不同建筑空间形态对建筑能耗的影响论文.doc

不同建筑空间形态对建筑能耗的影响论文 建筑室内热状态受室外气候状态和建筑围护结构所影响因此建筑供暖空调能耗在很大程度上与建筑的空间布局和围护结构形式有关不同的建筑空间形态分布还会影响建筑的遮阳与自然采光从而影响建筑的人工照明能耗扁平的建筑空间分布体型系数较小会降低建筑的供暖能耗但造成夏季空调能耗高1而塔式的建筑空间分布下夏季自然通风被强化空调能耗降低但造成冬季供暖能耗的上升不同空间形态与建筑能耗的关系很难进行直接准确的分析只有通过逐时的动态模拟才能得到因此在分析评价和优化选取建筑设计方案将造成的环境状况和能耗时一般都采用模拟计算的方法24为了研究不同空间形态和布局对住宅建筑能耗的影响本研究对各类布局下的住宅建筑利用DeST模拟软件对其建筑运行能耗进行了模拟分析通过能耗比较来分析不同的空间形态对住宅建筑的遮阳、采光和夏季空调、冬季供暖能耗的影响 1研究方法 本研究选取了北京市12种不同空间形成的建筑分布这几种方案下建筑面积总量相同但其所需消耗的建筑运行能耗不同因此在建筑的规划过程中需要优选合理的建筑空间布局具体各地空间形态如图1所示为了保证不同的方案之间具有可比性各方案保证建筑面积一致各方案的建筑面积总量如表1所列可以看到各方案的建筑面积与平均值相比误差均不大于1%基本可以认为各方案的建筑面积相等根据一般住宅建筑的层高将此建筑的层高定义为3m参照北京市地方标准DB11/891居住建筑节能设计标准中对各立面窗墙比的限值给出各个立面的窗墙比如表2所示 2模拟参数设定 根据以上建筑基本信息使用建筑能耗模拟软件DeST建立112号各类地块的DeST模型 2.1围护结构性能 参照北京市地方标准DB11/891居住建筑节能设计标准将各方案其建筑围护结构性能如表3所示 2.2空调供暖设定 在北京地区冬季采取集中供暖因此冬季供暖作息为24h连续供暖;夏季为间歇空调在室外温度合适的时候采用自然通风来带走室内热量根据设计规范给出各房间的温湿度设定值见表4 2.3房间发热量及通风量设定 根据北京市住宅建筑案例测试的结果设定房间的灯光、设备的功率密度、房间的设备发热量(见表5)由于相同功能的房间进行了一定的合并所以人员密度无法按照DeST默认的总量指标设定所以按照表5所列的人员密度进行设定因为在一些地块的设计中存在内区的房间(进深810m认为是内区)无法进行自然通风因此需要机械通风同时即使是在外区的房间由于厨房和卫生间的特殊功能在使用时也需要一定的机械通风因此将各功能房间的通风作息及通风量设置如下:位于外区的房间不设置机械通风冬季的通风量为渗风量设为0.5次/h夏季则设为自然通风开窗时最大通风量为10次/h位于内区的房间由于无法进行自然通风因此需要进行机械通风设置其全年新风量为恒定数值通风次数为1次/h 2.4模拟计算 对于一般住宅建筑其能耗主要包括:冬季供暖能耗、夏季空调能耗、照明能耗、生活热水能耗、炊事能耗及各类家用电器能耗5不同的空间形态会对建筑的冷、热负荷及自然采光情况有影响因此主要会影响建筑的供暖、空调及照明能耗对于4号这样存在一定内区的建筑由于其内区无法开窗进行机械通风还需要设置通风机对其进行机械通风因此与一般住宅建筑相比会额外多出一部分通风能耗因此利用DeST模型进行能耗模拟计算模拟中考虑建筑由于空间形态造成的自遮挡选取冬季热负荷及供暖系统能耗、夏季冷负荷及空调系统能耗、照明能耗和机械通风能耗这四个能耗指标分析各方案的能耗情况 3结果分析 3.1冬季供暖能耗 利用DeST软件对各方案的冬季供暖负荷进行模拟并假设由大中规模热电联产供热得到各方案的冬季供暖能耗如图3所示图3各方案的冬季供暖能耗与体型系数单位室内空间需要的供热量Q的计算公式见式(1)单位为W/m3Q=T(KS+A0.335)(1)式中:Q为单位室内空间需要的供热量W/m3;T为室内外平均温差;K为平均传热系数W/(m2K);S为体形系数;A为换气次数次/h在本模拟计算中各案例的窗、墙的传热系数和窗墙比均一致也就是说围护结构的平均传热系数一致而且换气次数也一致(除了1号和4号因为存在内区需要机械通风以外)所以体形系数成为影响冬季供暖能耗的关键因素从图3中也可明显看出体形系数与供暖能耗的一致变化情况但同时也可以发现1和4号方案虽然体型系数小但其供暖能耗并不比2、3和5、6方案低主要原因是因为存在大面积的内区内区仅靠渗透风不能解决人员新风供应问题所以需要24h进行1次/h的机械通风这一定程度上增大了其供暖能耗10号方案由于其裙楼(2层楼)部分也存在一定区域的内区所以对此区域也需要进行24h的机械通风风对方案1、方案4和方案10关闭全年机械通风的方案进行了模拟结果对比如图4对于方案1由于增加了内区的机械通风其供暖能耗因此增大了1.5倍左右对于方案4由于需要机械通风的面积占其总面积的比例大于方案1因此增加了机械通风后其能耗增大为原来的将近10倍对于方案10由于其需要机械通风的区域并不大因此由于增加了机械通风其能耗(标准煤)仅上升了33t对于方案7方案9由于外形复杂程度逐渐增加增加了自遮阳一定程度上由于太阳辐射得热量的减少导致其供暖负荷逐渐增加如图5所示分析方案7方案9在不考虑阳光遮挡下的能耗(分别为7、8、9)与原方案进行对比可比可以发现遮挡对其能耗造成的影响可以发现随着外形复杂程度的增加和遮挡的增加对热负荷的影响也逐渐加强9方案因此遮挡带来的供暖能耗(标准煤)增加将近40t而7方案因为遮挡带来的供暖能耗(标准煤)仅为6.6t在分析建筑供暖能耗总量时不仅要关注建筑整体的体型系数也要看各类朝向的房间的分布一般来说南向的房间越多其冬季太阳辐射得热就越多相应的供暖能耗就会降低分析1、4、7号方案可以发现1、4、7号方案均为4个朝向均匀分布房间其中均有一半的房间朝向为东西朝向这类房间在冬季无法有效利用太阳辐射得热来升高室内温度或者说降低供暖能耗而10号方案的建筑布局是沿东西方向条状分布因此基本所有户型都有南向窗户南向房间的比较非常高有南向窗户的房间的比例接近100%这有效地增大了冬季的太阳辐射得热从而降低了供暖能耗10号方案其体型系数适中虽然存在一定面积的内区但面积并不大由于机械通风增加的供暖能耗(标准煤)并不大(7t)并且其不同区域之间的互相遮挡也比较小因此其供暖能耗在整体12个方案里处于居中位置由此可以看出在北京地区为了降低建筑的供暖能耗在空间布局上可以考虑适当减小建筑的体型系数但是对于住宅建筑也应该考虑不要形成内区否则就需要因此配置机械通风反而会增加供暖能耗除了建筑整体的体型系数也应该考虑适当增加南向房间的比例有效地利用冬季太阳辐射得热来降低供暖能耗 3.2夏季空调能耗 利用DeST软件对各方案的夏季制冷负荷进行模拟假设制冷由分体空调提供得到夏季空调能耗与供暖不同空调需要从室内排除的热量绝大多数不是来源于通过外墙的传热室内的各种电器设备、照明等发出的热量及室内人员发出的热量占空调排热任务的重要成分再就是太阳透过外窗进入室内的热量这些都需要从室内排除否则就会使室温升高当室外温度低于室内允许的舒适温度时依靠室内外的温差通过外墙、外窗的传热以及室内外的通风换气可以把这些热量排出到室外此时围护结构平均传热系数越大(也就是保温越不好)通过围护结构向外传出的热量就越多室内发热导致室内温度的升高就越小此时如果能够开窗通风并且建筑造型与开窗位置具有较好的自然通风能力则可以通过室内外通风换气向室外排热因此建筑空调布局和围护结构对于夏季空调能耗的影响主要在于遮阳和能否有效自然通风在本文的DeST模拟设定中不考虑外遮阳措施只考虑方案本身的自遮阳同时对于自然通风考虑的都是理想通风即:夏季在室外温度合适的时候使用自然通风且通风次数均为理想数值即认为自然通风为最理想效果不考虑在实际中建筑的房间布局以及窗户的位置等细节对自然通风效果的影响因此自然通风对夏季空调能耗的影响也基本上是一致的从模拟结果来看各方案的夏季空调能耗也基本与体型系数直接相关如图6对比方案1、方案4和方案10在有无机械通风下的夏季空调能耗如图7可以发现由于机械通风的存在同样增大了夏季空调能耗但是由于夏季的室内外温度远小于冬季因此机械通风造成的夏季空调能耗增加量远小于冬季供暖能耗的增加量:对于方案1由于使用了机械通风其夏季空调能耗从29万kWh增加到40万kWh增加了不到1倍;对于方案4其夏季空调能耗从32万kWh增加到了85万kWh增加了约1.5倍;对于方案10其夏季空调能耗从34.5万kWh增加到了34.6万kWh几乎没有变化对于方案7方案9由于外形复杂程度逐渐增加增加了自遮阳由于太阳辐射得热量的减少导致其空调能耗降低如图8所示分析方案7方案9在不考虑阳光遮挡下的能耗(分别为方案7方案9)与原方案进行对比可以发现遮挡对其能耗造成的影响可以发现随着外形复杂程度的增加和遮挡的增加对热负荷的影响也逐渐加强9方案因此遮挡带来空调耗电量增加为2582kWh而7方案因为遮挡带来的空调耗电量仅为894kWh对于方案10方案12方案11和方案12显著增大了外墙和外窗的面积从图9可以看出方案11的外墙面积达到了18906m2是方案10外墙面积的141%而方案12的外墙面积为方案10外墙面积的187%外窗面积也是如此显著增大的外墙和外窗在夏季时极大地增加了太阳辐射得热也使得方案11、12的夏季空调能耗急剧增大需要说明的是对于列出的12个方案在负荷和能耗模拟的时候考虑的都是理想通风即认为自然通风为最理想效果但是在实际的过程中由于建筑的造型与空间布局不同其在夏季室外温能够实现的自然通风效果是不同的因此其散热能力也是不同的这会在一定程度上造成空调能耗的变化在本次模拟中并没有体现例如相比较方案1、2、3的塔楼造型和围合式的户型分布方案4、5、6是板楼其南北通透的造型与户型会导致在实际使用过程中自然通风效果更好在室外温度合适的时候能够充分利用自然通风降低室温减少了需要空调制冷的时间从而能够降低空调能耗对于方案11、12外形复杂能够一定程度上增加夏季的自遮阳效果但是由于是回字式围合结构如果考虑1楼不与室外连通(不能产生烟囱效应)即使开窗也很难通过自然通风带走室内的热量而且外墙外窗面积大太阳辐射量巨大因此当室内大量的热量不能通过围护结构排出时就只好开启空调依靠机械制冷排除热量导致所以空调能耗会大幅增加 3.3照明能耗 利用DeST软件对各方案的照明能耗进行模拟结果如图10从结果可以看出对于4个分组:方案1方案3方案4方案6方案7方案9方案10方案12由于增加了外区面积优化了自然采光其照明能耗是逐渐下降的各组之间进行对比可以发现方案4、5、6的照明能耗是最高的由于其扁平的建筑布局增加了内区的面积尤其是对于方案4有着大面积的内区无法进行自然采光所以其照明能耗在各个方案中最高而对于方案12由于其外窗的面积多且能够自然采光的面积也大其照明能耗在各个方案中最小为了定量分析各方案自然采光的效果又对112各方案在不考虑自然采光下的照明能耗进行了对比结果对比如图11将不考虑自然采光下的照明能耗与第一次计算得到的照明能耗相减得到自然采光对人工照明能耗总量的影响结果如图12对比方案1、2、3:从方案1到方案2自然采光条件得到了极大的优化因此照明能耗有了大幅的降低方案2比方案1节电约4.1万kWh但是从方案2到方案3其节能效果就比较有限虽然方案3进一步优化了自然采光的效果但是节电量只有1515kWh对比方案4、5、6:自然采光条件得到了极大的优化因此照明能耗有了大幅的降低方案5比方案4节电约8.4万kWh从方案5到方案6方案6进一步优化了自然采光的效果节电量也达到了3.5万kWh对比方案7、8、9:由于其本身回字形的造型其外表面面积大自然采光条件非常优越因此自然采光带来的照明电耗下降也是非常明显并且随着方案7方案9其自然采光得到进一步强化方案10是方案3、6、9的一个综合并且由于其塔楼与裙房的高低组合减小了不同的楼栋之间的遮挡所以其自然采光对照明节能效果也非常明显节能量达1.7万kWh方案11、12是回字形造型的一种加强极大的优化了自然采光的条件因此其自然采光带来的照明能耗下降了在各个方案中最大方案11和方案12由于自然采光造成的人工照明能耗下降分别为20.5万kWh和20.8万kWh 3.4机械通风能耗 1号方案、4号方案和10号方案需要供应机械通风其机械通风能耗见图133.5全年一次能耗从上面的分析可以看出各个方案各有利弊体型系数小的方案冬季供暖能耗小但若体型系数过小反而会因为需要机械通风而增加能耗同时体型复杂围合式的造型会增强夏季建筑自遮阳降低空调能耗但又会导致自然采光效果不佳可能会增加照明能耗因此为了保证建筑的总能耗最低需要权衡判断将各方案的各项能耗按发电煤耗法折合为一次能耗进行比较如图14所示可以发现各方案全年的一次能耗对比方案5是能耗最低的这主要是因为5是除了方案1和方案4(体型系数小但需要机械通风)之外体型系数最小的方案因此其供暖能耗和空调能耗都相对其他方案较低而照明能耗与其他方案相比虽然略大但并不明显所以造成总体看来全年包括供暖能耗、空调能耗和照明能耗的总一次能耗在12种方案中最低出于同样的理由方案6和方案7的能耗次之也在各方案中处于较低的水平反过来看方案11和方案12方案11体型系数并不大因此其供暖能耗与其他方案相比并不太高但是由于其外围护结构面积大增大了夏季太阳辐射得热量导致空调能耗增大全年总体的一次能耗比方案5、6要大而方案12由于体型系数大所以冬季供暖能耗明显高出其他方案同时外墙外窗面积大造成夏季的空调能耗也高出其他方案因此其总体的一次能耗在各方案中最大对于方案10是方案1方案9的一次杂烩整体的体型系数在各方案中居中虽然由于裙楼部分存在部分内区需要机械通风但是能耗并不大所以总体计算得到的全年一次能耗在各方案中处于居中的水平 4结论 为了研究不同空间形态和布局对住宅建筑能耗的影响本研究选取了12种地块对各类布局下的住宅建筑能耗进行模拟分析通过能耗比较来分析不同的空间形态对住宅建筑的遮阳、采光和夏季空调、冬季供暖能耗的影响各个方案各有利弊体型系数小的方案如1号、4号冬季供暖能耗小但若体型系数过小反而会因为需要机械通风而增加能耗如1号和4号均需要机械通风来满足人员新风需求而另外体型复杂围合式的造型会增强夏季建筑自遮阳降低空调能耗例如8号、9号但又会导致自然采光效果不佳可能会增加照明能