拉薩地區(qū)住宅建筑群布局模式對建筑能耗影響關(guān)系研究

張 昊，陳景衡，武玉艷

(西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

拉薩地區(qū)冬季寒冷漫長、常規(guī)能源匱乏，但太陽能資源豐富，全年日照時間可達(dá)3 000 h以上，地面全年接受太陽輻射8 000～8 400 MJ/m2，為太陽能利用提供了先決條件[1].

但隨著新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，拉薩市城區(qū)中高層住宅數(shù)量不斷攀升，建筑密度持續(xù)增加，高密度建筑群帶來的建筑相互遮擋、太陽能利用條件受限等問題凸顯.眾多研究學(xué)者針對高密度建筑群的間距做了大量研究.孟慶凱[2]研究了山東地區(qū)高層住宅形態(tài)、平面布局對日照間距的影響并提出了相應(yīng)優(yōu)化策略.袁磊[3]從居住區(qū)規(guī)劃布局和住宅單體設(shè)計兩個方面概述了改善日照環(huán)境，提高住宅容積率的常用方法，并對其適用的范圍和所能達(dá)到的效果進(jìn)行了分析.李京津[4]研究了城市高層建筑群日照情況并基于“日照適應(yīng)性”提出了城市日照間距優(yōu)化方法.

同時，研究學(xué)者關(guān)于高密度建筑群引起的日射得熱影響也做了大量研究.張潔等[5]運(yùn)用eQuest能耗模擬軟件對上海地區(qū)高層建筑群日射得熱的模擬分析，研究了建筑群間距對日射得熱的影響.Redweik等[6]采用LIDAR獲取的DSM模型和氣候觀測的太陽輻射模型來計算地面、屋頂和立面的間隔距離為1 m、間隔時間為1 h的太陽直射與散射輻射量.Kanters等[7]利用Ecotect軟件研究瑞典城市街區(qū)布局形態(tài)與年度太陽能產(chǎn)量之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)街道設(shè)計的形態(tài)類型對太陽能接收的影響可達(dá)到50%，同時指出相鄰建筑之間的相互遮擋對太陽能的接收效果將會發(fā)生限制作用.

基于此，本文以拉薩地區(qū)為例，研究了新型城鎮(zhèn)化快速發(fā)展下，拉薩地區(qū)高密度建筑群最佳布局模式，并分析在該布局模式下，不同日照間距，建筑太陽能有效得熱量，進(jìn)而揭示日照間距與建筑能耗之間的定量影響關(guān)系，為拉薩地區(qū)住宅建筑群布局模式、日照間距優(yōu)化、太陽能利用提供依據(jù).

1 理論分析

1.1 日照間距計算

日照間距是日照標(biāo)準(zhǔn)的一種簡化表達(dá)式，指建筑存在日照遮擋情況下滿足規(guī)范建筑之間需要保持的距離.以南北行列式住宅為例，如圖1所示，其計算公式如下.

圖1 日照間距分析示意

D0=H0ctgβcosγ

(1)

式中：D0為建筑間距，m；H0為遮擋建筑物的計算高度(一般為北側(cè)檐口高度)，m；β為太陽高度角，°；γ為建筑方位與太陽方位的水平夾角，°.

1.2 建筑能耗強(qiáng)度計算

建筑能耗即建筑耗熱量，包括外窗、非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)(墻體、門)和冷風(fēng)滲透等組成.

Q=Qwin+Qnon+Qwind

(2)

式中：Q為建筑耗熱量，W；Qwin為外窗耗熱量，W；Qnon為非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量，W；Qwind為冷風(fēng)滲透耗熱量，W.

1.2.1 外窗耗熱量計算

外窗即使得熱部件，也是失熱部件.得熱量由晝間太陽輻射引起，而失熱量由室內(nèi)外溫差引起.

Qwin=Qwin,g-Qwin,l

(3)

式中：Qwin,g為外窗得熱量，W；Qwin,l為失熱量，W.太陽輻射透過透明玻璃窗進(jìn)入室內(nèi)，得熱量可以表示為

Qwin,g=IScτFwin

(4)

式中：Qg為外窗得熱量，W；I為進(jìn)入室內(nèi)的平均太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；Sc為遮陽系數(shù)；τ為玻璃透過率，單層、雙層窗分別取0.89和0.80[8]；F為窗戶面積，m2.通過窗戶的失熱量可以表示為

Qwin,l=KwinFwin(tn-tw)

(5)

式中：Ql為外窗失熱量，W；Kw為外窗傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；tn為室內(nèi)設(shè)計溫度，℃；tw為室外溫度，℃.

1.2.2 非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量計算

Qnon=KnonFnon(tn-tz)

(6)

式中，Knon為非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2K)；tz為綜合溫度，℃.

1.2.3 冷風(fēng)滲透耗熱量計算

Qwind=LCpρ(tn-tw)

(7)

式中：L為空氣滲透率，kg/s；Cp為空氣比熱，kJ/(kg·K)；ρ為空氣密度，kg/m3.

2 拉薩市典型住區(qū)布局

參考《拉薩市城市總體規(guī)劃(2009-2020)》中劃定的15個居住片區(qū)，在各個居住片區(qū)中選取50個建筑類型為多層和高層的住區(qū)，對這些住區(qū)的現(xiàn)狀情況進(jìn)行調(diào)研，重點調(diào)研住區(qū)的建筑類型、建筑層數(shù)、布局模式、建筑間距等數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總.圖2是拉薩住區(qū)調(diào)研分布圖.

圖2 拉薩調(diào)研住區(qū)分布圖

圖3是拉薩市住區(qū)布局模式調(diào)研結(jié)果統(tǒng)計.通過對住區(qū)布局模式的統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)拉薩城市集合住區(qū)主要的布局模式有行列式布局、圍合式布局和混合式布局三種，其中行列式布局根據(jù)其布局特點又可以細(xì)分為平行行列式布局、橫向錯位行列式布局、縱向錯位行列式布局以及混合錯位行列式布局.由圖3可知，行列式布局是拉薩市最為常見的布局模式，占調(diào)研住區(qū)總數(shù)的88%.這主要是因為拉薩位于寒冷地區(qū)，冬季需要充分利用太陽輻射進(jìn)行被動式采暖，行列式布局不具備明顯的遮擋效果，相較于圍合式、散點式、混合式等其他布局模式，行列式住區(qū)能更有效的利用太陽輻射[9]，因此本研究選取行列式布局的小區(qū)作為研究對象.

圖3 拉薩調(diào)研住區(qū)布局模式統(tǒng)計圖

平行行列式、橫向錯位行列式、縱向錯位行列式以及混合錯位行列式布局如圖4所示，以四種典型行列式為研究對象，分析拉薩市最佳建筑群布局模式及建筑日照間距對建筑能耗的定量影響關(guān)系.

圖4 拉薩市行列式典型布局模型

建筑平面布置圖如圖5.衛(wèi)生間和廚房不供暖，供暖面積為1 337 m2.北向房間窗墻比取0.3，南向房間窗墻比取0.6，外墻、屋面、地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別取0.50 W/(m2·K)、0.40 W/(m2·K)、1.10 W/(m2·K).采用Ecotect分析不同建筑群布局模式及日照間距對太陽輻射入射量及日照時間的影響規(guī)律，采用Energyplus分析日照間距對建筑能耗的影響.

圖5 拉薩典型建筑平面布局圖

3 結(jié)果分析

3.1 建筑群最優(yōu)布局分析

表1是不同朝向平均太陽輻射入射量.總體來看，混合錯位行列式平均太陽輻射入射量最小，且東立面的太陽輻射平均值要高于西立面.這是由于混合錯列式布局形式復(fù)雜，同時存在橫向錯縱和縱向錯縱，建筑之間容易形成復(fù)雜的遮擋關(guān)系，且對住宅西立面有一定影響.縱向錯列式各朝向太陽輻射入射量均在四種布局模式中呈現(xiàn)最大值，主要是因為縱向錯列式在橫向和縱向方位都形成了間隙，降低了建筑之間的遮擋.橫向錯位行列式雖平均太陽輻射入射量高于平行行列式，但是南北輻射量明顯偏低，說明橫向錯列式住宅的錯縱關(guān)系不利于建筑太陽輻射利用.

比較不同布局模式住區(qū)太陽輻射獲得量，應(yīng)同時考慮住區(qū)內(nèi)各住宅樓獲得太陽輻射的均勻性.表2是四種行列式南立面太陽輻射量入射量變化幅度.雖然混合錯列式太陽輻射入射量相比其他四種均勻性最好，但是其入射量偏小，不利于太陽輻射利用.而縱向錯列式太陽輻射量最高，但同時不均勻性也最強(qiáng)，不同建筑之間太陽能利用差異較大.總體來看，平行行列式太陽輻射入射量及均勻性在四種行列式中都較高，推薦優(yōu)先采用的建筑群布局模式.

3.2 建筑群最優(yōu)朝向分析

以平行行列式建筑群為例，不同朝向下(正南方向為0°)建筑群南立面采暖季平均太陽輻射入射量及相對南立面太陽輻射變化率如圖6所示.

圖6 住區(qū)各布局朝向太陽輻射均值

由圖可以看出，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大，南偏東朝向的多層平行行列式住區(qū)太陽輻射獲得量相較于正南朝向，分別增加(降低)1.3%、0.3%、-7.14%、-20.12%、-35.77%、-42.93%，南偏西朝向多層平行行列式住區(qū)太陽輻射獲得量相較于正南朝向，分別增加(降低)-1.02%、-1.75%、-3.62%、-11.57%、-26.39%、-40.46%.住宅朝向為15°時，住區(qū)太陽輻射獲得量最大.因此，拉薩平行行列式多層住區(qū)最利于太陽輻射利用的布局朝向為南偏東15°.

3.3 建筑高度對日照時間的影響

不同最小日照時間下，不同樓層高度(每層高度為3 m)的建筑與日照間距之間的變化規(guī)律如圖7所示.從圖中可以看出，當(dāng)樓層小于5層(15 m)，隨著建筑高度的增加，日照間距增加較為平緩.樓層每增加一層，平均日照間距增加3.5 m.而對于5層以上建筑，當(dāng)最小日照時間在1～3 h時，日照間距隨建筑高度增加緩慢上升，平均每增加一層，建筑間距增大1.02 m.當(dāng)最小日照時間大于3 h，日照間距隨建筑高度急劇增加，平均每增加一層，建筑間距增大3.80 m.

圖7 不同日照時間下建筑高度與日照間距變化

以六層建筑為例，不同日照間距下建筑日照時間分布圖，分別對應(yīng)最小日照時間1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h，如圖8所示.從圖中可以看出，當(dāng)最小日照時間從1 h到6 h之間變化時，一層平均日照時間分別為1.25 h、3.00 h、3.72 h、4.43 h、5.36h、5.66 h，二層平均日照時間分別為3.06 h、5.52 h、5.75 h、5.78 h、5.98 h、6.00 h，三層及以上幾乎無遮擋，平均日照時間為6.00 h.可見，日照間距對一層日照時間影響較大，對三層及以上幾乎無影響，當(dāng)最小日照時間大于2 h，即日照間距大于21.5 m時，日照間距對于二層也幾乎無影響.

圖8 不同日照間距下日照時間分布圖

3.4 日照間距對建筑能耗的影響

由上述分析可知，三層及以上日照時間隨日照間距增大不變.因此，以1～3層能耗為例分析，圖9是該建筑1～3層不同日照間距下，各層建筑能耗變化圖.

圖9 不同日照間距下建筑能耗變化

由圖可知，隨著日照間距增大，一層建筑能耗急劇降低，從1.70 kWh/m2降低至0.97 kWh/m2，降低幅度達(dá)43%，其中當(dāng)最小日照間距從17.5 m(1 h)增大至21.5 m(6 h)，建筑能耗降低速率最大，降低了20.4%(0.35 kWh/m2).二層建筑變化相對較小，由1.77 kWh/m2降低至1.56 kWh/m2，降低幅度達(dá)23.5%，其中，當(dāng)最小日照間距其中當(dāng)最小日照間距從17.5 m增大至21.5 m，建筑能耗降低速率最大，降低了20.5%(0.36 kWh/m2).

圖10是不同日照間距下，1～2層不同窗墻面積比與建筑能耗變化圖.總體來看，隨著窗墻面積比增大，建筑能耗持續(xù)降低，當(dāng)最小窗墻面積比從0.3增大到0.9時，一層建筑能耗平均降低72.6%，二層建筑能耗平均降低78.3%.當(dāng)窗墻面積比大于0.6，一層和二層建筑能耗降低趨勢相對較平緩.當(dāng)最小日照間距大于21.5 m，一層建筑能耗降低趨勢較平緩，而二層建筑能耗幾乎不再降低.

圖10 不同窗墻面積比建筑能耗變化

因此，拉薩地區(qū)推薦窗墻比面積應(yīng)不大于0.6，雖然繼續(xù)增大窗墻面積比，可降低建筑能耗，但效果不明顯.對于一層和二層建筑能耗占比較大的低層建筑(建筑層數(shù)小于等于4)，最小日照時間應(yīng)大于等于2 h.當(dāng)建筑層數(shù)大于等于5層時，此時一層和二層建筑能耗占總建筑能耗較小，為節(jié)約用地面積，可采用最小日照間距，即滿足大寒日底層最小日照時間為1 h.

3.5 拉薩地區(qū)建筑群最優(yōu)布局

通過以上模擬分析，研究了拉薩城市典型住區(qū)布局模式和日照間距對住區(qū)整體太陽輻射入射量和建筑能耗的定量影響關(guān)系，得出了基于太陽能利用的最優(yōu)布局模式和設(shè)計要素，如表3.

表3 拉薩建筑群最優(yōu)布局

4 結(jié)論

本文以拉薩地區(qū)為例，研究了建筑日照間距與建筑能耗之間的定量影響關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1)綜合考慮建筑群太陽輻射入射量及太陽輻射均勻性，拉薩市建筑群最佳布局模式為平行行列式、朝向為南偏東15°.

(2)在滿足最小日照時間下，三層及以上無遮擋，其日照時間始終接近于最大日照時間；當(dāng)最小日照時間大于2 h，二層日照時間也趨近于最大日照時間.

(3)當(dāng)最小日照時間從1 h增大到2 h，一層建筑能耗平均降低20.4%，二層建筑能耗平均降低20.5%.當(dāng)最小日照時間大于2 h，建筑能耗變化較小.因此，推薦拉薩地區(qū)建筑日照時間為2 h.但當(dāng)一層和二層建筑能耗占總建筑能耗比例較小時(建筑層數(shù)大于5)，為節(jié)約用地面積，可采用1 h最小日照時間.

(4)隨窗墻面積比增大，建筑能耗持續(xù)降低，當(dāng)窗墻面積比大于0.6，建筑能耗降低趨勢相對較為平緩，因此，推薦窗墻面積比為0.6.