采暖建筑的被动式设计节能效果测算研究

周正楠 刘小彪 / ZHOU Zhengnan,LIU Xiaobiao

1 背景

“节能减排”早已是我们的国家发展战略；而减少温室气体排放，建设低碳社会亦已成为当今世界关注的焦点。无论是减少不可再生能源的消耗，还是降低碳排放，节能是基础也是关键。我国北方地区在冬季需要全面采暖，研究表明，当前北方建筑采暖能耗占我国城镇建筑总能耗的近40%，是建筑能耗最主要的部分。近年来，若干相关节能建筑设计标准相继颁布与实施，其中最主要的内容均与降低建筑采暖能耗直接相关，这对于建筑节能起到了很大的促进作用。但是，由于我国的起点较低，按照目前的节能建筑设计标准建造的建筑，其采暖能耗水平仍然远高于欧洲发达国家的新建建筑。

在实现节能建筑的技术策略中，总的来讲可以分为两大部分：一部分是能源需求最小化技术策略，另一部分是能源供给最优化技术策略。供给的最优化往往通过主动式的设备技术来完成，而需求的最小化则完全可以用被动式的方法来实现。被动式节能措施是指不依赖于建筑设备，主要通过建筑的场地、空间、形式以及构件的设计来实现建筑节能的方式。其附加成本较低，更易于实现节能建筑的推广和普及。然而目前，被动式技术措施在建筑节能实践中的应用虽然已经较为广泛，但尚缺乏对其节能效果进行量化分析的研究。

大量设计和建造实践表明，建筑的采暖能耗与建筑朝向、窗墙比以及围护结构性能有密切的关系。随着建筑节能标准的提高和材料技术的发展，人们对建筑围护结构的性能提出了越来越高的要求。而围护结构性能的不断提高，也使得建筑朝向、窗墙比等因素对建筑能耗的影响效果与以往不同。本文将通过计算机软件模拟测算，探究建筑采暖能耗与围护结构性能、建筑朝向和窗墙比这三个被动式节能因素共同作用的量化关系，为建筑师在设计过程中提供决策参考。

2 计算模型与计算软件

2.1 计算模型及参数

为了使研究对象清晰明了，计算模型简单易于操作，本研究截取一栋多层宿舍楼中的一间宿舍作为研究对象（如图1黄色部分所示）。房间使用人数为4人，全天使用。房间室内尺寸（面宽×高×进深）为3m×3m×6m。根据计算软件的特性，采暖时间为全年室外月平均气温低于20℃的所有时间。

本研究采用北京市气候参数，室内设计温度取20℃。北京市目前冬季室内采暖设计温度为18℃，但调查研究结果表明20℃是人在冬季感觉较舒适的室内温度，故本文中室内采暖设计温度取值20℃，与研究对象的内墙，天花板，地板相邻的房间温度也设定为20℃。对外通风换气次数设定0.7次/h ，其取值符合北京市居住建筑节能设计标准中要求通风换气次数不低于0.5次/h的标准。

研究中的变量有外墙K值、外窗K值（为简化计算，忽略窗框）、建筑朝向、窗墙比。通过对上述变量的调整，运用计算软件测算得出不同情况下的采暖能耗值，并根据这些能耗数据进行分析和研究。

2.2 外围护结构性能取值

不同地区和不同时期的建筑外围护结构性能差别很大；即使是在同一建筑节能设计标准中，根据不同的情况也有不同的取值选择。为了便于计算与分析，本研究选取了五组较为典型的围护结构性能取值，这些取值分别参考了德国“被动房”案例、英国标准（2002）、北京市居住建筑节能设计标准、民用建筑节能设计标准（北京地区）以及传统无保温建筑案例。由于所选计算模型位于建筑中间楼层的中间位置，所以只和外墙与外窗的传热系数K值相关，不涉及屋面的性能。外围护结构性能取值见表1。

2.3 计算软件PHPP简介

PHPP2007（Passive House Planning Package）被动房设计程序包是由德国“被动房”研究所（Passivhaus Institut）开发的用以进行能耗评估和辅助设计的软件。该软件在欧洲“被动房”建筑（Passive House）的设计过程中被大量运用，是目前“被动房”建筑认证必须采用的计算工具。

图1 计算模型示意

PHPP采用稳态计算方法，其气候参数按月平均数取值，所需欧洲地区和城市的气候参数可以从下拉菜单中选择。整个程序包含计算建筑构件的传热系数、计算能耗平衡、计算舒适的通风、计算热负荷以及计算夏季舒适性等多项工具,每个工具由一个或多个相互关联的EXCEL工作表组成。本研究主要采用热负荷计算功能,以年度累计热负荷［Annual Specific Space Heat Demand，单位：KWh /(m²·a)］作为采暖能耗的衡量指 标。

计算结构和输出如图2所示，图中虚线框表示需要操作者输入的数值条件。

本研究通过利用PHPP软件进行模拟实验，计算并分析了两组被动式节能因素（围护结构和建筑朝向的共同作用、围护结构和窗墙比的共同作用）与采暖能耗的关系。

3 围护结构和建筑朝向的共同作用与采暖能耗的关系

模拟实验一:采用前文中的设定参数，保持窗墙比0.4不变,通过改变外围护结构性能和建筑朝向，模拟所得不同情况下房间采暖能耗值见表2。

图3是根据表2所绘制的不同朝向房间采暖能耗绝对值变化曲线图。从其中采暖能耗绝对值的变化可以看出，各种外围护条件下不同朝向能耗变化曲线基本平行，随着外围护结构性能提高，各朝向的能耗绝对值下降基本一致。例如，随着外围护结构性能由K值（墙/窗）从1.8/6提高为0.1/1时，北向房间能耗由140 KWh/(m²·a)下降到42 KWh/(m²·a)，下降了98 KWh/(m²·a)，南向房间能耗下降也是 98 KWh/(m²·a)。

表1 外围护结构性能取值

表2 房间在不同外围护结构性能下各朝向采暖能耗

图2 PHPP程序包结构

表3 各朝向不同围护结构性能和不同窗墙比的采暖能耗计算结果

图3 各向采暖能耗绝对值变化曲线

图4 各向采暖能耗相对值变化曲线

从图4能耗相对值变化可以看出，随着外围护结构性能的提高，各朝向采暖能耗相对值差异变大。例如，采用传统无保温做法外围护结构时，南向房间采暖能耗是北向的80%，而当采用德国被动房案例外围护结构时，这一相对值下降到45%。因此在围护结构性能提高的情况下，让需要采暖的房间争取更多的南朝向，降低能耗的效果更显著，注重建筑的朝向也更有意义。

图5 相同能耗不同朝向的房间温度

模拟实验二：首先，采用前文设定的计算模型，选择德国被动房案例的围护结构性能取值，窗墙的K值分别为1 W/(m²·k)和 0.1 W/(m²·k)，窗墙比1：3，房间朝向为北向，室内设计温度为20摄氏度，得出采暖能耗为16KWh /(m²·a)。然后，保持采暖能耗16KWh /(m²·a)不变，改变房间的朝向，得出其余7个朝向时房间温度。可以发现，相同采暖能耗情况下朝向不同的房间温差最大可达6℃，最高为西南和东南朝向，最低为北向（图5）。朝向对采暖效果影响显著，在场地规划和建筑平面布置时优化朝向，对节能效果的贡献重大。将采暖标准低和无需采暖的空间布置在北向等不利朝向，将采暖标准高的房间布置在南向等有利朝向，这一设计策略在外围护结构性能大幅度提高的情况下，对于降低建筑采暖能耗具有非常积极的意义。

4 围护结构和窗墙比的共同作用与采暖能耗的关系

模拟实验三：采用前文设定的计算模型，将围护结构性能和窗墙比设为变量，计算和分析不同建筑朝向情况下的采暖能耗，计算结果如表3所示。

图6～图8是根据表3的数据所绘制的不同围护结构性能取值时，各朝向能耗随窗墙比的变化图。从图6可以看出，当围护结构性能取值参考传统无保温建筑做法时，其性能较差，各个朝向的采暖能耗都随着窗墙比增大而增大。从图7可以看出，当外围护结构性能达到北京市居住建筑节能设计标准的取值时，东南向和西南向房间的窗墙比越大，采暖能耗越低；其他朝向房间采暖能耗仍然随着窗墙比的增大而增加。从图8可以看出，当围护结构性能提高到德国被动房案例取值时，东向、南向、东南向和西南向的房间，随着窗墙比的增加，采暖能耗降低。

图6 取值参考传统无保温做法时各朝向能耗随窗墙比变化

图7 取值参考北京市居住建筑节能设计标准时各朝向能耗随窗墙比变化

图8 取值参考德国被动房案例时各朝向能耗随窗墙比变化

随着围护结构性能提高到一定值以后，西南、南、东南三个方向随着窗墙比的增加，房间采暖能耗绝对值和相对值（以窗墙比0.2时能耗为标准值，其他情况窗墙比能耗值用百分数表示）的降低率增大。如表3西南朝向SW表格中黄色部分显示：采用参考北京市居住建筑节能设计标准外围护结构性能取值情况下，随着窗墙比由0.2变化到0.6，房间采暖能耗由47KWh/(m²·a)下降到41KWh/(m²·a),能耗下降了6KWh/(m²·a)，下降率为13%；当采用参考德国被动房案例外围护结构性能取值情况下，窗墙比发生相同的变化，房间能耗由22KWh/(m²·a)下降到 10KWh/(m²·a),能耗下降了 12KWh/(m²·a)，下降率为55%。

出现上述情况的原因是，建筑窗墙比增大对建筑能耗的影响有两方面：有利的一面是增加太阳辐射进入室内以提高室内温度；不利的一面是由于外窗较大的传热系数通过窗户也向室外较快散失热量。当外围护结构的性能提高到一定标准时，房间的得热蓄热能力超过外窗散失热量的能力，南向房间的采暖能耗就出现随着窗墙比增大而降低的情况。本研究通过模拟测算，得出了相关的能耗数据，并分析出其变化的定量规律。

5 结论

建筑自身的空间形体特征对于冬季采暖能耗有较大影响，有利于节能的建筑空间形体优化是被动式技术体系的首要环节。建筑的体形系数、外表面日照时长、窗墙比以及功能空间安排等空间形体因素会影响到建筑对采暖的需求。根据以上的模拟实验结果，在北京地区进行节能建筑设计时，可以参考以下结论：

结论1：随着建筑外围护结构性能的不断提高，不同朝向房间的采暖能耗相对差值逐渐变大，改变房间朝向对采暖能耗的影响变得更显著。

结论2：随着建筑外围护结构性能的不断提高，窗墙比的增大对南向（南、东南、西南）房间的采暖能耗影响由不利逐渐转变为有利，并且有利程度越来越高。

综上所述，当建筑围护结构性能显著提高以后，在进行建筑形体和平面布局的设计时，应当使建筑功能空间安排尽量利用朝南等有利的朝向，避免朝北等不利朝向，同时，应该根据外围护结构性能、朝向等实际情况设置合理的窗墙比，从而大幅度降低建筑采暖能耗。

[1] 江亿.建筑节能与生活模式[J].建筑学报，2007(12).

[2] 曹越.解读北京市居住建筑节能设计标准[J].墙材革新与建筑节能,2004(7).

[3] Wolfgang Feist.PHPP2007 Requirements for Quality Approved Passive Houses[M].Darmstadt：Passive House Institute,2009.