周士筌 林堯林 楊 薇 李 遠 蔡曉娟

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不同建筑形體對能耗影響探析

周士筌1林堯林1楊 薇1李 遠2蔡曉娟2

（1.武漢理工大學土木工程與建筑學院 武漢 430070;2.武漢地產開發(fā)投資集團有限公司 武漢 430070）

不同建筑體形的建筑對于建筑能耗有著重要的影響。選取金字塔形、矩形、圓柱形和穹頂四類建筑，通過對建筑參數進行敏感性分析，研究不同氣候條件下不同建筑形體及建筑參數對建筑能耗的影響。在四類建筑中，金字塔建筑的能耗始終高于其他三類建筑，穹頂建筑的體形優(yōu)勢最明顯。在不考慮窗戶對建筑能耗影響的前提下，哈爾濱地區(qū)的穹頂建筑能耗比矩形建筑低9.91%，北京和武漢地區(qū)則分別為8.6%、7.6%，在溫和地區(qū)體形優(yōu)勢不明顯。

建筑形體；能耗模擬；敏感性分析

0 引言

建筑是由不同的基本元素組合而成，即使相同的建筑材料采用不同的空間組合方式也能構建出不同建筑體形的建筑，比如古埃及的金字塔建筑，古羅馬競技場的圓柱形建筑，梵蒂岡圣彼得大教堂的穹頂，以及現代建筑最常采用的矩形建筑。隨著時代的飛速發(fā)展，建筑能耗在社會總能耗的占比越來越高，建筑師們對于建筑節(jié)能也越來越重視。為了節(jié)約能源和減少溫室氣體的排放，在建筑早期設計階段快速預測建筑能耗并進行建筑節(jié)能的優(yōu)化設計至關重要。影響建筑物最終耗能的因素眾多，與建筑能耗相關的節(jié)能設計策略主要有最大限度降低建筑年能源消耗、最大限度降低建筑CO2排放量以及最大限度提高室內人體熱舒適性。

Marks[1]以建筑成本和供暖費用為目標函數研究了節(jié)能建筑外形的多目標優(yōu)化問題，確定了建筑體積與建筑高度間的最佳尺寸。Depecker等[2]研究了不同建筑體形對于建筑采暖能耗的影響，并選取建筑建筑圍護結構表面積和建筑室內體積的比值作為評價指標。AlAnzi等[3]選取了8種不同建筑體形的建筑，研究它們在建筑能源效率方面的差異，選取的建筑體形包括：矩形、L形、T形、U形、H形、I形、十字交叉形等，上述體形基本上是基于矩形的不同變化而來。Mottahedi等[4]利用多元線性回歸模型來預測不同矩形建筑體形的辦公建筑年度能源消耗量，結果表明建筑體形以及所處地理位置對于建筑能源消耗有著重要的影響，同時在不同氣候區(qū)域，建筑耗能的主要構成也不同。上述文獻主要關注的建筑體形為矩形建筑，因為矩形建筑是目前最為常見的建筑形式，并且對于圓柱、穹頂等非線性建筑結構很難使用數學準確描述并通過優(yōu)化滿足高效節(jié)能的目的，但是更加合理的建筑外表面形狀將更有利于降低建筑能源消耗。Abohelade等在文獻[5]中研究了不同建筑屋面形態(tài)和建筑高度對屋面安裝風力機組能源產量的影響，而穹頂式屋頂具有最佳性能。穹頂結構是基于生物結構中的自然形體優(yōu)化過程，從氣動結構的形式轉變?yōu)榻ㄖ问絒6]。文獻[7-9]研究了穹頂建筑屋頂的太陽輻射，發(fā)現它是穹頂建筑得熱最主要的方式。文獻[10]選取了四棟著名穹頂建筑并與一棟平屋頂對比，結果表明同樣占地面積下，穹頂接收的總太陽輻射高于平屋頂但單位面積的太陽輻射接收量低于平屋頂。對于覆蓋有琉璃瓦的穹頂吸收的太陽輻射低于平屋頂，為建筑提供了被動冷卻，而使用普通白玻璃則能在寒冷地區(qū)降低冬季采暖能耗。

通過合理的設計，選取最佳的建筑外表面形狀從而有效減少建筑能源消耗成為實現建筑高效節(jié)能的一種可行方案，本文將選取金字塔形、矩形、圓柱形和穹頂四類建筑形式，通過對建筑參數進行敏感性分析，研究不同建筑形式下不同建筑參數對建筑能耗的影響。

本文選擇不同氣候區(qū)的5個典型城市作為研究對象，提出適應相應氣候區(qū)的合理建筑體形設計策略，為建筑師提供參考。

1 模型概述

1.1 對象城市選取

《民用建筑熱工設計規(guī)范》將我國劃分成5大主要氣候分區(qū)：嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。本研究在每一氣候分區(qū)選擇一座代表城市作為研究對象，分別為哈爾濱、北京、武漢、廣州和昆明，具體信息見表1。

表1 5座城市基本信息概覽

1.2 數學及物理模型

四類建筑類型見圖1。建筑模型基本參數應當一樣，包括建筑面積、室內可使用建筑空間、采暖及制冷設置等。

圖1 四類建筑模型圖

對于金字塔和方形建筑：

1=×=10m×10m=100m2（1）

對于圓柱和穹頂建筑：

2=2=3.142×5.642=100m2（2）

其中，1和2分別是對應建筑的建筑面積，m2；，分別是建筑物的寬度和進深，取值均為10m；是圓柱和穹頂建筑底面半徑，圓柱建筑和穹頂建筑底面半徑取值均為5.64m。圓柱建筑除此之外，各建筑物的建筑體積也應該相等，其中：

（5）

表2 建筑參數及取值

其中，1、2、3、4分別代表四類建筑的建筑體積，m3，1、2、3、4分別代表四類建筑的建筑高度，m。四類建筑的建筑面積均為100m2，建筑體積360m3。具體參數見表2。

本次研究選擇了對建筑冷熱負荷具有重要影響的參數，分別是圍護結構保溫層厚度，窗戶與建筑外表面的比值，窗戶類型3個變量。建筑外墻采用外保溫技術，依靠保溫材料極低的傳熱系數來提高圍護結構的熱工性能。決定外墻熱工性能優(yōu)劣的主要因素是保溫層的厚度及材料，因此通過改變保溫層厚度來構建不同的外墻構造類型。建筑屋面不僅要求保溫，還需要滿足防水的要求。本文采用傳統(tǒng)屋面構造做法，為正置式保溫屋面。保溫材料采用聚氨酯夾芯保溫板（PU保溫板），保溫系數較XPS板更低，位于防水層下方。窗戶類型為普通玻璃和Low-E玻璃2種，分為單層、雙層和三層3類。建筑變量詳細信息見表3。

表3 敏感性分析各變量名稱及取值變化范圍

續(xù)表3 敏感性分析各變量名稱及取值變化范圍

本文選取了金字塔、矩形、圓柱和穹頂4種在自然界常見的建筑體形，但是金字塔和穹頂建筑的外墻和屋面沒有嚴格的分界線，所以為了能夠更好的比較不同建筑模型間窗戶對建筑能耗的影響，本研究沒用采用常用的窗墻比，而是選取窗戶與外墻表面積的比值（WESR）為研究對象。計算公式如下：

其中，表示窗戶與建筑外表面積比值；S表示窗戶面積，m2；S表示建筑外墻面積，m2；S表示建筑屋面面積，m2。比值取值分別為0，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.40。當值為0時，表示整個模型沒有窗戶。

研究采用仿真軟件Design Builder計算模型冷熱負荷以及建筑能耗，Design Builder是與DOE-2、Energy Plus一脈相承的建筑能耗仿真軟件，基于開放的Energy Plus源代碼，將需要ASCⅡ語言編寫的輸入、輸出文本轉化為可在界面上選擇和輸入的模塊，繼承了DOE-2、Energy Plus模擬計算結果準確性高的特點的同時，界面更加友好，更加符合工程實踐運用[11]。

2 模擬數據分析

基礎建筑模型中外墻保溫層厚度為60mm，屋面保溫層厚度也為60mm，窗戶為雙層中空Low-E玻璃（6mm Low-E+13mm Air），WESR取值為10%，夏季制冷和冬季采暖溫度分別為26℃和18℃，制冷和采暖系統(tǒng)COP取值分別為3.0和2.4。

圖2是四類建筑在不同氣候區(qū)代表城市的建筑能耗變化圖。可以看出，在北方嚴寒地區(qū)穹頂建筑的優(yōu)勢較為明顯，建筑能耗相比最常見的矩形建筑低9.04%；寒冷地區(qū)以及夏熱冬冷地區(qū)穹頂建筑相比矩形建筑，能耗低6.85%；溫和地區(qū)，穹頂建筑優(yōu)勢并不明顯，當基礎建筑采用較厚的保溫層時，能耗反而略高于圓柱形建筑。在所有地區(qū)，金字塔建筑的建筑能耗在四類建筑中最高。縱觀5座城市的建筑能耗變化圖，穹頂建筑在緯度較高的北方嚴寒地區(qū)擁有較高的節(jié)能潛力，而在緯度較低且冬天采暖需求不高的南方地區(qū)體形優(yōu)勢不明顯。

圖2 四類建筑在不同城市的建筑能耗變化圖(WBSR=10%)

圖3是建筑在沒有任何開窗或通風口時，四類建筑的建筑能耗變化圖。當WESR取值為0時，理論上建筑內部的直接太陽輻射得熱為零，由此模擬出的建筑能耗數據能更直接體現出四類建筑體型對于建筑能耗的影響。由上圖可以知道，在嚴寒地區(qū)，穹頂建筑的優(yōu)勢更加明顯，相比矩形建筑能耗降低9.91%。在寒冷地區(qū)，穹頂建筑相比矩形建筑能耗低8.6%；該值在夏熱冬冷地區(qū)降低為7.6%。并且隨著緯度的降低，穹頂建筑的優(yōu)勢越來越小，在溫和地區(qū)四類建筑的建筑能耗差值在5%以內。

圖3 四類建筑在不同城市的建筑能耗變化圖(WESR=0)

3 敏感性分析

為了更好的了解建筑參數對建筑能耗的影響，本文選取了建筑外墻、建筑屋面、窗戶類型以及外窗與建筑表面積比值幾個變量進行敏感性分析。本文選取的變量均為離散型變量，線性取值，一共3組變量，分別為外墻和屋面保溫層厚度、窗戶類型和窗戶與建筑外表面積比值。敏感性分析是檢驗方案的可靠性和穩(wěn)定性常用的方法之一，其中單因素敏感性分析法是保持其中一個因素變動，其他參數值均固定，分析目標函數對單因素變化的敏感性，研究單因素對目標函數影響的規(guī)律。

3.1 圍護結構保溫層厚度對建筑能耗的影響

圖4是哈爾濱、北京、武漢、廣州和昆明地區(qū)，建筑圍護結構保溫層厚度變化對建筑能耗的影響，可以看出不同城市的建筑能耗對保溫層厚度的敏感性不同，哈爾濱和北京對圍護結構保溫層厚度變化最敏感，武漢次之，廣州和昆明最不敏感，并且保溫層厚度在超過臨界值后，再增加厚度反而會導致建筑能耗升高。

圖4 圍護結構保溫層厚度對建筑能耗的影響

在哈爾濱地區(qū)，保溫層厚度每增加10mm，建筑能耗平均降低4.3%。建筑能耗隨著保溫層厚度的逐漸增加而逐漸降低，但是降低趨勢隨著厚度的增加越來越緩慢。保溫層厚度60mm是一個臨界點，當保溫層厚度低于60mm時，建筑能耗對厚度變化的敏感性高于平均水平；當保溫層厚度進一步增大時，建筑能耗的變化趨于緩慢。

在北京地區(qū)，保溫層厚度每增加10mm，建筑能耗平均能降低3.6%，武漢地區(qū)這一數值為3%。北京和武漢地區(qū)建筑能耗隨保溫層厚度的變化規(guī)律和哈爾濱地區(qū)相似，隨著厚度增加建筑能耗逐漸降低，但降低越來越緩慢。

廣州地區(qū)的變化規(guī)律跟哈爾濱、北京和武漢相似，但四類建筑中金字塔建筑的能耗明顯高于其他三類建筑，且保溫層厚度越大差別越明顯；穹頂建筑的能耗也明顯低于其他幾類建筑，相比矩形建筑，能耗平均少8%。

昆明地區(qū)的變化規(guī)律明顯不同于其他城市，不同類型的建筑對保溫層厚度的敏感性各不相同，保溫層厚度在超過臨界值后，繼續(xù)增加厚度會增加建筑能耗。金字塔建筑出現了明顯的極值點，當保溫層厚度在40mm的時候，建筑能耗最低，當保溫層厚度繼續(xù)增加時，建筑能耗逐漸增加。對于其他三類建筑，當保溫層厚度低于80mm時，建筑能耗隨保溫層厚度增加逐漸降低，但當厚度達到50mm時變化很緩慢，之后繼續(xù)增加保溫層厚度將使建筑能耗變大。但是四類建筑間的能耗差別很小，當保溫層厚度低于50mm時，穹頂建筑能耗最低，高于50mm時，圓柱形建筑能耗最低。昆明屬于溫和地區(qū)，一般不考慮夏季隔熱問題，保溫層在夏季會降低室內向室外的傳熱能力，從而提高了室內冷負荷，導致建筑能耗增加，所以地區(qū)圍護結構保溫層厚度不宜過大。

同時對比四類建筑可以看出，不管在哈爾濱、北京、武漢還是廣州地區(qū)，穹頂建筑的建筑能耗始終最低，呈現出金字塔建筑能耗最高，矩形建筑和圓柱形建筑次之的規(guī)律。在溫和地區(qū)除了金字塔建筑以外，其他三類建筑熱工性能表現接近。

3.2 窗戶類型對建筑能耗的影響

本文共選取了6種類型的窗戶，分別為單層（1L）、雙層（2L）和三層（3L）的普通玻璃（NOR）與Low-E玻璃（LOE）。6種玻璃種玻璃厚度均為6mm，中間為13mm空氣間層。圖5為不同地區(qū)窗戶類型對建筑能耗的影響。

圖5 不同地區(qū)窗戶類型對建筑能耗的影響

在哈爾濱和北京地區(qū)，無論增加玻璃層數還是改善玻璃的熱工性能都能顯著降低建筑能耗。對于普通玻璃而言，當玻璃由單層玻璃變?yōu)殡p層玻璃時效果最明顯，金字塔建筑、矩形建筑、圓柱建筑和穹頂建筑的能耗在哈爾濱地區(qū)能分別降低17.07%、15.10%、13.84%和13.55%，北京地區(qū)則為13.17%、11.87%、10.91%和10.73%；繼續(xù)增加至三層玻璃能耗降低幅度僅為之前的50%。如果建筑采用Low-E玻璃，在哈爾濱地區(qū)的四類建筑中雙層玻璃較單層玻璃的建筑能耗低16.69%、12.74%、11.58%和11.41%，北京地區(qū)為13.63%、10.53%、9.51%和9.60%，采用三層玻璃建筑能耗降低幅度有限。可以看出，從單層玻璃變?yōu)殡p層玻璃時，建筑能耗降低最明顯，繼續(xù)增加玻璃層數意義不大，但在同樣玻璃層數的條件下，Low-E玻璃相較于普通玻璃建筑能耗更低，四類建筑的能耗平均可降低6.17%、6.62%、6.13%和5.81%。

武漢地區(qū)增加窗戶層數或使用Low-E玻璃也能有效降低建筑能耗，但武漢地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，必須滿足夏熱防熱的要求并兼顧冬季保溫，不能盲目增加窗戶層數。對比雙層Low-E玻璃和三層普通玻璃可以看出，由于普通玻璃阻隔太陽輻射得熱的能力較差，所以采用三層玻璃的建筑能耗反而高于雙層Low-E玻璃?？梢娢錆h地區(qū)不宜采用三層玻璃。

廣州地區(qū)屬于夏熱冬暖地區(qū)，主要考慮夏季隔熱問題，冬季一般不考慮采暖需求，增加玻璃層數或使用Low-E玻璃都能降低建筑能耗。對于單層普通玻璃而言，采用Low-E玻璃的四類建筑的建筑能耗能分別降低5.90%、4.93%、4.60%和5.15%，只增加玻璃層數時，四類建筑的建筑能耗可分別降低4.21%、3.79%、3.60%和3.84%，由此可見采用Low-E玻璃的效果更加突出，而且雙層Low-E玻璃的建筑能耗低于三層普通玻璃的建筑能耗。

在上述四個地區(qū)，金字塔建筑的建筑能耗始終高于其他三類建筑，而穹頂建筑的建筑能耗始終最低，但隨著玻璃層數的增加并采用Low-E玻璃，四類建筑的能耗差值越來越小。

在昆明地區(qū)，采用Low-E玻璃能更有效的降低建筑能耗。其中金字塔建筑的能耗遠高于其他三類建筑，方形建筑、圓柱建筑和穹頂建筑的建筑能耗很接近，隨著玻璃層數的增加以及Low-E的使用，能耗差值越來越小，最大差值為46kWh，最小值僅為12kWh。

通過上述分析可以看出，在哈爾濱、北京、武漢以及廣州地區(qū)，穹頂建筑的建筑能耗始終低于其他三類建筑，體形優(yōu)勢最為明顯。對于在北方嚴寒及寒冷地區(qū)使用最廣泛的雙層普通玻璃而言，穹頂建筑的建筑能耗在哈爾濱地區(qū)比金字塔建筑低11.79%，比矩形建筑低9.82%；在北京地區(qū)則分別為13.04%、7.15%。而在昆明地區(qū)，矩形、圓柱和穹頂三類建筑的建筑能耗表現很接近，在該地區(qū)建筑體形對于建筑能耗的影響較小。

3.3 窗戶與外表面面積比值對建筑能耗的影響

圖6是不同地區(qū)窗戶與外表面面積比值（WESR）對建筑能耗的影響。在哈爾濱和北京地區(qū)隨著比值的不斷增長，四類建筑的建筑能耗也逐漸增長。其中金字塔建筑的能耗增長速度越來越快，與其他建筑的能耗差值也越大。當WESR值低于30%時，穹頂建筑的能耗最低；當WESR取值高于30%時，穹頂建筑的建筑能耗增長趨勢陡然變大，超過了圓柱建筑，但仍低于金字塔和矩形建筑。

武漢地區(qū)WESR比值對建筑能耗的影響與北京地區(qū)的變化規(guī)律一致。金字塔建筑的建筑能耗始終高于其他三類建筑。當WESR取值在10%到30%時，穹頂建筑的能耗最低，平均比圓柱建筑低3%；當WESR取值高于30%時，穹頂建筑的能耗增長加快；在WESR取值為40%時，穹頂建筑的能耗比圓柱建筑高6.48%，但仍低于矩形建筑。

廣州地區(qū)WESR比值對建筑能耗的影響與北京和武漢地區(qū)的變化規(guī)律極其相似。金字塔建筑的建筑能耗始終最高，其他三類建筑之間的建筑能耗差值較小，建筑體形沒有明顯的優(yōu)劣之分。當WESR比值高于30%時，穹頂建筑的能耗高于圓柱建筑。

昆明地區(qū)屬于溫和地區(qū)，在WESR比值對建筑能耗的影響中，金字塔建筑表現最差，而圓柱建筑表現最好。當WESR比值較低時，三類建筑的能耗很接近；當WESR比值在20%到30%之間時，圓柱建筑的能耗低于矩形和穹頂建筑；當WESR比值高于30%時，穹頂建筑的能耗增加趨勢加快，成為三類建筑中能耗最高的建筑，并且隨著WESR的增加，三類建筑間的能耗差值也越來越大。

圖6 不同地區(qū)窗戶與外表面面積比值對建筑能耗的影響

根據上述分析可知，四類建筑中金字塔建筑的建筑能耗始終高于其他建筑，該建筑體形在同樣條件下并不能有效降低建筑能耗。在北方嚴寒及寒冷地區(qū)，當WESR值低于30%時，穹頂建筑的體形優(yōu)勢比較突出，繼續(xù)增加比值，圓柱建筑表現最好。在武漢和廣州地區(qū)，當WESR比值不超過30%時，穹頂建筑具有體形優(yōu)勢，但優(yōu)勢并不明顯；而WESR比值高于30%時，穹頂建筑失去體形優(yōu)勢，圓柱建筑的能耗最低?？赡艿脑蚴邱讽斀ㄖ拇皯魞A斜，而圓柱建筑的窗戶垂直于地面，導致WESR比值較大時穹頂建筑有效接收太陽輻射的窗戶面積遠大于圓柱建筑，從而使得穹頂建筑能耗高于圓柱建筑。在昆明地區(qū)，建筑能耗較低的是圓柱建筑，在WESR比值較低時，矩形、圓柱和穹頂建筑的建筑能耗很接近；WESR比值較高時，圓柱建筑具有較小的體形優(yōu)勢，當WESR取值為40%時，圓柱建筑的能耗比穹頂建筑低23.20%。

4 小結

本文通過建立金字塔、矩形、圓柱和穹頂建筑四類建筑模型，并結合建筑圍護結構構造、窗戶類型以及窗戶與建筑外表面面積比值分析不同建筑參數對于四類建筑能耗的影響，可以得到以下結論：

金字塔、矩形、圓柱和穹頂四類建筑體形中，金字塔建筑耗能最高，穹頂建筑體形優(yōu)勢最明顯，當WESR比值高于30%時，圓柱建筑耗能最低。

除金字塔建筑以外，其他三類建筑在各氣候分區(qū)均具有較強的適應性。在不考慮窗戶對建筑能耗影響的前提下，哈爾濱地區(qū)的穹頂建筑能耗比矩形建筑低9.91%，北京和武漢地區(qū)則分別為8.6%、7.6%，可以看出穹頂建筑具有較為明顯的體形優(yōu)勢，并且在北方嚴寒及寒冷地區(qū)的體形優(yōu)勢高于南方地區(qū)，但在溫和地區(qū)體形優(yōu)勢不明顯。

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A Study on the Effects of Building Shapes on Energy Consumption

Zhou Shiquan1Lin Yaolin1Yang Wei1Li Yuan2Cai Xiaojuan2

( 1.School of Civil Engineering & Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070；2.Wuhan Real Estate Development Investment Group Co., Ltd, Wuhan, 430070 )

Building shape has an important impact on building energy consumption. In this paper, four different types of buildings, including pyramid, rectangular, cylindrical and dome, are selected. Through sensitivity analysis, the impact of different building envelop design parameters on building energy consumption are analyzed. Among the four types of building, the energy consumption of pyramid-shape building is the highest, and the building energy performance of dome is the best. Without considering the impact of window, the building energy consumption of dome is 9.91%, 8.6% and 7.6% lower than the rectangular building, in Harbin, Beijing and Wuhan, respectively. The energy savings of dome is not obvious in mild weather region.

Building shape; Building simulation; Sensitivity analysis

1671-6612（2017）05-542-09

TU201.5

A

武漢市城鄉(xiāng)建設委員會（武城建[2015]191號）；湖北省自然科學基金（2015CFB510, 2015CFB532）

周士筌（1993.08-），男，在讀研究生，E-mail：396280543@qq.com

林堯林（1976.10-），男，博士，副教授，E-mail：yaolinlin@gmail.com

2016-12-26