能效建筑规划设计方法

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　　一． 前言
　　为了维持室内舒适的光环境和热湿环境，建筑要消耗大量的能量用于照明、采暖和空调。据统计，发达国家建筑能耗在总能耗中所占比例很大，约40％，中国目前的建筑能耗约占总能耗的23％左右，预计到2010年将提高到35％左右。建筑工业中越来越重视可持续建筑的发展，因此能效建筑规划设计(Energy Efficient StrategicDeSignH)常重要，它将是可持续发展建筑设计的重要手段。
　　所谓能效建筑规划设计就是根据当地的气候条件，通过建筑设计及技术手段，充分利用自然资源，减少对有机能源的依赖，达到舒适的室内环境。目前，中国的建筑设计更多的是侧重于建筑的外观和功能，而忽视建筑的能效性，即忽略了在建筑设计的初始阶段，进行建筑能效规划设计的优化方案选择。根据调查分析，能效设计概念难以在实践中实施的原因是多方面的，其中主要原因之一是缺乏能为建筑设计师所接受和使用的，在建筑设计初始阶段进行的能效设计规划计算方法和计算软件。本文介绍英国剑桥大学建筑系马丁建筑与城市研究中心开发的一种为建筑师规划设计所提供的照明及热能计算方法(LT方法，Lighting and Thermal)，该方法在英国建筑能效规划设计中运用广泛，已有十几年的历史，特别适用于能效建筑规划设计。
　　
　　二．能效建筑规划设计原理
　　1．被动式建筑概念(PaSSiVe BLlikling)具体地讲，被动式建筑就是通过建筑设计，使建筑冬季充分利用太阳辐射热取暖，尽量减少通过围护结构及通风渗透而造成的热损失；夏季尽量减少因太阳辐射及室内人员、设备散热造成的得热量。从被动式建筑设计概念出发，我们可以将整个建筑划分成被动区和非被动区(PassiveZone and Non―passive Zone)。被动区受室外气候参数及周围建筑环境的直接影响，如太阳辐射，照明，自然通风、周围建筑的遮挡等，被动区进深一般为建筑层高的2倍。而非被动区可以认为不受外霁气候参数的影响，它只受室内人员设备散热的影响，该区白天也需要照明。LT方法就是基于这一原理，对各区建立能量方程，计算为维持室内要求的光、热、湿环境要求所消耗的能量。关于该方法数学模型的建立不在此文讨论，本文侧重于该方法的应用。
　　与目前普遍使用的建筑热模拟工具不同之处在于，LT方法简化数学模型，抓住建筑设计中主要矛盾展开研究，因而所需输入的数据限制在极小范围(在建筑规划设计中，详细建筑信息也无法获得)，这样便于方案比较，使用灵活简便。当然，在建筑设计完成后，要对建筑作进一步细致的热过程分析及设备选择等工程设计时，该方法的功能受到限制。
　　2．建筑设计参数能效建筑规划设计的目的就是通过对建筑参数的优化设计，达到既节能又满足室内热环境的目的。建筑设计参数包括4)：
　　(1)建筑参数地点：建筑地点的输入是为了确定其气象数据。逐小时的气温、太阳辐射值已集成在软件中，随着地点的确定，气象数据即自动输入到程序中；建筑尺寸：该参数可直接从屏幕中图象输入；建筑方位：在屏幕中图象输入的同时方位即被确定；建筑结构类型：该项参数分为三类，即重型、中型、轻型；建筑功能：建筑功能分为学校、办公室、住宅等，一旦建筑功能确定，作息时间即确定，这是影响建筑能耗的因素之一。
　　(2)设备参数供热效率：指锅炉的热效率；制冷效率：指制冷设备效率；室内散热：包括人体和设备散热；冬季换气次数：为健康要求所需的最低新鲜空气需求量；夏季通风方法：大风量自然通风／小风量自然通风／夜间通风。
　　(3)照明参数设计照度：根据房间的使用功能输入设计数据。
　　(4)围护结构参数屋顶传热系数、外墙传热系数、地面传热系数、窗户传热系数：按设计的要求输入数据。
　　(5)热工参数冬季采暖设置温度、夏季空调设置温度：按设计的要求输入数据；夏季过热温度设置：根据当地气候，建筑功能设置。
　　热能方程及照度计算所要求的其它一些参数，根据设计规范要求集成在计算软件中，大大简化了软件的使用过程。设计人员可对主要设计参数加以改变，分析由此而引起的建筑能耗的改变，计算机可对所设计的不同参数的建筑设计方案进行全年能耗比较，建筑师可通过对不同方案的比较，优化出最佳方案。
　　3．应用举例为了便于解释，我们举一案例加以说明。所计算的建筑为位于英国南部地区的办公楼建筑，建筑使用时间为上午9：00到下午6：00，建筑结构为中型，锅炉的效率系数为O．85，制冷效率为2．5，室内人员及计算机设备散热为15W／m2，冬季换气次数为每小时1次，室内照度要求为300 lux，屋顶、外墙、地面及窗户的传热系数分别为0．25W／m2．K、O．45W／m2•K、O．45W／m2．K、2．9W／m2•K。冬季采暖设置温度为19℃，夏季空调设置温度21℃，夏季过热设置温度为23℃。
　　(1)窗墙比(Glazing Ratio)窗墙比定义为窗户面积与该外围护结构面积之比。LT计算软件可根据所输入的建筑信息运行生成不同方位的被动区窗墙比与能耗的关系曲线。注意，这里的能耗是指原能，又称基本能量(Primary Energy)，包括能源在生产及输送过程中的损失。
　　为该案例各朝向单位面积终端能量消耗量与窗墙比的关系曲线图。从图中可以看出，照明所消耗的能量(黑虚线)会因增大窗墙比而减小，当窗墙比面积小于35％时，这种变化非常显著，即增大窗户面积有利于自然采光，减少照明用电能耗，但窗墙比大于40％时，天然采光对减少照明用电能耗并没有太大的优势。
　　供热所消耗的能量(黑色细线)除北向外，随着窗墙比的增加，采暖能耗稍有所下降，这是因为充分地利用了太阳辐射热。
　　而对于北区，由于增大窗户面积而增加了导热传热，又没有太阳辐射热补偿，因此采暖能耗会因窗户面积增加而增加。对于空调能耗来说，则相反，由于增大窗墙比，南面及东西面受太阳辐射的影响，空调能耗(灰线)会急剧增加。相比之下，北面空调能耗增加幅度小一些。图中黑粗线为照明、采暖及空调的总能量曲线，表示了这一案例条件下，各朝向的最佳窗墙比。
　　可以看出，南向最佳窗墙比约30％左右，东西向25％～30％，北向30％～40％左右。
　　(2)建筑保温围护结构如外墙、屋顶及窗户的保温性能，可通过U值反应出来，U值是指围护结构的传热系数。通过改变U值，可以比较各能量分配中的变化。
　　为不同的U值对单位面积建筑能耗的影响。本文列举了U值分别为0．45(英国标准)，0．82(中国新标准)及1．7(中国原规定)值进行了对比计算。从图中可以看出，围护结构传热系数对建筑能耗影响较大。增加围护结构保温性能，会大大减少建筑总能耗。
　　(3)通风自然通风及夜间通风是一种排除室内散热，降低室内温度，提高热舒适性的有效方法。对于所设计的建筑方案是否采用自然通风作为降温方法，也可以通过方案比较，作出选择。为该案例舒适温度设置为23℃时，通风方案对室内舒适度的影响。
　　这里引用了“过热天数”指标，如果一天中有连续2小时超过所设舒适温度，则称该天为过热天。图中灰条线为小风量通风方案，白条线为大风量通风方案，黑条线为夜间通风方案，它们分别表示了各方案夏季“过热天数”(0Verheating Days)，建筑师可以应用这一指标，在规划设计时对自然通风方案的选择进行分析和决策。
　　影响能效建筑设计优劣的因素之间也相互影响，如增大窗户面积，有利于充分利用自然光照明，减少用电照明的能耗，冬季南向窗户有利于接收太阳辐射热以减少采暖负荷，但过多增大窗户面积，也会造成夏季不利的太阳辐射热，进而增加空调负荷。

　　在照明能耗，供热能耗与空调能耗的之间存在着平衡点，如何全面地考虑这些因素，使建筑设计达到能效的目的，这就需要对建筑设计的不同方案从能效角度进行方案比较。本文介绍的能效建筑规划设计方法――LT方法就是根据这一要求而发展的能效建筑规划设计辅助工具，它已编制成用户界面，使用灵活方便。多种方案的全年能耗运行结果以图像形式呈现在屏幕上，便于比较和决策之用。
　　三，能效建筑区域规划建筑能耗不仅受单体建筑自身参数，如建筑布局、方位、位置等的影响，而且受周边建筑及环境的影响勖。例如，对于一个建筑，街对面的建筑(又称遮挡物建筑Ob―Struction Bunding)高度，与该建筑的距离及其建筑材料会影响此建筑的照明、采暖和空调能耗。因此，能效建筑规划设计应该既考虑单体建筑的能效设计又综合考虑总体建筑规划。为了便于分析，我们采用城市高度角(U HA)及遮挡建筑视角(OSV)，这两个概念见图5所示。室内的自然采光及太阳辐射量，受这两个参数的影响，直接影响到照明、采暖和空调能耗。因此，如何实现合理的城市布局及总体规划，对建筑节能也具有重要意义。
　　1．计算方法结合LT方法对整个城市或小区进行建筑能耗设计规划，剑桥大学马丁建筑研究中心开发了LT―urban程序，它是根据城市建筑群布局，采用Matlab图像处理技术，获取LT能量计算所需要的朝向、方位、城市高度角等参数，再将LT所计算的建筑能耗(照明、采暖空调能耗)反应在建筑规划图中。建筑师不必掌握Matlab图像处理技术，仅需在CAD软件中用不同颜色对不同高度的建筑加以区别，并以JPG文件格式输出。LT―urban将自动把建筑群图形转换成黑白灰度数字高度模型(Digital Eleva―tion Model―DEM)。该模型在Matlab上运行，可产生能量计算所需要的参数，如被动区、非被动区、朝向、城市高度角等，并能计算出对应参数的城市建筑规划能量图，为建筑师进行能效建筑规划设计提供依据。
　　2．应用举例本文以马丁建筑研究中心受欧盟资助的项目“温室气体零排放城市发展――能量、建筑、人及微气候”为例，说明能效建筑规划设计方法在城市规划设计中的应用。
　　(1)城市数字高度模型(DEM)建筑区域规划图经CAD赋色处理后以JPG形式输出，Matlab程序则自动将此图形转化成能分辨出建筑高度的平面图，即城市数字高度模型。为英国伦敦、法国的图卢兹、德国的柏林的市区400×400的城市数字高度模型图。该图形为下一步的建筑方位，城市高度角、障碍物视角、被动区与非被动区等参数的计算提供基本参数。
　　(2)城市建筑参数图城市数字高度模型图输入Matlab程序后，计算机自动生成所要求的各建筑参数图。图7为伦敦6m高处建筑参数图，它们分别表示被动区、非被动区；朝向、视角；UHA和0SV。
　　(3)城市建筑能量分布图Matlab程序确认所需建筑参数后，计算机自动生成该区域全年能耗图。为英国伦敦的城市全年总能耗分布图。
　　对新建小区，建筑师可对不同的建筑布局进行能量比较，直观的区域建筑能量规划图像显示便于帮助建筑师对整个区域的能效建筑设计作出合理规划。
　　四．结语
　　 本文的目的在于提高建筑师的环境设计意识，作者介绍了英国剑桥大学马丁建筑城市研究中心开发的为建筑师所用的能效建筑规划设计方法――LT方法。该方法所需输入的建筑基本参数少，便于对影响建筑能耗的建筑参数进行方案选择比较，使用灵活、省时。LT方法与Matlab图像处理技术相结合的基础上开发的LT―Ur―ban程序，是一种用于城市区域能效建筑规划的方法。该方法为建筑师的能效建筑规划设计提供了有力工具。

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