建筑设计方案阶段能耗模拟对建筑节能的影响研究

王园媛 俞晓丽

(1.河北工程大学建筑与艺术学院，河北 邯郸 056038；2.聊城市国土资源局东昌府分局，山东 聊城 252000)

建筑设计方案阶段能耗模拟对建筑节能的影响研究

王园媛1俞晓丽2

(1.河北工程大学建筑与艺术学院，河北 邯郸 056038；2.聊城市国土资源局东昌府分局，山东 聊城 252000)

研究了方案阶段建筑朝向和窗墙比对建筑能耗的影响，并以济南市某小区11层小高层为具体实例，对不同朝向、窗墙比的建筑能耗进行了对比分析。

方案阶段，能耗模拟，朝向，窗墙比

0 引言

建筑业是我国国民经济重要支柱产业之一，虽然目前建筑业发展面临产业升级等一系列问题，但据《国家统计年鉴2016》统计，2015年仅我国35个大中城市房屋施工面积为285 765.75万m2，较2014年的283 313.92万m2还有小幅增加。据有关统计，我国近年建成的建筑中97%以上为高能耗建筑，造成能源的低效率利用。

近年来，数字化技术不断发展，在建筑设计中的应用之一表现为软件辅助设计，尤其是在建筑能耗模拟技术中的使用。因建筑自身及其环境的复杂性，无法单单依靠经验来判断一座建筑的耗能，需要通过科学技术手段来评价。相较于传统的分析方法，建筑能耗模拟能在较短时间内模拟出多种因素引起的变化，符合现在的工作模式，更易被从业人员接受并推广。

1 设计初期对节能的意义

建筑从概念提出到建成，需要经历多个阶段，建筑设计阶段分为方案设计、初步设计和施工图设计3个阶段，依次进行，设计的重点从整体逐渐细化到局部，再到细节，设计层次步步深入。方案阶段是设计过程的第一步，确立建筑设计的思路与意图，对设计过程起指导作用。

近年来，为鼓励绿色节能建筑的发展，国家已经出台相应的规范与政策，鼓励奖励在节能上有突出表现的建筑。建筑节能依赖于节能技术的进步，目前，节能的重点一般集中于构造、材料、设备等方面，而作为决定建筑多个重要参数(如体形系数、窗墙比等)的方案阶段却被忽视。目前，许多大型公共建筑在设计过程中就加入了软件模拟，如BIG事务所设计的哈萨克斯坦阿斯塔纳国家图书馆，其建筑造型为不规则形体，为保证室内采光均匀性，开窗设计在方案阶段应用Ecotect对建筑表面采光情况进行分析，根据采光条件的不同设置不同大小的窗洞口，以此达到节能的效果。亦有研究表明，57%的节能技术措施在方案设计阶段确定，在初步设计阶段确定的仅占13%，且随着设计的不断深化能达到的节能效果就越小，后期为达到相同节能所付出的成本也就越高。

但因方案阶段是设计的初期，其最大的特点之一就是不确定性，给模拟带来了不小难度，表现在两个方面；一方面，方案不是一蹴而就，需要不断探讨、修改，修改必将引起建筑参量的变化，因此需要分析的情况就会增多，工作量也随之增大，对模拟的速度就提出了要求；另一方面，方案阶段本就是一个相对来说较为粗化决定建筑参数的阶段，无法为模拟提供准确、详细的参数输入，也就增加了模拟实现的难度。

2 模拟过程

本文主要探讨的是方案设计阶段确定的参数对建筑单体节能的影响，因此不考虑周围建筑物对目标建筑物的影响。方案阶段决定的参数较多，无法一一模拟，因此以最基本的参数:朝向和窗墙比为例，模拟分析能耗结果。模型以济南市某小区11层住宅楼设计方案为例，平面图如图1所示。本次模拟采用软件DeST-h，模拟过程中除影响朝向和窗墙比的因素外，其他均采用软件默认值。住宅能耗中，空调系统的能耗占比较大，特别是在炎热的夏季。本次研究主要对空调系统的能耗及其经济性进行分析。

2.1原始方案的能耗

经模拟，全年最热月为7月，月平均温度26.95 ℃；最冷月为1月，月平均温度-0.44 ℃；总建筑空调面积为1 818.85 m2，全年累计冷负荷51 125.99 kW·h；建筑空调全年运行费用约为27 627.3元，能耗53 682.39 kW·h。

2.2只改变建筑朝向

太阳辐射是对建筑有重要影响的室外因素，建筑的自然采光、得热都来源于阳光，建筑的朝向正是决定建筑物的采光和热辐射的接收的先决条件。此次模拟分四种情况进行：+30°，-60°，+30°，-60°(南偏东为正，南偏西为负)，结果同原始能耗对比。

将建筑逐时能耗的模拟结果进行整理，结果如图2所示。经对比可见，朝向为正南的建筑总能耗最低，朝向为+60°的总能耗最高，-60°时热负荷最大，冷负荷最大出现在+60°时，且朝向改变相同角度对冷负荷的影响大于对热负荷的影响。从建筑经济性来看，±30°时全年空调运行费用相似，相差很小，都相较正南向增加了1 707元。运行费用最高为31 993元，为+60°时，较偏移相同角度不同方向的-60°高940元，增幅为6%；较+30°高2 626.3元，增加了9.5%；较正南向高4 365.8元，增加了15.8%，增幅十分明显。由此可见，建筑朝向对建筑经济性有不可忽视的影响，偏移角度越大增加的能耗越多。在实际工程中，因周围环境的复杂性，建筑可能无法保证正南朝向，因此应在合理范围内选择建筑朝向。

2.3只改变窗墙比

窗墙比是重要的热工参数，合理的窗墙比不仅能为建筑提供舒适的日照、通风，还能将建筑能耗控制在合理范围内。经计算，本建筑窗墙比为17.14%。其中北向窗墙比为16.56%，南向为28.12%，西向为3.88%。模拟分两种情况进行：在满足规范的情况下，南、北向窗墙比同时增大2%，南、北向窗墙比都减少2%，因东、西向开窗面积较小，此次模拟不考虑。

模拟结果如图3所示。可见，南、北向窗墙比都增加2%时，负荷共增加4 036.9 kW，其中热负荷增加533.5 kW，较原始数据增加1%，冷负荷增长了3 503.4 kW，增幅为6.9%，空调费用增加551.8元，占比2.0%；南、北向窗墙比都减少2%时，负荷共减少5 753.82 kW，热负荷减少1 034.32 kW，减少2.1%，冷负荷减少4 724.5 kW，减少9.2%，经济方面节省744.5元，占比2.7%。由此可以得出，窗墙比增加建筑负荷随之增加，窗墙比的减小会减小建筑负荷，且冷负荷改变幅度大于热负荷的变动幅度。因此，如果都能在方案阶段科学合理地把握窗墙比大小，避免盲目追求造型致使高能耗建筑的出现，就可以在以后建筑投入使用时节省更多能源。

3 结语

经过具体模拟分析，很直观的可以看出建筑的朝向、窗墙比对建筑能耗的影响，选择合理的朝向和窗墙有利于建筑节能。实际，在方案阶段决定的参数中对建筑能耗产生影响的还有很多，建筑的整体能耗是一个多因素共同影响的复杂结果。因此，在方案阶段对建筑的能耗进行模拟，可以较为科学的把握建筑在今后使用过程中所产生的能耗量，并在后续深化设计时针对不足之处有针对性的修改，优化完善设计，达到建筑节能的目的。随着对建筑能耗模拟的重视和应用，使模拟软件更易操作，分析结果更清晰，使模拟能真正地对建筑设计起到作用的改进方向。如本次模拟采用的软件DeST，相较于其他模拟软件简便易上手，模拟分析速度快，但绘图方式不易于简单快速绘图。

[1] 国家统计局.中国统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2016.

[2] 中南建筑设计院.建筑工程设计文件编制深度规定[M].北京:中国建筑标准设计研究院,2003.

[3] 余 琼.方案阶段建筑节能参数化设计方法研究[D].北京：清华大学,2011.

Studyontheinfluenceofenergyconsumptionsimulationonbuildingenergyefficiencyinarchitecturaldesignstage

WangYuanyuan1YuXiaoli2

(1.SchoolofArchitectureandArt,HebeiUniversityofEngineering,Handan056038,China；2.DongchangBureauofLandResourcesBureauofLiaocheng,Liaocheng252000,China)

To study the effects of building orientation and window-wall ratio on building energy consumption in scheme phase, and to use a 11 stories resident located in Jinan as an example. Analyzed energy consumption of the building when it with different directions or different window-wall ratios.

scheme phase, energy consumption simulation, building orientation, window-wall ratio

TU201.5

A

1009-6825(2017)26-0189-02

2017-07-06

王园媛(1991- )，女，在读硕士；俞晓丽(1980- )，女，助理工程师