武漢地區(qū)高層住宅被動式節(jié)能設(shè)計參量影響關(guān)系分析★

朱富城 張 輝 弓 南 韓嘯霖 王永建

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068； 2.中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

當(dāng)前，我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程正處于高速發(fā)展時期。隨著城鎮(zhèn)人口的不斷增加，為更好地解決土地緊張與成本開發(fā)帶來的壓力問題，房屋建設(shè)更多采用高層形式，同時也大大促進(jìn)了高層住宅的發(fā)展。高層住宅量大面廣，已成為建筑節(jié)能領(lǐng)域關(guān)注的重點之一[1]。

近些年來，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對高層住宅節(jié)能問題開展了諸多研究。宋昂揚采用PHPP針對天津新城公寓進(jìn)行了圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)備選型研究[2]。周淑玲通過建立天津地區(qū)住宅基準(zhǔn)模型，提出了適用于多層、小高層住宅的低能耗建筑技術(shù)措施[3]，鄧豐等基于上海地區(qū)氣候特征和高層住宅用能特點，模擬分析了不同樓層圍護(hù)結(jié)構(gòu)、體形系數(shù)和空調(diào)方式等因素對高層住宅節(jié)能的影響[4]。陳華等以寒冷氣候區(qū)典型城市天津為研究對象，總結(jié)高層建筑自身節(jié)能因素的影響規(guī)律[5]。在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)方面，如JGJ 134—2010夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，DB42/T 559—2013湖北省低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等[6,7]，也為武漢市高層住宅節(jié)能設(shè)計提供了參考。本研究從影響建筑節(jié)能的被動式設(shè)計因素入手，選取夏熱冬冷典型地區(qū)武漢市的板式和塔式高層住宅進(jìn)行對比分析，探討不同被動式因素對建筑能耗的影響關(guān)系問題，進(jìn)而為高層住宅被動式節(jié)能設(shè)計提供可行的思路和參考。

1 研究思路及模型參數(shù)設(shè)定

1.1 研究思路

研究中，引入節(jié)能率的概念，并選取高層住宅的外墻傳熱系數(shù)、窗墻比、朝向三個被動式設(shè)計參量，通過設(shè)置相應(yīng)的閾值變化范圍進(jìn)行計算機模擬，從而對比不同參量變化對建筑能耗的影響?；诖罅康哪M分析數(shù)據(jù)，采用擬合回歸方法，探討不同因素與高層住宅建筑能耗的影響關(guān)系。將節(jié)能率計算式定義為：

ER=(En-E0)/E0。

其中，ER為節(jié)能率(Energy-saving Rate)；En為改變某一被動式設(shè)計參量之后的建筑能耗；E0為所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)模型的建筑能耗；同時由于標(biāo)準(zhǔn)模型的參數(shù)選擇問題，計算出的某一參數(shù)節(jié)能率可能為負(fù)值，在計算綜合節(jié)能率時，需將其做相對值處理。

1.2 計算分析模型及參數(shù)設(shè)定

課題組通過對武漢武昌片區(qū)的住宅調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在19 371棟居住建筑中，高層住宅占到近46%，其中塔式高層約為18%，板式高層比重約為28%，并且18層以上占高層住宅的70%。因此，選取塔式和板式兩種類型的高層住宅進(jìn)行對比分析，其基本信息如表1所示。采用IES建筑環(huán)境性能分析軟件建立基準(zhǔn)模型，并設(shè)定各項參數(shù)，如表2所示。

表1 模型基本設(shè)定參數(shù)

表2 模型可變參數(shù)(閾值)

2 不同影響因素影響關(guān)系分析

2.1 外墻傳熱系數(shù)影響

一直以來，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是影響建筑圍護(hù)節(jié)能的重要參數(shù)之一。降低建筑物耗熱耗冷量的主要措施是提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻。在進(jìn)行能耗模擬分析時，將外墻傳熱系數(shù)k值作為變量，來研究外墻傳熱系數(shù)變化對建筑節(jié)能的影響。

通過IES建模模擬。為了排除建筑面積對塔式和板式高層住宅能耗的影響，基于得到的建筑總能耗，筆者將計算出每種情況下板式住宅與塔式住宅單位面積對應(yīng)能耗，然后進(jìn)行擬合回歸分析，如圖1，圖2所示。

基于圖1，圖2可得擬合回歸函數(shù)如表3所示。

針對擬合回歸情況，可以看出，板式和塔式住宅的制熱能耗的影響函數(shù)中系數(shù)分別為40.4和37.23，遠(yuǎn)大于制冷能耗的2.77和2.37。說明高層住宅外墻傳熱系數(shù)對制熱能耗影響較大，即對冬季保溫有著較大影響。

表3 外墻傳熱系數(shù)擬合回歸

項目單位面積總能耗單位面積制熱能耗單位面積制冷能耗板式住宅擬合回歸方程y=44.23x+80.73y=40.4x+1.52y=2.77x+4.90擬合度R20.999 70.999 80.992塔式住宅擬合回歸方程y=40.48x+85.03y=37.23x+3.06y=2.37x+6.94擬合度R20.999 60.999 80.976

基于對節(jié)能率的定義，將得出的外墻傳熱系數(shù)與單位面積能耗關(guān)系的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行對比，計算其節(jié)能率，如圖3，圖4所示。

綜合上述，板式高層住宅和塔式高層住宅制熱能耗節(jié)能率隨外墻傳熱系數(shù)k值影響較大，制冷能耗節(jié)能率隨傳熱系數(shù)k值變化幅度較小，板式住宅外墻傳熱系數(shù)的綜合節(jié)能率為22.03%，塔式住宅為19.57%。外墻傳熱系數(shù)參量綜合節(jié)能率較高，節(jié)能潛力較大。

2.2 窗墻比影響

太陽輻射得熱是高層住宅中戶型得熱的主要方式之一，而窗墻面積比可以控制各個朝向窗戶的大小，窗戶大小的改變，就意味著太陽輻射量所得熱量的多少變化，可以將建筑窗墻比作為變量，來研究窗墻比對節(jié)能的影響。

通過IES建模模擬?；诘玫降慕ㄖ偰芎?，筆者將計算出每種情況下板式住宅與塔式住宅單位面積對應(yīng)能耗，然后進(jìn)行擬合回歸分析如圖5，圖6所示。

基于圖5，圖6可得擬合回歸函數(shù)如表4所示。

表4 窗墻比擬合回歸

針對擬合回歸情況，可以看出，窗墻比的減少，對板式住宅的制熱能耗和制冷能耗以及塔式住宅的制冷能耗都有積極影響，但是影響都不大，說明有利于夏季的隔熱，而對塔式住宅的制熱能耗，卻是呈現(xiàn)增加趨勢，說明不利于冬季保溫。

基于對節(jié)能率的定義，將模擬得出數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行對比，計算其節(jié)能率，如圖7,圖8所示。

綜上所述，針對夏熱冬冷地區(qū)高層住宅，板式住宅和塔式住宅窗墻比變量都對夏季隔熱散熱影響較大，窗墻比的改變對板式住宅的影響要大于對塔式住宅的影響。板式住宅窗墻比綜合節(jié)能率為4.87%，塔式住宅為2.11%。窗墻比參量綜合節(jié)能率一般。

2.3 建筑朝向影響

在高層住宅的設(shè)計中，朝向是一個較為重要的參量，不同的朝向?qū)ㄖ牟晒馊照盏扔休^大的影響，因此對能耗也有影響。

通過IES進(jìn)行能耗模擬。計算出不同朝向情況下板式住宅與塔式住宅單位面積對應(yīng)能耗，然后進(jìn)行擬合回歸分析，如圖9，圖10所示。

基于圖9，圖10可得擬合回歸函數(shù)如表5所示。

表5 建筑朝向擬合回歸

針對擬合回歸函數(shù)可以看出，單位面積能耗均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，能得到最小值，其中板式高層住宅能耗量最低所對應(yīng)的朝向為北偏東3.6°，塔式高層為北偏東3.8°。

基于對節(jié)能率的定義，將得出的朝向與單位面積能耗關(guān)系的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行對比，計算其節(jié)能率，如圖11，圖12所示。

綜上所述，朝向?qū)Π迨阶≌退阶≌茻峒炊镜谋赜绊戄^大，說明朝向?qū)Ω邔幼≌窘邮仗栞椛洚a(chǎn)生熱量較為重要，朝向的變化，對板式住宅的能耗影響更大。板式住宅建筑朝向節(jié)能率為2.52%，塔式住宅為1.65%，建筑朝向參量綜合節(jié)能率較低。

3 討論

根據(jù)上文所得數(shù)據(jù)，現(xiàn)總結(jié)外墻傳熱系數(shù)、窗墻比和朝向三種被動式設(shè)計參量對于夏熱冬冷典型地區(qū)武漢市的高層板式和塔式住宅能耗的影響關(guān)系如表6所示。

表6 被動式設(shè)計參量與能耗影響關(guān)系 %

同時，針對上述影響關(guān)系分析，得出如下結(jié)論：

1)不同被動式影響關(guān)系方面。

外墻傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響最大，其次為窗墻比，影響最小的為建筑朝向。綜合節(jié)能率達(dá)到20%，在規(guī)范的要求范圍內(nèi)，選擇最佳的外墻傳熱系數(shù)能夠起到最大的節(jié)能效果。

2)板式和塔式住宅窗墻比影響方面。

板式住宅在窗墻比參量上綜合節(jié)能率為4.87%，明顯高于塔式住宅的2.11%，說明窗墻比參量對板式高層住宅的影響要大于塔式高層住宅。

3)板式和塔式住宅朝向影響方面。

朝向參量對板式高層住宅影響略大于塔式高層住宅。板式高層住宅基于能耗量最佳朝向為北偏東3.6°，塔式高層住宅為3.8°。

4)武漢地區(qū)高層住宅季節(jié)性影響方面。

外墻傳熱系數(shù)與朝向兩個參量對制熱能耗的影響較大，而窗墻比參量對制冷能耗影響較大，說明在武漢地區(qū)，外墻傳熱系數(shù)和朝向兩個參量在冬季保溫方面的節(jié)能潛力較大，而窗墻比參量在夏季散熱隔熱方面的節(jié)能潛力較大。