能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)方法

　　【學(xué)員問題】能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)方法？

　　【解答】一、前言

　　為了維持室內(nèi)舒適的光環(huán)境和熱濕環(huán)境，建筑要消耗大量的能量用于照明、采暖和空調(diào)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家建筑能耗在總能耗中所占比例很大，約40%，中國(guó)目前的建筑能耗約占總能耗的23%左右，預(yù)計(jì)到2010年將提高到35%左右。建筑工業(yè)中越來越重視可持續(xù)建筑的發(fā)展，因此能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)（EnergyEfficientStrategicDeSignH}常重要，它將是可持續(xù)發(fā)展建筑設(shè)計(jì)的重要手段。

　　所謂能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)就是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，通過建筑設(shè)計(jì)及技術(shù)手段，充分利用自然資源，減少對(duì)有機(jī)能源的依賴，達(dá)到舒適的室內(nèi)環(huán)境。目前，中國(guó)的建筑設(shè)計(jì)更多的是側(cè)重于建筑的外觀和功能，而忽視建筑的能效性，即忽略了在建筑設(shè)計(jì)的初始階段，進(jìn)行建筑能效規(guī)劃設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案選擇。根據(jù)調(diào)查分析，能效設(shè)計(jì)概念難以在實(shí)踐中實(shí)施的原因是多方面的，其中主要原因之一是缺乏能為建筑設(shè)計(jì)師所接受和使用的，在建筑設(shè)計(jì)初始階段進(jìn)行的能效設(shè)計(jì)規(guī)劃計(jì)算方法和計(jì)算軟件。本文介紹英國(guó)劍橋大學(xué)建筑系馬丁建筑與城市研究中心開發(fā)的一種為建筑師規(guī)劃設(shè)計(jì)所提供的照明及熱能計(jì)算方法（LT方法，LightingandThermal），該方法在英國(guó)建筑能效規(guī)劃設(shè)計(jì)中運(yùn)用廣泛，已有十幾年的歷史，特別適用于能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)。

　　二、能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)原理

　　1.被動(dòng)式建筑概念（PaSSiVeBLlikling）具體地講，被動(dòng)式建筑就是通過建筑設(shè)計(jì)，使建筑冬季充分利用太陽輻射熱取暖，盡量減少通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)及通風(fēng)滲透而造成的熱損失；夏季盡量減少因太陽輻射及室內(nèi)人員、設(shè)備散熱造成的得熱量。從被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)概念出發(fā)，我們可以將整個(gè)建筑劃分成被動(dòng)區(qū)和非被動(dòng)區(qū)（PassiveZoneandNon—passiveZone）。被動(dòng)區(qū)受室外氣候參數(shù)及周圍建筑環(huán)境的直接影響，如太陽輻射，照明，自然通風(fēng)、周圍建筑的遮擋等，被動(dòng)區(qū)進(jìn)深一般為建筑層高的2倍。而非被動(dòng)區(qū)可以認(rèn)為不受外霽氣候參數(shù)的影響，它只受室內(nèi)人員設(shè)備散熱的影響，該區(qū)白天也需要照明。LT方法就是基于這一原理，對(duì)各區(qū)建立能量方程，計(jì)算為維持室內(nèi)要求的光、熱、濕環(huán)境要求所消耗的能量。關(guān)于該方法數(shù)學(xué)模型的建立不在此文討論，本文側(cè)重于該方法的應(yīng)用。

　　與目前普遍使用的建筑熱模擬工具不同之處在于，LT方法簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，抓住建筑設(shè)計(jì)中主要矛盾展開研究，因而所需輸入的數(shù)據(jù)限制在極小范圍（在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)中，詳細(xì)建筑信息也無法獲得），這樣便于方案比較，使用靈活簡(jiǎn)便。當(dāng)然，在建筑設(shè)計(jì)完成后，要對(duì)建筑作進(jìn)一步細(xì)致的熱過程分析及設(shè)備選擇等工程設(shè)計(jì)時(shí)，該方法的功能受到限制。

　　2.建筑設(shè)計(jì)參數(shù)能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)的目的就是通過對(duì)建筑參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到既節(jié)能又滿足室內(nèi)熱環(huán)境的目的。建筑設(shè)計(jì)參數(shù)包括4）：

　　（1）建筑參數(shù)地點(diǎn)：建筑地點(diǎn)的輸入是為了確定其氣象數(shù)據(jù)。逐小時(shí)的氣溫、太陽輻射值已集成在軟件中，隨著地點(diǎn)的確定，氣象數(shù)據(jù)即自動(dòng)輸入到程序中；建筑尺寸：該參數(shù)可直接從屏幕中圖象輸入；建筑方位：在屏幕中圖象輸入的同時(shí)方位即被確定；建筑結(jié)構(gòu)類型：該項(xiàng)參數(shù)分為三類，即重型、中型、輕型；建筑功能：建筑功能分為學(xué)校、辦公室、住宅等，一旦建筑功能確定，作息時(shí)間即確定，這是影響建筑能耗的因素之一。

　　（2）設(shè)備參數(shù)供熱效率：指鍋爐的熱效率；制冷效率：指制冷設(shè)備效率；室內(nèi)散熱：包括人體和設(shè)備散熱；冬季換氣次數(shù)：為健康要求所需的最低新鮮空氣需求量；夏季通風(fēng)方法：大風(fēng)量自然通風(fēng)/小風(fēng)量自然通風(fēng)/夜間通風(fēng)。

　?。?）照明參數(shù)設(shè)計(jì)照度：根據(jù)房間的使用功能輸入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

　?。?）圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)屋頂傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、窗戶傳熱系數(shù)：按設(shè)計(jì)的要求輸入數(shù)據(jù)。

　?。?）熱工參數(shù)冬季采暖設(shè)置溫度、夏季空調(diào)設(shè)置溫度：按設(shè)計(jì)的要求輸入數(shù)據(jù)；夏季過熱溫度設(shè)置：根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颍ㄖδ茉O(shè)置。

　　熱能方程及照度計(jì)算所要求的其它一些參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求集成在計(jì)算軟件中，大大簡(jiǎn)化了軟件的使用過程。設(shè)計(jì)人員可對(duì)主要設(shè)計(jì)參數(shù)加以改變，分析由此而引起的建筑能耗的改變，計(jì)算機(jī)可對(duì)所設(shè)計(jì)的不同參數(shù)的建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全年能耗比較，建筑師可通過對(duì)不同方案的比較，優(yōu)化出最佳方案。

　　3.應(yīng)用舉例為了便于解釋，我們舉一案例加以說明。所計(jì)算的建筑為位于英國(guó)南部地區(qū)的辦公樓建筑，建筑使用時(shí)間為上午9：00到下午6：00，建筑結(jié)構(gòu)為中型，鍋爐的效率系數(shù)為O.85，制冷效率為2.5，室內(nèi)人員及計(jì)算機(jī)設(shè)備散熱為15W/㎡，冬季換氣次數(shù)為每小時(shí)1次，室內(nèi)照度要求為300lux，屋頂、外墻、地面及窗戶的傳熱系數(shù)分別為0.25W/㎡.K、O.45W/㎡·K、O.45W/㎡.K、2.9W/㎡·K.冬季采暖設(shè)置溫度為19℃，夏季空調(diào)設(shè)置溫度21℃，夏季過熱設(shè)置溫度為23℃。

　　（1）窗墻比（GlazingRatio）窗墻比定義為窗戶面積與該外圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積之比。LT計(jì)算軟件可根據(jù)所輸入的建筑信息運(yùn)行生成不同方位的被動(dòng)區(qū)窗墻比與能耗的關(guān)系曲線。注意，這里的能耗是指原能，又稱基本能量（PrimaryEnergy），包括能源在生產(chǎn)及輸送過程中的損失。

　　為該案例各朝向單位面積終端能量消耗量與窗墻比的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，照明所消耗的能量（黑虛線）會(huì)因增大窗墻比而減小，當(dāng)窗墻比面積小于35%時(shí)，這種變化非常顯著，即增大窗戶面積有利于自然采光，減少照明用電能耗，但窗墻比大于40%時(shí)，天然采光對(duì)減少照明用電能耗并沒有太大的優(yōu)勢(shì)。

　　供熱所消耗的能量（黑色細(xì)線）除北向外，隨著窗墻比的增加，采暖能耗稍有所下降，這是因?yàn)槌浞值乩昧颂栞椛錈帷?/p>

　　而對(duì)于北區(qū)，由于增大窗戶面積而增加了導(dǎo)熱傳熱，又沒有太陽輻射熱補(bǔ)償，因此采暖能耗會(huì)因窗戶面積增加而增加。對(duì)于空調(diào)能耗來說，則相反，由于增大窗墻比，南面及東西面受太陽輻射的影響，空調(diào)能耗（灰線）會(huì)急劇增加。相比之下，北面空調(diào)能耗增加幅度小一些。圖中黑粗線為照明、采暖及空調(diào)的總能量曲線，表示了這一案例條件下，各朝向的最佳窗墻比。

　　可以看出，南向最佳窗墻比約30%左右，東西向25%～30%，北向30%～40%左右。

　　（2）建筑保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)如外墻、屋頂及窗戶的保溫性能，可通過U值反應(yīng)出來，U值是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。通過改變U值，可以比較各能量分配中的變化。

　　為不同的U值對(duì)單位面積建筑能耗的影響。本文列舉了U值分別為0.45（英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)），0.82（中國(guó)新標(biāo)準(zhǔn)）及1.7（中國(guó)原規(guī)定）值進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。從圖中可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對(duì)建筑能耗影響較大。增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能，會(huì)大大減少建筑總能耗。

　?。?）通風(fēng)自然通風(fēng)及夜間通風(fēng)是一種排除室內(nèi)散熱，降低室內(nèi)溫度，提高熱舒適性的有效方法。對(duì)于所設(shè)計(jì)的建筑方案是否采用自然通風(fēng)作為降溫方法，也可以通過方案比較，作出選擇。為該案例舒適溫度設(shè)置為23℃時(shí)，通風(fēng)方案對(duì)室內(nèi)舒適度的影響。

　　這里引用了“過熱天數(shù)”指標(biāo)，如果一天中有連續(xù)2小時(shí)超過所設(shè)舒適溫度，則稱該天為過熱天。圖中灰條線為小風(fēng)量通風(fēng)方案，白條線為大風(fēng)量通風(fēng)方案，黑條線為夜間通風(fēng)方案，它們分別表示了各方案夏季“過熱天數(shù)”（0VerheatingDays），建筑師可以應(yīng)用這一指標(biāo)，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)自然通風(fēng)方案的選擇進(jìn)行分析和決策。

　　影響能效建筑設(shè)計(jì)優(yōu)劣的因素之間也相互影響，如增大窗戶面積，有利于充分利用自然光照明，減少用電照明的能耗，冬季南向窗戶有利于接收太陽輻射熱以減少采暖負(fù)荷，但過多增大窗戶面積也會(huì)造成夏季不利的太陽輻射熱，進(jìn)而增加空調(diào)負(fù)荷。

　　在照明能耗，供熱能耗與空調(diào)能耗的之間存在著平衡點(diǎn)，如何全面地考慮這些因素，使建筑設(shè)計(jì)達(dá)到能效的目的，這就需要對(duì)建筑設(shè)計(jì)的不同方案從能效角度進(jìn)行方案比較。本文介紹的能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)方法——LT方法就是根據(jù)這一要求而發(fā)展的能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)輔助工具，它已編制成用戶界面，使用靈活方便。多種方案的全年能耗運(yùn)行結(jié)果以圖像形式呈現(xiàn)在屏幕上，便于比較和決策之用。

　　三、能效建筑區(qū)域規(guī)劃

　　建筑能耗不僅受單體建筑自身參數(shù)，如建筑布局、方位、位置等的影響，而且受周邊建筑及環(huán)境的影響勖。例如，對(duì)于一個(gè)建筑，街對(duì)面的建筑（又稱遮擋物建筑Ob—StructionBunding）高度，與該建筑的距離及其建筑材料會(huì)影響此建筑的照明、采暖和空調(diào)能耗。因此，能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)該既考慮單體建筑的能效設(shè)計(jì)又綜合考慮總體建筑規(guī)劃。為了便于分析，我們采用城市高度角（UHA）及遮擋建筑視角（OSV），這兩個(gè)概念見圖5所示。室內(nèi)的自然采光及太陽輻射量，受這兩個(gè)參數(shù)的影響，直接影響到照明、采暖和空調(diào)能耗。因此，如何實(shí)現(xiàn)合理的城市布局及總體規(guī)劃，對(duì)建筑節(jié)能也具有重要意義。

　　1.計(jì)算方法結(jié)合LT方法對(duì)整個(gè)城市或小區(qū)進(jìn)行建筑能耗設(shè)計(jì)規(guī)劃，劍橋大學(xué)馬丁建筑研究中心開發(fā)了LT—urban程序，它是根據(jù)城市建筑群布局，采用Matlab圖像處理技術(shù)，獲取LT能量計(jì)算所需要的朝向、方位、城市高度角等參數(shù)，再將LT所計(jì)算的建筑能耗（照明、采暖空調(diào)能耗）反應(yīng)在建筑規(guī)劃圖中。建筑師不必掌握Matlab圖像處理技術(shù)，僅需在CAD軟件中用不同顏色對(duì)不同高度的建筑加以區(qū)別，并以JPG文件格式輸出。LT—urban將自動(dòng)把建筑群圖形轉(zhuǎn)換成黑白灰度數(shù)字高度模型（DigitalEleva—tionModel—DEM）。該模型在Matlab上運(yùn)行，可產(chǎn)生能量計(jì)算所需要的參數(shù)，如被動(dòng)區(qū)、非被動(dòng)區(qū)、朝向、城市高度角等，并能計(jì)算出對(duì)應(yīng)參數(shù)的城市建筑規(guī)劃能量圖，為建筑師進(jìn)行能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

　　2.應(yīng)用舉例本文以馬丁建筑研究中心受歐盟資助的項(xiàng)目“溫室氣體零排放城市發(fā)展——能量、建筑、人及微氣候”為例，說明能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)方法在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

　?。?）城市數(shù)字高度模型（DEM）建筑區(qū)域規(guī)劃圖經(jīng)CAD賦色處理后以JPG形式輸出，Matlab程序則自動(dòng)將此圖形轉(zhuǎn)化成能分辨出建筑高度的平面圖，即城市數(shù)字高度模型。為英國(guó)倫敦、法國(guó)的圖盧茲、德國(guó)的柏林的市區(qū)400×400的城市數(shù)字高度模型圖。該圖形為下一步的建筑方位，城市高度角、障礙物視角、被動(dòng)區(qū)與非被動(dòng)區(qū)等參數(shù)的計(jì)算提供基本參數(shù)。

　?。?）城市建筑參數(shù)圖城市數(shù)字高度模型圖輸入Matlab程序后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成所要求的各建筑參數(shù)圖。圖7為倫敦6m高處建筑參數(shù)圖，它們分別表示被動(dòng)區(qū)、非被動(dòng)區(qū)；朝向、視角；UHA和0SV.

　?。?）城市建筑能量分布圖Matlab程序確認(rèn)所需建筑參數(shù)后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成該區(qū)域全年能耗圖。為英國(guó)倫敦的城市全年總能耗分布圖。

　　對(duì)新建小區(qū)，建筑師可對(duì)不同的建筑布局進(jìn)行能量比較，直觀的區(qū)域建筑能量規(guī)劃圖像顯示便于幫助建筑師對(duì)整個(gè)區(qū)域的能效建筑設(shè)計(jì)作出合理規(guī)劃。

　　四、結(jié)語

　　本文的目的在于提高建筑師的環(huán)境設(shè)計(jì)意識(shí)，作者介紹了英國(guó)劍橋大學(xué)馬丁建筑城市研究中心開發(fā)的為建筑師所用的能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)方法——LT方法。該方法所需輸入的建筑基本參數(shù)少，便于對(duì)影響建筑能耗的建筑參數(shù)進(jìn)行方案選擇比較，使用靈活、省時(shí)。LT方法與Matlab圖像處理技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上開發(fā)的LT—Ur—ban程序，是一種用于城市區(qū)域能效建筑規(guī)劃的方法。該方法為建筑師的能效建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了有力工具。