不同建筑空间形态对建筑能耗的影响
建筑室内热状态受室外气候状态和建筑围护结构所影响，因此建筑供暖空调能耗在很大程度上与建筑的空间布局和围护结构形式有关，不同的建筑空间形态分布还会影响建筑的遮阳与自然采光，从而影响建筑的人工照明能耗。扁平的建筑空间分布体型系数较小，会降低建筑的供暖能耗但造成夏季空调能耗高［1］，而塔式的建筑空间分布下夏季自然通风被强化，空调能耗降低，但造成冬季供暖能耗的上升，不同空间形态与建筑能耗的关系很难进行直接准确的分析，只有通过逐时的动态模拟才能得到。因此在分析评价和优化选取建筑设计方案将造成的环境状况和能耗时，一般都采用模拟计算的方法［2-4］。为了研究不同空间形态和布局对住宅建筑能耗的影响，本研究对各类布局下的住宅建筑，利用DeST模拟软件对其建筑运行能耗进行了模拟分析，通过能耗比较来分析不同的空间形态对住宅建筑的遮阳、采光和夏季空调、冬季供暖能耗的影响。
1研究方法
本研究选取了北京市12种不同空间形成的建筑分布，这几种方案下建筑面积总量相同，但其所需消耗的建筑运行能耗不同，因此在建筑的规划过程中，需要优选合理的建筑空间布局。具体各地空间形态如图1所示。为了保证不同的方案之间具有可比性，各方案保证建筑面积一致，各方案的建筑面积总量如表1所列，可以看到各方案的建筑面积与平均值相比误差均不大于1%，基本可以认为各方案的建筑面积相等。根据一般住宅建筑的层高，将此建筑的层高定义为3m。参照北京市地方标准DB11/891―2012《居住建筑节能设计标准》中对各立面窗墙比的限值，给出各个立面的窗墙比，如表2所示。
2模拟参数设定
根据以上建筑基本信息，使用建筑能耗模拟软件DeST，建立1～12号各类地块的DeST模型。
2.1围护结构性能
参照北京市地方标准DB11/891―2012《居住建筑节能设计标准》，将各方案其建筑围护结构性能如表3所示。
2.2空调供暖设定
在北京地区，冬季采取集中供暖，因此冬季供暖作息为24h连续供暖;夏季为间歇空调，在室外温度合适的时候采用自然通风来带走室内热量。根据设计规范给出各房间的温湿度设定值，见表4。
2.3房间发热量及通风量设定
根据北京市住宅建筑案例测试的结果设定房间的灯光、设备的功率密度、房间的设备发热量(见表5)。由于相同功能的房间进行了一定的合并，所以人员密度无法按照DeST默认的总量指标设定，所以按照表5所列的人员密度进行设定。因为在一些地块的设计中，存在内区的房间(进深8～10m认为是内区)，无法进行自然通风，因此需要机械通风。同时，即使是在外区的房间，由于厨房和卫生间的特殊功能，在使用时也需要一定的机械通风。因此，将各功能房间的通风作息及通风量设置如下:位于外区的房间，不设置机械通风，冬季的通风量为渗风量，设为0.5次/h，夏季则设为自然通风，开窗时最大通风量为10次/h。位于内区的房间，由于无法进行自然通风，因此需要进行机械通风，设置其全年新风量为恒定数值，通风次数为1次/h。
2.4模拟计算
对于一般住宅建筑，其能耗主要包括:冬季供暖能耗、夏季空调能耗、照明能耗、生活热水能耗、炊事能耗及各类家用电器能耗［5］。不同的空间形态会对建筑的冷、热负荷及自然采光情况有影响，因此主要会影响建筑的供暖、空调及照明能耗。对于4号这样存在一定内区的建筑，由于其内区无法开窗进行机械通风，还需要设置通风机对其进行机械通风，因此与一般住宅建筑相比，会额外多出一部分通风能耗。因此利用DeST模型，进行能耗模拟计算，模拟中考虑建筑由于空间形态造成的自遮挡，选取冬季热负荷及供暖系统能耗、夏季冷负荷及空调系统能耗、照明能耗和机械通风能耗这四个能耗指标，分析各方案的能耗情况。
3结果分析
3.1冬季供暖能耗
利用DeST软件对各方案的冬季供暖负荷进行模拟，并假设由大中规模热电联产供热，得到各方案的冬季供暖能耗，如图3所示。图3各方案的冬季供暖能耗与体型系数单位室内空间需要的供热量Q的计算公式见式(1)，单位为W/m3，Q=T×(K×S+A×0.335)(1)式中:Q为单位室内空间需要的供热量，W/m3;T为室内外平均温差，℃;K为平均传热系数，W/(m2•K);S为体形系数;A为换气次数，次/h。在本模拟计算中，各案例的窗、墙的传热系数和窗墙比均一致，也就是说围护结构的平均传热系数一致，而且换气次数也一致(除了1号和4号因为存在内区需要机械通风以外)，所以体形系数成为影响冬季供暖能耗的关键因素，从图3中也可明显看出体形系数与供暖能耗的一致变化情况。但同时也可以发现，1和4号方案虽然体型系数小，但其供暖能耗并不比2、3和5、6方案低，主要原因是因为存在大面积的内区，内区仅靠渗透风不能解决人员新风供应问题，所以需要24h进行1次/h的机械通风，这一定程度上增大了其供暖能耗，10号方案由于其裙楼(2层楼)部分也存在一定区域的内区，所以对此区域也需要进行24h的机械通风风。对方案1、方案4和方案10关闭全年机械通风的方案进行了模拟，结果对比如图4。对于方案1，由于增加了内区的机械通风，其供暖能耗因此增大了1.5倍左右。对于方案4，由于需要机械通风的面积占其总面积的比例大于方案1，因此增加了机械通风后，其能耗增大为原来的将近10倍。对于方案10，由于其需要机械通风的区域并不大，因此由于增加了机械通风，其能耗(标准煤)仅上升了33t。对于方案7～方案9，由于外形复杂程度逐渐增加，增加了自遮阳，一定程度上由于太阳辐射得热量的减少导致其供暖负荷逐渐增加。如图5所示，分析方案7～方案9在不考虑阳光遮挡下的能耗(分别为7’、8’、9’)，与原方案进行对比可比可以发现遮挡对其能耗造成的影响。可以发现随着外形复杂程度的增加和遮挡的增加，对热负荷的影响也逐渐加强，9方案因此遮挡带来的供暖能耗(标准煤)增加将近40t，而7方案因为遮挡带来的供暖能耗(标准煤)仅为6.6t。在分析建筑供暖能耗总量时，不仅要关注建筑整体的体型系数，也要看各类朝向的房间的分布。一般来说，南向的房间越多，其冬季太阳辐射得热就越多，相应的供暖能耗就会降低。分析1、4、7号方案，可以发现，1、4、7号方案均为4个朝向均匀分布房间，其中均有一半的房间朝向为东西朝向，这类房间在冬季无法有效利用太阳辐射得热来升高室内温度或者说降低供暖能耗，而10号方案的建筑布局是沿东西方向条状分布，因此基本所有户型都有南向窗户，南向房间的比较非常高，有南向窗户的房间的比例接近100%，这有效地增大了冬季的太阳辐射得热，从而降低了供暖能耗。10号方案其体型系数适中，虽然存在一定面积的内区，但面积并不大，由于机械通风增加的供暖能耗(标准煤)并不大(7t)，并且其不同区域之间的互相遮挡也比较小，因此其供暖能耗在整体12个方案里处于居中位置。由此可以看出，在北京地区，为了降低建筑的供暖能耗，在空间布局上可以考虑适当减小建筑的体型系数，但是对于住宅建筑，也应该考虑不要形成内区，否则就需要因此配置机械通风，反而会增加供暖能耗。除了建筑整体的体型系数，也应该考虑适当增加南向房间的比例，有效地利用冬季太阳辐射得热来降低供暖能耗。
3.2夏季空调能耗
利用DeST软件对各方案的夏季制冷负荷进行模拟，假设制冷由分体空调提供，得到夏季空调能耗。与供暖不同，空调需要从室内排除的热量绝大多数不是来源于通过外墙的传热。室内的各种电器设备、照明等发出的热量及室内人员发出的热量占空调排热任务的重要成分。再就是太阳透过外窗进入室内的热量。这些都需要从室内排除，否则就会使室温升高。当室外温度低于室内允许的舒适温度时，依靠室内外的温差，通过外墙、外窗的传热以及室内外的通风换气，可以把这些热量排出到室外。此时，围护结构平均传热系数越大(也就是保温越不好)，通过围护结构向外传出的热量就越多，室内发热导致室内温度的升高就越小。此时如果能够开窗通风，并且建筑造型与开窗位置具有较好的自然通风能力，则可以通过室内外通风换气向室外排热。因此，建筑空调布局和围护结构对于夏季空调能耗的影响主要在于遮阳和能否有效自然通风。在本文的DeST模拟设定中，不考虑外遮阳措施，只考虑方案本身的自遮阳。同时对于自然通风，考虑的都是理想通风，即:夏季在室外温度合适的时候使用自然通风，且通风次数均为理想数值，即认为自然通风为最理想效果，不考虑在实际中建筑的房间布局以及窗户的位置等细节对自然通风效果的影响，因此自然通风对夏季空调能耗的影响也基本上是一致的。从模拟结果来看，各方案的夏季空调能耗也基本与体型系数直接相关，如图6。对比方案1、方案4和方案10在有无机械通风下的夏季空调能耗如图7，可以发现，由于机械通风的存在，同样增大了夏季空调能耗。但是由于夏季的室内外温度远小于冬季，因此机械通风造成的夏季空调能耗增加量远小于冬季供暖能耗的增加量:对于方案1，由于使用了机械通风，其夏季空调能耗从29万kW•h增加到40万kW•h，增加了不到1倍;对于方案4，其夏季空调能耗从32万kW•h增加到了85万kW•h，增加了约1.5倍;对于方案10，其夏季空调能耗从34.5万kW•h增加到了34.6万kW•h，几乎没有变化。对于方案7～方案9，由于外形复杂程度逐渐增加，增加了自遮阳，由于太阳辐射得热量的减少导致其空调能耗降低。如图8所示，分析方案7～方案9在不考虑阳光遮挡下的能耗(分别为方案7’～方案9’)，与原方案进行对比可以发现遮挡对其能耗造成的影响。可以发现随着外形复杂程度的增加和遮挡的增加，对热负荷的影响也逐渐加强，9方案因此遮挡带来空调耗电量增加为2582kW•h，而7方案因为遮挡带来的空调耗电量仅为894kW•h。对于方案10～方案12，方案11和方案12显著增大了外墙和外窗的面积，从图9可以看出，方案11的外墙面积达到了18906m2，是方案10外墙面积的141%，而方案12的外墙面积为方案10外墙面积的187%，外窗面积也是如此。显著增大的外墙和外窗在夏季时极大地增加了太阳辐射得热，也使得方案11、12的夏季空调能耗急剧增大。需要说明的是，对于列出的12个方案，在负荷和能耗模拟的时候考虑的都是理想通风，即认为自然通风为最理想效果，但是在实际的过程中由于建筑的造型与空间布局不同，其在夏季室外温能够实现的自然通风效果是不同的，因此其散热能力也是不同的，这会在一定程度上造成空调能耗的变化，在本次模拟中并没有体现。例如，相比较方案1、2、3的塔楼造型和围合式的户型分布，方案4、5、6是板楼，其南北通透的造型与户型会导致在实际使用过程中，自然通风效果更好，在室外温度合适的时候能够充分利用自然通风降低室温，减少了需要空调制冷的时间，从而能够降低空调能耗。对于方案11、12，外形复杂能够一定程度上增加夏季的自遮阳效果，但是由于是回字式围合结构，如果考虑1楼不与室外连通(不能产生烟囱效应)，即使开窗也很难通过自然通风带走室内的热量，而且外墙外窗面积大，太阳辐射量巨大，因此当室内大量的热量不能通过围护结构排出时就只好开启空调，依靠机械制冷排除热量导致，所以空调能耗会大幅增加。
3.3照明能耗
利用DeST软件对各方案的照明能耗进行模拟，结果如图10。从结果可以看出，对于4个分组:方案1～方案3，方案4～方案6，方案7～方案9，方案10～方案12，由于增加了外区面积，优化了自然采光，其照明能耗是逐渐下降的。各组之间进行对比，可以发现方案4、5、6的照明能耗是最高的，由于其扁平的建筑布局，增加了内区的面积，尤其是对于方案4，有着大面积的内区无法进行自然采光，所以其照明能耗在各个方案中最高，而对于方案12，由于其外窗的面积多，且能够自然采光的面积也大，其照明能耗在各个方案中最小。为了定量分析各方案自然采光的效果，又对1～12各方案在不考虑自然采光下的照明能耗进行了对比，结果对比如图11。将不考虑自然采光下的照明能耗与第一次计算得到的照明能耗相减得到自然采光对人工照明能耗总量的影响，结果如图12。对比方案1、2、3:从方案1到方案2，自然采光条件得到了极大的优化，因此照明能耗有了大幅的降低，方案2比方案1节电约4.1万kW•h，但是从方案2到方案3，其节能效果就比较有限，虽然方案3进一步优化了自然采光的效果，但是节电量只有1515kW•h。对比方案4、5、6:自然采光条件得到了极大的优化，因此照明能耗有了大幅的降低，方案5比方案4节电约8.4万kW•h，从方案5到方案6，方案6进一步优化了自然采光的效果，节电量也达到了3.5万kW•h。对比方案7、8、9:由于其本身回字形的造型，其外表面面积大，自然采光条件非常优越，因此自然采光带来的照明电耗下降也是非常明显，并且随着方案7～方案9，其自然采光得到进一步强化。方案10是方案3、6、9的一个综合，并且由于其塔楼与裙房的高低组合，减小了不同的楼栋之间的遮挡，所以其自然采光对照明节能效果也非常明显，节能量达1.7万kW•h。方案11、12是回字形造型的一种加强，极大的优化了自然采光的条件，因此其自然采光带来的照明能耗下降了在各个方案中最大，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别为20.5万kW•h和20.8万kW•h。
3.4机械通风能耗
1号方案、4号方案和10号方案需要供应机械通风，其机械通风能耗见图13。3.5全年一次能耗从上面的分析可以看出，各个方案各有利弊，体型系数小的方案冬季供暖能耗小，但若体型系数过小，反而会因为需要机械通风而增加能耗，同时，体型复杂围合式的造型会增强夏季建筑自遮阳，降低空调能耗，但又会导致自然采光效果不佳，可能会增加照明能耗。因此，为了保证建筑的总能耗最低，需要权衡判断，将各方案的各项能耗按发电煤耗法折合为一次能耗进行比较，如图14所示。可以发现各方案全年的一次能耗对比，方案5是能耗最低的，这主要是因为5是除了方案1和方案4(体型系数小但需要机械通风)之外体型系数最小的方案。因此其供暖能耗和空调能耗都相对其他方案较低，而照明能耗与其他方案相比，虽然略大，但并不明显，所以造成总体看来全年包括供暖能耗、空调能耗和照明能耗的总一次能耗在12种方案中最低。出于同样的理由，方案6和方案7的能耗次之，也在各方案中处于较低的水平。反过来看方案11和方案12，方案11体型系数并不大，因此其供暖能耗与其他方案相比并不太高，但是由于其外围护结构面积大，增大了夏季太阳辐射得热量，导致空调能耗增大，全年总体的一次能耗比方案5、6要大。而方案12，由于体型系数大，所以冬季供暖能耗明显高出其他方案，同时外墙外窗面积大，造成夏季的空调能耗也高出其他方案，因此其总体的一次能耗在各方案中最大。对于方案10，是方案1～方案9的一次杂烩，整体的体型系数在各方案中居中，虽然由于裙楼部分存在部分内区，需要机械通风，但是能耗并不大，所以总体计算得到的全年一次能耗在各方案中处于居中的水平。
4结论
为了研究不同空间形态和布局对住宅建筑能耗的影响，本研究选取了12种地块，对各类布局下的住宅建筑能耗进行模拟分析，通过能耗比较来分析不同的空间形态对住宅建筑的遮阳、采光和夏季空调、冬季供暖能耗的影响。各个方案各有利弊，体型系数小的方案，如1号、4号，冬季供暖能耗小，但若体型系数过小，反而会因为需要机械通风而增加能耗，如1号和4号均需要机械通风来满足人员新风需求。而另外，体型复杂围合式的造型会增强夏季建筑自遮阳，降低空调能耗，例如8号、9号，但又会导致自然采光效果不佳，可能会增加照明能耗。综合上述结果与分析，可以得出，在北京这种以集中供暖为冬季供暖方式的地区，考虑供暖热源供应效率一致的条件下，其供暖能耗主要与体型系数呈直接相关的关系，体型系数越大，冬季供暖能耗越高，体型系数越小，冬季供暖能耗越小，但是对于住宅建筑，也应该考虑不要形成内区，否则就需要因此配置机械通风，反而会增加供暖能耗，例如方案1、4、10。除了建筑整体的体型系数，也应该考虑适当增加南向房间的比例，有效地利用冬季太阳辐射得热来降低供暖能耗。对于空调能耗，在无外遮阳构件和理想自然通风的情况下，夏季空调能耗也与建筑的体型系数有着强相关，体型系数越大空调能耗也越高。同时，在窗墙比相同的情况下，建筑的空调布局越复杂，建筑的外墙、外窗面积越大，夏季的太阳辐射得热量也越大，相应地也会增加夏季空调能耗，例如方案12。但在实际情况下，建筑空调布局和围护结构对于夏季空调能耗的影响主要在于遮阳和能否有效自然通风。本文的模拟考虑了建筑的自遮阳，例如方案7、8、9和方案11、12由于建筑外形所形成的自遮阳效果，但是并没有体现各方案的不同建筑造型对于夏季自然通风效果的影响，而这是影响夏季空调能耗的一个重要因素，如果想要得到更精确的对于夏季空调能耗的模拟，需要使用计算流体动力学等工具进行自然通风效果的模拟。对于照明能耗，外墙、外窗面积大显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。综合供暖、空调和照明能耗，可以发现:由于供暖能耗占总能耗的比例很大，超过了50%，因此如果仅考虑这三种能耗的加和(不考虑生活热水、设备等能耗)，需要优先供暖能耗低的方案，根据本文的分析结果，体型系数小的方案5其总体能耗也就最低了。
作者：胡姗 燕达 崔莹 单位：清华大学建筑节能研究中心
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