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(shè)低碳社會(huì)亦已成為當(dāng)今世界關(guān)注的焦點(diǎn)。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(chǔ)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(dāng)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相繼頒布與實(shí)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(duì)于建筑節(jié)能起到了很大的促進(jìn)作用。但是，由于我國的起點(diǎn)較低，按照目前的節(jié)能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造的建筑，其采暖能耗水平仍然遠(yuǎn)高于歐洲發(fā)達(dá)國家的新建建筑。

在實(shí)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(dòng)式的設(shè)備技術(shù)來完成，而需求的最小化則完全可以用被動(dòng)式的方法來實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)式節(jié)能措施是指不依賴于建筑設(shè)備，主要通過建筑的場地、空間、形式以及構(gòu)件的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的方式。其附加成本較低，更易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能建筑的推廣和普及。然而目前，被動(dòng)式技術(shù)措施在建筑節(jié)能實(shí)踐中的應(yīng)用雖然已經(jīng)較為廣泛，但尚缺乏對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行量化分析的研究。

大量設(shè)計(jì)和建造實(shí)踐表明，建筑的采暖能耗與建筑朝向、窗墻比以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能有密切的關(guān)系。隨著建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提高和材料技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能提出了越來越高的要求。而圍護(hù)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(duì)建筑能耗的影響效果與以往不同。本文將通過計(jì)算機(jī)軟件模擬測算，探究建筑采暖能耗與圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、建筑朝向和窗墻比這三個(gè)被動(dòng)式節(jié)能因素共同作用的量化關(guān)系，為建筑師在設(shè)計(jì)過程中提供決策參考。

2 計(jì)算模型與計(jì)算軟件

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

為了使研究對(duì)象清晰明了，計(jì)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(duì)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(jìn)深）為3m×3m×6m。根據(jù)計(jì)算軟件的特性，采暖時(shí)間為全年室外月平均氣溫低于20℃的所有時(shí)間。

本研究采用北京市氣候參數(shù)，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取20℃。北京市目前冬季室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)溫度取值20℃，與研究對(duì)象的內(nèi)墻，天花板，地板相鄰的房間溫度也設(shè)定為20℃。對(duì)外通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)定0.7次/h ，其取值符合北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中要求通風(fēng)換氣次數(shù)不低于0.5次/h的標(biāo)準(zhǔn)。

研究中的變量有外墻K值、外窗K值（為簡化計(jì)算，忽略窗框）、建筑朝向、窗墻比。通過對(duì)上述變量的調(diào)整，運(yùn)用計(jì)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(jìn)行分析和研究。

2.2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能取值

不同地區(qū)和不同時(shí)期的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能差別很大；即使是在同一建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)不同的情況也有不同的取值選擇。為了便于計(jì)算與分析，本研究選取了五組較為典型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能取值，這些取值分別參考了德國“被動(dòng)房”案例、英國標(biāo)準(zhǔn)（2002）、北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（北京地區(qū)）以及傳統(tǒng)無保溫建筑案例。由于所選計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)性能取值見表1。

2.3 計(jì)算軟件PHPP簡介

PHPP2007（Passive House Planning Package）被動(dòng)房設(shè)計(jì)程序包是由德國“被動(dòng)房”研究所（Passivhaus Institut）開發(fā)的用以進(jìn)行能耗評(píng)估和輔助設(shè)計(jì)的軟件。該軟件在歐洲“被動(dòng)房”建筑（Passive House）的設(shè)計(jì)過程中被大量運(yùn)用，是目前“被動(dòng)房”建筑認(rèn)證必須采用的計(jì)算工具。

圖1 計(jì)算模型示意

PHPP采用穩(wěn)態(tài)計(jì)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(gè)程序包含計(jì)算建筑構(gòu)件的傳熱系數(shù)、計(jì)算能耗平衡、計(jì)算舒適的通風(fēng)、計(jì)算熱負(fù)荷以及計(jì)算夏季舒適性等多項(xiàng)工具,每個(gè)工具由一個(gè)或多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的EXCEL工作表組成。本研究主要采用熱負(fù)荷計(jì)算功能,以年度累計(jì)熱負(fù)荷［Annual Specific Space Heat Demand，單位：KWh /(m2·a)］作為采暖能耗的衡量指 標(biāo)。

計(jì)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(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，計(jì)算并分析了兩組被動(dòng)式節(jié)能因素（圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑朝向的共同作用、圍護(hù)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(hù)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(shí)驗(yàn)一:采用前文中的設(shè)定參數(shù)，保持窗墻比0.4不變,通過改變外圍護(hù)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(duì)值變化曲線圖。從其中采暖能耗絕對(duì)值的變化可以看出，各種外圍護(hù)條件下不同朝向能耗變化曲線基本平行，隨著外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能提高，各朝向的能耗絕對(duì)值下降基本一致。例如，隨著外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能由K值（墻/窗）從1.8/6提高為0.1/1時(shí)，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(hù)結(jié)構(gòu)性能取值

表2 房間在不同外圍護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)性能和不同窗墻比的采暖能耗計(jì)算結(jié)果

圖3 各向采暖能耗絕對(duì)值變化曲線

圖4 各向采暖能耗相對(duì)值變化曲線

從圖4能耗相對(duì)值變化可以看出，隨著外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的提高，各朝向采暖能耗相對(duì)值差異變大。例如，采用傳統(tǒng)無保溫做法外圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，南向房間采暖能耗是北向的80%，而當(dāng)采用德國被動(dòng)房案例外圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，這一相對(duì)值下降到45%。因此在圍護(hù)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(shí)驗(yàn)二：首先，采用前文設(shè)定的計(jì)算模型，選擇德國被動(dòng)房案例的圍護(hù)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?yàn)楸毕颍覂?nèi)設(shè)計(jì)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(gè)朝向時(shí)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(dá)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(shí)優(yōu)化朝向，對(duì)節(jié)能效果的貢獻(xiàn)重大。將采暖標(biāo)準(zhǔn)低和無需采暖的空間布置在北向等不利朝向，將采暖標(biāo)準(zhǔn)高的房間布置在南向等有利朝向，這一設(shè)計(jì)策略在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能大幅度提高的情況下，對(duì)于降低建筑采暖能耗具有非常積極的意義。

4 圍護(hù)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(shí)驗(yàn)三：采用前文設(shè)定的計(jì)算模型，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能和窗墻比設(shè)為變量，計(jì)算和分析不同建筑朝向情況下的采暖能耗，計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)性能取值時(shí)，各朝向能耗隨窗墻比的變化圖。從圖6可以看出，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能取值參考傳統(tǒng)無保溫建筑做法時(shí)，其性能較差，各個(gè)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(dāng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能達(dá)到北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的取值時(shí)，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(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能提高到德國被動(dòng)房案例取值時(shí)，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(shí)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)各朝向能耗隨窗墻比變化

圖8 取值參考德國被動(dòng)房案例時(shí)各朝向能耗隨窗墻比變化

隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能提高到一定值以后，西南、南、東南三個(gè)方向隨著窗墻比的增加，房間采暖能耗絕對(duì)值和相對(duì)值（以窗墻比0.2時(shí)能耗為標(biāo)準(zhǔn)值，其他情況窗墻比能耗值用百分?jǐn)?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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外圍護(hù)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(dāng)采用參考德國被動(dòng)房案例外圍護(hù)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(duì)建筑能耗的影響有兩方面：有利的一面是增加太陽輻射進(jìn)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(dāng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能提高到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(duì)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(dòng)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(shí)長、窗墻比以及功能空間安排等空間形體因素會(huì)影響到建筑對(duì)采暖的需求。根據(jù)以上的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在北京地區(qū)進(jìn)行節(jié)能建筑設(shè)計(jì)時(shí)，可以參考以下結(jié)論：

結(jié)論1：隨著建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的不斷提高，不同朝向房間的采暖能耗相對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)性能的不斷提高，窗墻比的增大對(duì)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(dāng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能顯著提高以后，在進(jìn)行建筑形體和平面布局的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(shí)，應(yīng)該根據(jù)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、朝向等實(shí)際情況設(shè)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(xué)報(bào)，2007(12).

[2] 曹越.解讀北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[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.