樣的理由，方案6和方案7的能耗次之，也在各方案中處于較低的水平。反過來看方案11和方案12，方案11體型系數(shù)并不大，因此其供暖能耗與其他方案相比并不太高，但是由于其外圍護結(jié)構(gòu)面積大，增大了夏季太陽輻射得熱量，導致空調(diào)能耗增大，全年總體的一次能耗比方案5、6要大。而方案12，由于體型系數(shù)大，所以冬季供暖能耗明顯高出其他方案，同時外墻外窗面積大，造成夏季的空調(diào)能耗也高出其他方案，因此其總體的一次能耗在各方案中最大。對于方案10，是方案1～方案9的一次雜燴，整體的體型系數(shù)在各方案中居中，雖然由于裙樓部分存在部分內(nèi)區(qū)，需要機械通風，但是能耗并不大，所以總體計算得到的全年一次能耗在各方案中處于居中的水平。

4結(jié)論

為了研究不同空間形態(tài)和布局對住宅建筑能耗的影響，本研究選取了12種地塊，對各類布局下的住宅建筑能耗進行模擬分析，通過能耗比較來分析不同的空間形態(tài)對住宅建筑的遮陽、采光和夏季空調(diào)、冬季供暖能耗的影響。各個方案各有利弊，體型系數(shù)小的方案，如1號、4號，冬季供暖能耗小，但若體型系數(shù)過小，反而會因為需要機械通風而增加能耗，如1號和4號均需要機械通風來滿足人員新風需求。而另外，體型復雜圍合式的造型會增強夏季建筑自遮陽，降低空調(diào)能耗，例如8號、9號，但又會導致自然采光效果不佳，可能會增加照明能耗。綜合上述結(jié)果與分析，可以得出，在北京這種以集中供暖為冬季供暖方式的地區(qū)，考慮供暖熱源供應(yīng)效率一致的條件下，其供暖能耗主要與體型系數(shù)呈直接相關(guān)的關(guān)系，體型系數(shù)越大，冬季供暖能耗越高，體型系數(shù)越小，冬季供暖能耗越小，但是對于住宅建筑，也應(yīng)該考慮不要形成內(nèi)區(qū)，否則就需要因此配置機械通風，反而會增加供暖能耗，例如方案1、4、10。除了建筑整體的體型系數(shù)，也應(yīng)該考慮適當增加南向房間的比例，有效地利用冬季太陽輻射得熱來降低供暖能耗。對于空調(diào)能耗，在無外遮陽構(gòu)件和理想自然通風的情況下，夏季空調(diào)能耗也與建筑的體型系數(shù)有著強相關(guān)，體型系數(shù)越大空調(diào)能耗也越高。同時，在窗墻比相同的情況下，建筑的空調(diào)布局越復雜，建筑的外墻、外窗面積越大，夏季的太陽輻射得熱量也越大，相應(yīng)地也會增加夏季空調(diào)能耗，例如方案12。但在實際情況下，建筑空調(diào)布局和圍護結(jié)構(gòu)對于夏季空調(diào)能耗的影響主要在于遮陽和能否有效自然通風。本文的模擬考慮了建筑的自遮陽，例如方案7、8、9和方案11、12由于建筑外形所形成的自遮陽效果，但是并沒有體現(xiàn)各方案的不同建筑造型對于夏季自然通風效果的影響，而這是影響夏季空調(diào)能耗的一個重要因素，如果想要得到更精確的對于夏季空調(diào)能耗的模擬，需要使用計算流體動力學等工具進行自然通風效果的模擬。對于照明能耗，外墻、外窗面積大顯著提高了自然采光的水平，因此方案11、12的照明能耗低于其他方案。綜合供暖、空調(diào)和照明能耗，可以發(fā)現(xiàn):由于供暖能耗占總能耗的比例很大，超過了50%，因此如果僅考慮這三種能耗的加和(不考慮生活熱水、設(shè)備等能耗)，需要優(yōu)先供暖能耗低的方案，根據(jù)本文的分析結(jié)果，體型系數(shù)小的方案5其總體能耗也就最低了。

作者：胡姍 燕達 崔瑩 單位：清華大學建筑節(jié)能研究中心