建筑空間對能耗的影響探究

張巧玲 劉崇

摘 要：簡立簡化模型，使用控制變量法，在Ecotect里模擬了戶型不同平面形狀、不同建筑高度對能耗的影響，得出了定性的研究結(jié)論。對建筑節(jié)能設(shè)計有一定的指導作用。

關(guān)鍵詞：體型系數(shù)；平面形狀；建筑高度；能耗

0引言

隨著世界人口膨脹，能源資源緊缺是普遍的社會問題，如何節(jié)約能源是眾多行業(yè)發(fā)展的目標。在建筑行業(yè)中，我國的既有建筑中95%以上為高能耗建筑，單位面積采暖能耗相當于氣候條件相近發(fā)達國家的2-3倍。能源的合理利用對我國來說是一大艱巨任務(wù)。

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計重視建筑造型和藝術(shù)性，但在建筑設(shè)計過程中，不同的建筑平面、高度、造型會對能耗產(chǎn)生很大影響，本文探究了不同的建筑空間對能耗的影響。

1.熱環(huán)境定義

建筑室內(nèi)熱環(huán)境的舒適要求是人對建筑環(huán)境最基本的需求之一。熱環(huán)境包括了室內(nèi)空氣的溫度、濕度、氣流速度和平均輻射溫度。而這些因素會受到建筑空間設(shè)計的影響。從熱環(huán)境的角度設(shè)計建筑空間、建筑造型，對于改善居住環(huán)境具有重要價值。[1]

中國建筑熱工分區(qū)把我國分成五個氣候區(qū)，青島屬于寒冷地區(qū)，寒冷地區(qū)是指我國最冷月平均溫度滿足-10℃～0℃，日平均溫度≤5℃的天數(shù)為90～145天的地區(qū)。建筑物應滿足冬季防寒、保溫、防凍等要求，夏季部分地區(qū)應兼顧防熱。

建筑熱舒適度通過測試溫度、濕度等可以得知，熱舒適度與很多因素有關(guān)系，如建筑體型系數(shù)、建筑朝向、建筑開窗形式、窗墻面積比等。這些因素對于建筑節(jié)能起到了決定性作用，也是目前建筑設(shè)計中主要考慮的方面。

改善建筑的熱環(huán)境，不僅能提高舒適度，還能為建筑節(jié)約大量能源。下面就來探究建筑設(shè)計中空間對能耗的影響。

2.建筑空間對于能耗的影響

2.1體型系數(shù)對于能耗的影響

國家行業(yè)標準JGJ26-2010《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》中規(guī)定，建筑體型系數(shù)是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值。[2]建筑平面凹凸越小，體型系數(shù)越小，建筑的能耗越小。

建筑體型系數(shù)可以用如下公式表示，

S=F/V=2（1/l+1/b）+1/nh

式中：F—建筑外表面積；

V—外表面積對應的建筑體積，V=nhbl；

n—建筑層數(shù)

2.1.1 Ecotect模擬與驗證

下面設(shè)置簡化模型，具體研究建筑平面形狀對于能耗的影響情況。這里自變量為建筑平面形狀，其它因素都相同。

2.1.2結(jié)果與分析

研究對3個簡化模型進行了能耗模擬分析。實驗目的是檢驗建筑體型系數(shù)和能耗之間的關(guān)系。模擬方法是設(shè)置了AA、AB、AC三種簡化平面，設(shè)置對比實驗。實驗中控制的變量為建筑面積、窗墻比、建筑高度，影響因子（因變量）為建筑平面，即建筑的體型系數(shù)。

由圖2.4，2.5可以看出，隨著建筑體型系數(shù)的加大，建筑能耗逐漸加大，二者呈正相關(guān)的關(guān)系。平面越接近正方形，其體型系數(shù)越小，能耗越小。按0.6元/Kwh計算的話，體型系數(shù)為0.24的7層住宅，比體型系數(shù)為0.3的7層住宅一年會節(jié)約電費8717元左右?？梢?，在可行的情況下，控制建筑形體系數(shù)，減少建筑外輪廓的凹凸，有利于節(jié)約能耗。

2.2層高對能耗的影響

層高是指下層地板面或樓版面到上層樓版面之間的距離。我國《住宅設(shè)計規(guī)范》（GB-50096-2011）中規(guī)定，住宅層高宜為2.8米。[3]

建筑體型系數(shù)為建筑外表面積與體積之比。體型系數(shù)與建筑的平面尺寸、凹凸和高度有關(guān)系。根據(jù)體型系數(shù)的計算公式，我們可以看到建筑的形體系數(shù)隨著建筑高度的增加而減小，即建筑高度越高，平均每層的能耗就越小。

從另一個方面來說，國家行業(yè)標準JGJ26-2010《嚴寒和寒冷地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計標準》第3.3.10條規(guī)定，折合到單位建筑面積上單位時間內(nèi)建筑物空氣換氣耗熱量應按如下式子計算，

式中：qINF—折合到單位建筑面積上單位時間內(nèi)建筑物空氣換熱耗熱量（W/㎡）；

tn—室內(nèi)計算溫度，取18℃，當外墻內(nèi)側(cè)是樓梯間時，則取12℃；

te—采暖期間室外平均溫度；

Cp—空氣比熱容，取0.28Wh/（kg·K）

ρ—空氣的密度（kg/m?），取采暖期室外平均溫度te下的值；

N—換氣次數(shù)，取0.5次/h；

V—換氣體積（m?），樓梯間及外廊不采暖時，V=0.60V0；樓梯間及外廊采暖時，V=0.65V0，V0為建筑體積。

由空氣耗熱換熱量可以看出，換氣體積V和空氣換熱耗熱量qINF成正比例關(guān)系；而層高與換氣體積V成正比關(guān)系，因此，可以推出層高與空氣換熱耗熱量成正比關(guān)系。即層高越高，能耗越大。然而，從層高和體型系數(shù)的關(guān)系看，層高越高，體型系數(shù)越小，建筑能耗越小。兩個方面呈矛盾的趨勢。

圖片來源：《影響居住建筑節(jié)能設(shè)計因素的分析與研究—青島居住建筑節(jié)能設(shè)計》初探

2.2.1 Ecotect模擬與驗證

為了具體研究建筑層高和能耗的關(guān)系，設(shè)置了四個簡化模型，在Ecotect中分析二者之間的關(guān)系。

研究對4個簡化模型進行了能耗模擬，通過改變建筑高度唯一的影響因子，控制體型系數(shù)、單層面積、窗墻比等變量，以年耗電量來對比4個簡化模型的能耗情況。從圖4.7的散點圖來看，隨著建筑高度的增加，耗電量整體呈上升趨勢。由此我們可以初步下結(jié)論，建筑高度對于空氣耗熱換熱量的影響比體型系數(shù)的影響大。

3.總結(jié)

文章通過兩組對比實驗，研究了平面形狀、建筑高度對于能耗的影響，得出了定性的結(jié)論。通過第一組對比實驗知道，隨著建筑體型系數(shù)的加大，建筑能耗逐漸加大，減少建筑外輪廓的凹凸，有利于節(jié)約能耗。

第二組對比實驗中，進一步研究了建筑高度對能耗的影響。建筑高度越高，體型系數(shù)越??；建筑高度越高，空氣換熱量越大。通過建立簡化模型模擬，可以得出結(jié)論，建筑高度越高，能耗越大。

希望本文能為建筑設(shè)計者提供設(shè)計依據(jù)，使建筑設(shè)計更加舒適節(jié)能、綠色環(huán)保。

參考文獻

[1]閆疆丞 長沙地區(qū)以熱舒適為目標的建筑節(jié)能設(shè)計研究 [J] 湖南大學碩士學位論文 2013：7-8

[2]《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》 [M] JGJ26-2010

[3]《住宅建筑規(guī)范》 [M] GB50368-2005

[4]王卉 顧放 建筑層高對體型系數(shù)的影響 [J] 建筑節(jié)能 2013：59-62

（作者單位：青島理工大學）