建筑空間對能耗的影響探究

張巧玲 劉崇

摘 要：簡立簡化模型，使用控制變量法，在Ecotect里模擬了戶型不同平面形狀、不同建筑高度對能耗的影響，得出了定性的研究結論。對建筑節能設計有一定的指導作用。

關鍵詞：體型系數；平面形狀；建筑高度；能耗

0引言

隨著世界人口膨脹，能源資源緊缺是普遍的社會問題，如何節約能源是眾多行業發展的目標。在建筑行業中，我國的既有建筑中95%以上為高能耗建筑，單位面積采暖能耗相當于氣候條件相近發達國家的2-3倍。能源的合理利用對我國來說是一大艱巨任務。

傳統的建筑設計重視建筑造型和藝術性，但在建筑設計過程中，不同的建筑平面、高度、造型會對能耗產生很大影響，本文探究了不同的建筑空間對能耗的影響。

1.熱環境定義

建筑室內熱環境的舒適要求是人對建筑環境最基本的需求之一。熱環境包括了室內空氣的溫度、濕度、氣流速度和平均輻射溫度。而這些因素會受到建筑空間設計的影響。從熱環境的角度設計建筑空間、建筑造型，對于改善居住環境具有重要價值。[1]

中國建筑熱工分區把我國分成五個氣候區，青島屬于寒冷地區，寒冷地區是指我國最冷月平均溫度滿足-10℃～0℃，日平均溫度≤5℃的天數為90～145天的地區。建筑物應滿足冬季防寒、保溫、防凍等要求，夏季部分地區應兼顧防熱。

建筑熱舒適度通過測試溫度、濕度等可以得知，熱舒適度與很多因素有關系，如建筑體型系數、建筑朝向、建筑開窗形式、窗墻面積比等。這些因素對于建筑節能起到了決定性作用，也是目前建筑設計中主要考慮的方面。

改善建筑的熱環境，不僅能提高舒適度，還能為建筑節約大量能源。下面就來探究建筑設計中空間對能耗的影響。

2.建筑空間對于能耗的影響

2.1體型系數對于能耗的影響

國家行業標準JGJ26-2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》中規定，建筑體型系數是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值。[2]建筑平面凹凸越小，體型系數越小，建筑的能耗越小。

建筑體型系數可以用如下公式表示，

S=F/V=2（1/l+1/b）+1/nh

式中：F—建筑外表面積；

V—外表面積對應的建筑體積，V=nhbl；

n—建筑層數

2.1.1 Ecotect模擬與驗證

下面設置簡化模型，具體研究建筑平面形狀對于能耗的影響情況。這里自變量為建筑平面形狀，其它因素都相同。

2.1.2結果與分析

研究對3個簡化模型進行了能耗模擬分析。實驗目的是檢驗建筑體型系數和能耗之間的關系。模擬方法是設置了AA、AB、AC三種簡化平面，設置對比實驗。實驗中控制的變量為建筑面積、窗墻比、建筑高度，影響因子（因變量）為建筑平面，即建筑的體型系數。

由圖2.4，2.5可以看出，隨著建筑體型系數的加大，建筑能耗逐漸加大，二者呈正相關的關系。平面越接近正方形，其體型系數越小，能耗越小。按0.6元/Kwh計算的話，體型系數為0.24的7層住宅，比體型系數為0.3的7層住宅一年會節約電費8717元左右。可見，在可行的情況下，控制建筑形體系數，減少建筑外輪廓的凹凸，有利于節約能耗。

2.2層高對能耗的影響

層高是指下層地板面或樓版面到上層樓版面之間的距離。我國《住宅設計規范》（GB-50096-2011）中規定，住宅層高宜為2.8米。[3]

建筑體型系數為建筑外表面積與體積之比。體型系數與建筑的平面尺寸、凹凸和高度有關系。根據體型系數的計算公式，我們可以看到建筑的形體系數隨著建筑高度的增加而減小，即建筑高度越高，平均每層的能耗就越小。

從另一個方面來說，國家行業標準JGJ26-2010《嚴寒和寒冷地區建筑節能設計標準》第3.3.10條規定，折合到單位建筑面積上單位時間內建筑物空氣換氣耗熱量應按如下式子計算，

式中：qINF—折合到單位建筑面積上單位時間內建筑物空氣換熱耗熱量（W/㎡）；

tn—室內計算溫度，取18℃，當外墻內側是樓梯間時，則取12℃；

te—采暖期間室外平均溫度；

Cp—空氣比熱容，取0.28Wh/（kg·K）

ρ—空氣的密度（kg/m?），取采暖期室外平均溫度te下的值；

N—換氣次數，取0.5次/h；

V—換氣體積（m?），樓梯間及外廊不采暖時，V=0.60V0；樓梯間及外廊采暖時，V=0.65V0，V0為建筑體積。

由空氣耗熱換熱量可以看出，換氣體積V和空氣換熱耗熱量qINF成正比例關系；而層高與換氣體積V成正比關系，因此，可以推出層高與空氣換熱耗熱量成正比關系。即層高越高，能耗越大。然而，從層高和體型系數的關系看，層高越高，體型系數越小，建筑能耗越小。兩個方面呈矛盾的趨勢。

圖片來源：《影響居住建筑節能設計因素的分析與研究—青島居住建筑節能設計》初探

2.2.1 Ecotect模擬與驗證

為了具體研究建筑層高和能耗的關系，設置了四個簡化模型，在Ecotect中分析二者之間的關系。

研究對4個簡化模型進行了能耗模擬，通過改變建筑高度唯一的影響因子，控制體型系數、單層面積、窗墻比等變量，以年耗電量來對比4個簡化模型的能耗情況。從圖4.7的散點圖來看，隨著建筑高度的增加，耗電量整體呈上升趨勢。由此我們可以初步下結論，建筑高度對于空氣耗熱換熱量的影響比體型系數的影響大。

3.總結

文章通過兩組對比實驗，研究了平面形狀、建筑高度對于能耗的影響，得出了定性的結論。通過第一組對比實驗知道，隨著建筑體型系數的加大，建筑能耗逐漸加大，減少建筑外輪廓的凹凸，有利于節約能耗。

第二組對比實驗中，進一步研究了建筑高度對能耗的影響。建筑高度越高，體型系數越小；建筑高度越高，空氣換熱量越大。通過建立簡化模型模擬，可以得出結論，建筑高度越高，能耗越大。

希望本文能為建筑設計者提供設計依據，使建筑設計更加舒適節能、綠色環保。

參考文獻

[1]閆疆丞 長沙地區以熱舒適為目標的建筑節能設計研究 [J] 湖南大學碩士學位論文 2013：7-8

[2]《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》 [M] JGJ26-2010

[3]《住宅建筑規范》 [M] GB50368-2005

[4]王卉 顧放 建筑層高對體型系數的影響 [J] 建筑節能 2013：59-62

（作者單位：青島理工大學）