采暖建筑的被動式設計節(jié)能效果測算研究

周正楠 劉小彪 / ZHOU Zhengnan,LIU Xiaobiao

1 背景

“節(jié)能減排”早已是我們的國家發(fā)展戰(zhàn)略；而減少溫室氣體排放，建設低碳社會亦已成為當今世界關(guān)注的焦點。無論是減少不可再生能源的消耗，還是降低碳排放，節(jié)能是基礎也是關(guān)鍵。我國北方地區(qū)在冬季需要全面采暖，研究表明，當前北方建筑采暖能耗占我國城鎮(zhèn)建筑總能耗的近40%，是建筑能耗最主要的部分。近年來，若干相關(guān)節(jié)能建筑設計標準相繼頒布與實施，其中最主要的內(nèi)容均與降低建筑采暖能耗直接相關(guān)，這對于建筑節(jié)能起到了很大的促進作用。但是，由于我國的起點較低，按照目前的節(jié)能建筑設計標準建造的建筑，其采暖能耗水平仍然遠高于歐洲發(fā)達國家的新建建筑。

在實現(xiàn)節(jié)能建筑的技術(shù)策略中，總的來講可以分為兩大部分：一部分是能源需求最小化技術(shù)策略，另一部分是能源供給最優(yōu)化技術(shù)策略。供給的最優(yōu)化往往通過主動式的設備技術(shù)來完成，而需求的最小化則完全可以用被動式的方法來實現(xiàn)。被動式節(jié)能措施是指不依賴于建筑設備，主要通過建筑的場地、空間、形式以及構(gòu)件的設計來實現(xiàn)建筑節(jié)能的方式。其附加成本較低，更易于實現(xiàn)節(jié)能建筑的推廣和普及。然而目前，被動式技術(shù)措施在建筑節(jié)能實踐中的應用雖然已經(jīng)較為廣泛，但尚缺乏對其節(jié)能效果進行量化分析的研究。

大量設計和建造實踐表明，建筑的采暖能耗與建筑朝向、窗墻比以及圍護結(jié)構(gòu)性能有密切的關(guān)系。隨著建筑節(jié)能標準的提高和材料技術(shù)的發(fā)展，人們對建筑圍護結(jié)構(gòu)的性能提出了越來越高的要求。而圍護結(jié)構(gòu)性能的不斷提高，也使得建筑朝向、窗墻比等因素對建筑能耗的影響效果與以往不同。本文將通過計算機軟件模擬測算，探究建筑采暖能耗與圍護結(jié)構(gòu)性能、建筑朝向和窗墻比這三個被動式節(jié)能因素共同作用的量化關(guān)系，為建筑師在設計過程中提供決策參考。

2 計算模型與計算軟件

2.1 計算模型及參數(shù)

為了使研究對象清晰明了，計算模型簡單易于操作，本研究截取一棟多層宿舍樓中的一間宿舍作為研究對象（如圖1黃色部分所示）。房間使用人數(shù)為4人，全天使用。房間室內(nèi)尺寸（面寬×高×進深）為3m×3m×6m。根據(jù)計算軟件的特性，采暖時間為全年室外月平均氣溫低于20℃的所有時間。

本研究采用北京市氣候參數(shù)，室內(nèi)設計溫度取20℃。北京市目前冬季室內(nèi)采暖設計溫度為18℃，但調(diào)查研究結(jié)果表明20℃是人在冬季感覺較舒適的室內(nèi)溫度，故本文中室內(nèi)采暖設計溫度取值20℃，與研究對象的內(nèi)墻，天花板，地板相鄰的房間溫度也設定為20℃。對外通風換氣次數(shù)設定0.7次/h ，其取值符合北京市居住建筑節(jié)能設計標準中要求通風換氣次數(shù)不低于0.5次/h的標準。

研究中的變量有外墻K值、外窗K值（為簡化計算，忽略窗框）、建筑朝向、窗墻比。通過對上述變量的調(diào)整，運用計算軟件測算得出不同情況下的采暖能耗值，并根據(jù)這些能耗數(shù)據(jù)進行分析和研究。

2.2 外圍護結(jié)構(gòu)性能取值

不同地區(qū)和不同時期的建筑外圍護結(jié)構(gòu)性能差別很大；即使是在同一建筑節(jié)能設計標準中，根據(jù)不同的情況也有不同的取值選擇。為了便于計算與分析，本研究選取了五組較為典型的圍護結(jié)構(gòu)性能取值，這些取值分別參考了德國“被動房”案例、英國標準（2002）、北京市居住建筑節(jié)能設計標準、民用建筑節(jié)能設計標準（北京地區(qū)）以及傳統(tǒng)無保溫建筑案例。由于所選計算模型位于建筑中間樓層的中間位置，所以只和外墻與外窗的傳熱系數(shù)K值相關(guān)，不涉及屋面的性能。外圍護結(jié)構(gòu)性能取值見表1。

2.3 計算軟件PHPP簡介

PHPP2007（Passive House Planning Package）被動房設計程序包是由德國“被動房”研究所（Passivhaus Institut）開發(fā)的用以進行能耗評估和輔助設計的軟件。該軟件在歐洲“被動房”建筑（Passive House）的設計過程中被大量運用，是目前“被動房”建筑認證必須采用的計算工具。

圖1 計算模型示意

PHPP采用穩(wěn)態(tài)計算方法，其氣候參數(shù)按月平均數(shù)取值，所需歐洲地區(qū)和城市的氣候參數(shù)可以從下拉菜單中選擇。整個程序包含計算建筑構(gòu)件的傳熱系數(shù)、計算能耗平衡、計算舒適的通風、計算熱負荷以及計算夏季舒適性等多項工具,每個工具由一個或多個相互關(guān)聯(lián)的EXCEL工作表組成。本研究主要采用熱負荷計算功能,以年度累計熱負荷［Annual Specific Space Heat Demand，單位：KWh /(m2·a)］作為采暖能耗的衡量指 標。

計算結(jié)構(gòu)和輸出如圖2所示，圖中虛線框表示需要操作者輸入的數(shù)值條件。

本研究通過利用PHPP軟件進行模擬實驗，計算并分析了兩組被動式節(jié)能因素（圍護結(jié)構(gòu)和建筑朝向的共同作用、圍護結(jié)構(gòu)和窗墻比的共同作用）與采暖能耗的關(guān)系。

3 圍護結(jié)構(gòu)和建筑朝向的共同作用與采暖能耗的關(guān)系

模擬實驗一:采用前文中的設定參數(shù)，保持窗墻比0.4不變,通過改變外圍護結(jié)構(gòu)性能和建筑朝向，模擬所得不同情況下房間采暖能耗值見表2。

圖3是根據(jù)表2所繪制的不同朝向房間采暖能耗絕對值變化曲線圖。從其中采暖能耗絕對值的變化可以看出，各種外圍護條件下不同朝向能耗變化曲線基本平行，隨著外圍護結(jié)構(gòu)性能提高，各朝向的能耗絕對值下降基本一致。例如，隨著外圍護結(jié)構(gòu)性能由K值（墻/窗）從1.8/6提高為0.1/1時，北向房間能耗由140 KWh/(m2·a)下降到42 KWh/(m2·a)，下降了98 KWh/(m2·a)，南向房間能耗下降也是 98 KWh/(m2·a)。

表1 外圍護結(jié)構(gòu)性能取值

表2 房間在不同外圍護結(jié)構(gòu)性能下各朝向采暖能耗

圖2 PHPP程序包結(jié)構(gòu)

表3 各朝向不同圍護結(jié)構(gòu)性能和不同窗墻比的采暖能耗計算結(jié)果

圖3 各向采暖能耗絕對值變化曲線

圖4 各向采暖能耗相對值變化曲線

從圖4能耗相對值變化可以看出，隨著外圍護結(jié)構(gòu)性能的提高，各朝向采暖能耗相對值差異變大。例如，采用傳統(tǒng)無保溫做法外圍護結(jié)構(gòu)時，南向房間采暖能耗是北向的80%，而當采用德國被動房案例外圍護結(jié)構(gòu)時，這一相對值下降到45%。因此在圍護結(jié)構(gòu)性能提高的情況下，讓需要采暖的房間爭取更多的南朝向，降低能耗的效果更顯著，注重建筑的朝向也更有意義。

圖5 相同能耗不同朝向的房間溫度

模擬實驗二：首先，采用前文設定的計算模型，選擇德國被動房案例的圍護結(jié)構(gòu)性能取值，窗墻的K值分別為1 W/(m2·k)和 0.1 W/(m2·k)，窗墻比1：3，房間朝向為北向，室內(nèi)設計溫度為20攝氏度，得出采暖能耗為16KWh /(m2·a)。然后，保持采暖能耗16KWh /(m2·a)不變，改變房間的朝向，得出其余7個朝向時房間溫度?？梢园l(fā)現(xiàn)，相同采暖能耗情況下朝向不同的房間溫差最大可達6℃，最高為西南和東南朝向，最低為北向（圖5）。朝向?qū)Σ膳Ч绊戯@著，在場地規(guī)劃和建筑平面布置時優(yōu)化朝向，對節(jié)能效果的貢獻重大。將采暖標準低和無需采暖的空間布置在北向等不利朝向，將采暖標準高的房間布置在南向等有利朝向，這一設計策略在外圍護結(jié)構(gòu)性能大幅度提高的情況下，對于降低建筑采暖能耗具有非常積極的意義。

4 圍護結(jié)構(gòu)和窗墻比的共同作用與采暖能耗的關(guān)系

模擬實驗三：采用前文設定的計算模型，將圍護結(jié)構(gòu)性能和窗墻比設為變量，計算和分析不同建筑朝向情況下的采暖能耗，計算結(jié)果如表3所示。

圖6～圖8是根據(jù)表3的數(shù)據(jù)所繪制的不同圍護結(jié)構(gòu)性能取值時，各朝向能耗隨窗墻比的變化圖。從圖6可以看出，當圍護結(jié)構(gòu)性能取值參考傳統(tǒng)無保溫建筑做法時，其性能較差，各個朝向的采暖能耗都隨著窗墻比增大而增大。從圖7可以看出，當外圍護結(jié)構(gòu)性能達到北京市居住建筑節(jié)能設計標準的取值時，東南向和西南向房間的窗墻比越大，采暖能耗越低；其他朝向房間采暖能耗仍然隨著窗墻比的增大而增加。從圖8可以看出，當圍護結(jié)構(gòu)性能提高到德國被動房案例取值時，東向、南向、東南向和西南向的房間，隨著窗墻比的增加，采暖能耗降低。

圖6 取值參考傳統(tǒng)無保溫做法時各朝向能耗隨窗墻比變化

圖7 取值參考北京市居住建筑節(jié)能設計標準時各朝向能耗隨窗墻比變化

圖8 取值參考德國被動房案例時各朝向能耗隨窗墻比變化

隨著圍護結(jié)構(gòu)性能提高到一定值以后，西南、南、東南三個方向隨著窗墻比的增加，房間采暖能耗絕對值和相對值（以窗墻比0.2時能耗為標準值，其他情況窗墻比能耗值用百分數(shù)表示）的降低率增大。如表3西南朝向SW表格中黃色部分顯示：采用參考北京市居住建筑節(jié)能設計標準外圍護結(jié)構(gòu)性能取值情況下，隨著窗墻比由0.2變化到0.6，房間采暖能耗由47KWh/(m2·a)下降到41KWh/(m2·a),能耗下降了6KWh/(m2·a)，下降率為13%；當采用參考德國被動房案例外圍護結(jié)構(gòu)性能取值情況下，窗墻比發(fā)生相同的變化，房間能耗由22KWh/(m2·a)下降到 10KWh/(m2·a),能耗下降了 12KWh/(m2·a)，下降率為55%。

出現(xiàn)上述情況的原因是，建筑窗墻比增大對建筑能耗的影響有兩方面：有利的一面是增加太陽輻射進入室內(nèi)以提高室內(nèi)溫度；不利的一面是由于外窗較大的傳熱系數(shù)通過窗戶也向室外較快散失熱量。當外圍護結(jié)構(gòu)的性能提高到一定標準時，房間的得熱蓄熱能力超過外窗散失熱量的能力，南向房間的采暖能耗就出現(xiàn)隨著窗墻比增大而降低的情況。本研究通過模擬測算，得出了相關(guān)的能耗數(shù)據(jù)，并分析出其變化的定量規(guī)律。

5 結(jié)論

建筑自身的空間形體特征對于冬季采暖能耗有較大影響，有利于節(jié)能的建筑空間形體優(yōu)化是被動式技術(shù)體系的首要環(huán)節(jié)。建筑的體形系數(shù)、外表面日照時長、窗墻比以及功能空間安排等空間形體因素會影響到建筑對采暖的需求。根據(jù)以上的模擬實驗結(jié)果，在北京地區(qū)進行節(jié)能建筑設計時，可以參考以下結(jié)論：

結(jié)論1：隨著建筑外圍護結(jié)構(gòu)性能的不斷提高，不同朝向房間的采暖能耗相對差值逐漸變大，改變房間朝向?qū)Σ膳芎牡挠绊懽兊酶@著。

結(jié)論2：隨著建筑外圍護結(jié)構(gòu)性能的不斷提高，窗墻比的增大對南向（南、東南、西南）房間的采暖能耗影響由不利逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣?，并且有利程度越來越高?/p>

綜上所述，當建筑圍護結(jié)構(gòu)性能顯著提高以后，在進行建筑形體和平面布局的設計時，應當使建筑功能空間安排盡量利用朝南等有利的朝向，避免朝北等不利朝向，同時，應該根據(jù)外圍護結(jié)構(gòu)性能、朝向等實際情況設置合理的窗墻比，從而大幅度降低建筑采暖能耗。

[1] 江億.建筑節(jié)能與生活模式[J].建筑學報，2007(12).

[2] 曹越.解讀北京市居住建筑節(jié)能設計標準[J].墻材革新與建筑節(jié)能,2004(7).

[3] Wolfgang Feist.PHPP2007 Requirements for Quality Approved Passive Houses[M].Darmstadt：Passive House Institute,2009.