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  • 能效建筑規劃的設計方法

    能效建筑規劃的設計方法

    發布日期:2017-03-29 作者:新興設計 點擊:

    為了維持室內舒適的光環境和熱濕環境,建筑要消耗大量的能量用于照明、采暖和空調。據統計,發達國家建筑能耗在總能耗中所占比例很大,約40%,中國目前的建筑能耗約占總能耗的23%左右,預計到2010年將提高到35%左右。建筑工業中越來越重視可持續建筑的發展,因此能效建筑規劃設計(Energy Efficient StrategicDeSignH}常重要,它將是可持續發展建筑設計的重要手段。 

    所謂能效建筑規劃設計就是根據當地的氣候條件,通過建筑設計及技術手段,充分利用自然資源,減少對有機能源的依賴,達到舒適的室內環境。目前,中國的建筑設計更多的是側重于建筑的外觀和功能,而忽視建筑的能效性,即忽略了在建筑設計的初始階段,進行建筑能效規劃設計的優化方案選擇。根據調查分析,能效設計概念難以在實踐中實施的原因是多方面的,其中主要原因之一是缺乏能為建筑設計師所接受和使用的,在建筑設計初始階段進行的能效設計規劃計算方法和計算軟件。本文介紹英國劍橋大學建筑系馬丁建筑與城市研究中心開發的一種為建筑師規劃設計所提供的照明及熱能計算方法(LT方法,Lighting and Thermal),該方法在英國建筑能效規劃設計中運用廣泛,已有十幾年的歷史,特別適用于能效建筑規劃設計。

    一、能效建筑規劃設計原理

    1.被動式建筑概念(PaSSiVe BLlikling)具體地講,被動式建筑就是通過建筑設計,使建筑冬季充分利用太陽輻射熱取暖,盡量減少通過圍護結構及通風滲透而造成的熱損失;夏季盡量減少因太陽輻射及室內人員、設備散熱造成的得熱量。從被動式建筑設計概念出發,我們可以將整個建筑劃分成被動區和非被動區(PassiveZone and Non—passive Zone)。被動區受室外氣候參數及周圍建筑環境的直接影響,如太陽輻射,照明,自然通風、周圍建筑的遮擋等,被動區進深一般為建筑層高的2倍。而非被動區可以認為不受外霽氣候參數的影響,它只受室內人員設備散熱的影響,該區白天也需要照明。LT方法就是基于這一原理,對各區建立能量方程,計算為維持室內要求的光、熱、濕環境要求所消耗的能量。關于該方法數學模型的建立不在此文討論,本文側重于該方法的應用。 

    與目前普遍使用的建筑熱模擬工具不同之處在于,LT方法簡化數學模型,抓住建筑設計中主要矛盾展開研究,因而所需輸入的數據限制在極小范圍(在建筑規劃設計中,詳細建筑信息也無法獲得),這樣便于方案比較,使用靈活簡便。當然,在建筑設計完成后,要對建筑作進一步細致的熱過程分析及設備選擇等工程設計時,該方法的功能受到限制。 

    2.建筑設計參數能效建筑規劃設計的目的就是通過對建筑參數的優化設計,達到既節能又滿足室內熱環境的目的。

    建筑設計參數包括:

    (1)建筑參數地點:建筑地點的輸入是為了確定其氣象數據。逐小時的氣溫、太陽輻射值已集成在軟件中,隨著地點的確定,氣象數據即自動輸入到程序中;建筑尺寸:該參數可直接從屏幕中圖象輸入;建筑方位:在屏幕中圖象輸入的同時方位即被確定;建筑結構類型:該項參數分為三類,即重型、中型、輕型;建筑功能:建筑功能分為學校、辦公室、住宅等,一旦建筑功能確定,作息時間即確定,這是影響建筑能耗的因素之一。 

    (2)設備參數供熱效率:指鍋爐的熱效率;制冷效率:指制冷設備效率;室內散熱:包括人體和設備散熱;冬季換氣次數:為健康要求所需的最低新鮮空氣需求量;夏季通風方法:大風量自然通風/小風量自然通風/夜間通風。

    (3)照明參數設計照度:根據房間的使用功能輸入設計數據。

    (4)圍護結構參數屋頂傳熱系數、外墻傳熱系數、地面傳熱系數、窗戶傳熱系數:按設計的要求輸入數據。

    (5)熱工參數冬季采暖設置溫度、夏季空調設置溫度:按設計的要求輸入數據;夏季過熱溫度設置:根據當地氣候,建筑功能設置。

    熱能方程及照度計算所要求的其它一些參數,根據設計規范要求集成在計算軟件中,大大簡化了軟件的使用過程。設計人員可對主要設計參數加以改變,分析由此而引起的建筑能耗的改變,計算機可對所設計的不同參數的建筑設計方案進行全年能耗比較,建筑師可通過對不同方案的比較,優化出最佳方案。 暖通空調在線

    3.應用舉例為了便于解釋,我們舉一案例加以說明。所計算的建筑為位于英國南部地區的辦公樓建筑,建筑使用時間為上午9:00到下午6:00,建筑結構為中型,鍋爐的效率系數為O.85,制冷效率為2.5,室內人員及計算機設備散熱為15W/㎡,冬季換氣次數為每小時1次,室內照度要求為300 lux,屋頂、外墻、地面及窗戶的傳熱系數分別為0.25W/㎡.K、O.45W/㎡稫、O.45W/㎡.K、2.9W/㎡稫.冬季采暖設置溫度為19℃,夏季空調設置溫度21℃,夏季過熱設置溫度為23℃。

    (1)窗墻比(Glazing Ratio)窗墻比定義為窗戶面積與該外圍護結構面積之比。LT計算軟件可根據所輸入的建筑信息運行生成不同方位的被動區窗墻比與能耗的關系曲線。注意,這里的能耗是指原能,又稱基本能量(Primary Energy),包括能源在生產及輸送過程中的損失。 

    為該案例各朝向單位面積終端能量消耗量與窗墻比的關系曲線圖。從圖中可以看出,照明所消耗的能量(黑虛線)會因增大窗墻比而減小,當窗墻比面積小于35%時,這種變化非常顯著,即增大窗戶面積有利于自然采光,減少照明用電能耗,但窗墻比大于40%時,天然采光對減少照明用電能耗并沒有太大的優勢。

    供熱所消耗的能量(黑色細線)除北向外,隨著窗墻比的增加,采暖能耗稍有所下降,這是因為充分地利用了太陽輻射熱。

    而對于北區,由于增大窗戶面積而增加了導熱傳熱,又沒有太陽輻射熱補償,因此采暖能耗會因窗戶面積增加而增加。對于空調能耗來說,則相反,由于增大窗墻比,南面及東西面受太陽輻射的影響,空調能耗(灰線)會急劇增加。相比之下,北面空調能耗增加幅度小一些。圖中黑粗線為照明、采暖及空調的總能量曲線,表示了這一案例條件下,各朝向的最佳窗墻比。

    可以看出,南向最佳窗墻比約30%左右,東西向25%~30%,北向30%~40%左右。

    (2)建筑保溫圍護結構如外墻、屋頂及窗戶的保溫性能,可通過U值反應出來,U值是指圍護結構的傳熱系數。通過改變U值,可以比較各能量分配中的變化。 

    為不同的U值對單位面積建筑能耗的影響。本文列舉了U值分別為0.45(英國標準),0.82(中國新標準)及1.7(中國原規定)值進行了對比計算。從圖中可以看出,圍護結構傳熱系數對建筑能耗影響較大。增加圍護結構保溫性能,會大大減少建筑總能耗。

    (3)通風自然通風及夜間通風是一種排除室內散熱,降低室內溫度,提高熱舒適性的有效方法。對于所設計的建筑方案是否采用自然通風作為降溫方法,也可以通過方案比較,作出選擇。為該案例舒適溫度設置為23℃時,通風方案對室內舒適度的影響。

    這里引用了“過熱天數”指標,如果一天中有連續2小時超過所設舒適溫度,則稱該天為過熱天。圖中灰條線為小風量通風方案,白條線為大風量通風方案,黑條線為夜間通風方案,它們分別表示了各方案夏季“過熱天數”(0Verheating Days),建筑師可以應用這一指標,在規劃設計時對自然通風方案的選擇進行分析和決策。

    影響能效建筑設計優劣的因素之間也相互影響,如增大窗戶面積,有利于充分利用自然光照明,減少用電照明的能耗,冬季南向窗戶有利于接收太陽輻射熱以減少采暖負荷,但過多增大窗戶面積也會造成夏季不利的太陽輻射熱,進而增加空調負荷。 

    在照明能耗,供熱能耗與空調能耗的之間存在著平衡點,如何全面地考慮這些因素,使建筑設計達到能效的目的,這就需要對建筑設計的不同方案從能效角度進行方案比較。本文介紹的能效建筑規劃設計方法——LT方法就是根據這一要求而發展的能效建筑規劃設計輔助工具,它已編制成用戶界面,使用靈活方便。多種方案的全年能耗運行結果以圖像形式呈現在屏幕上,便于比較和決策之用。

    二、能效建筑區域規劃

    建筑能耗不僅受單體建筑自身參數,如建筑布局、方位、位置等的影響,而且受周邊建筑及環境的影響勖。例如,對于一個建筑,街對面的建筑(又稱遮擋物建筑Ob—Struction Bunding)高度,與該建筑的距離及其建筑材料會影響此建筑的照明、采暖和空調能耗。因此,能效建筑規劃設計應該既考慮單體建筑的能效設計又綜合考慮總體建筑規劃。為了便于分析,我們采用城市高度角(U HA)及遮擋建筑視角(OSV),這兩個概念見圖5所示。室內的自然采光及太陽輻射量,受這兩個參數的影響,直接影響到照明、采暖和空調能耗。因此,如何實現合理的城市布局及總體規劃,對建筑節能也具有重要意義。 

    計算方法結合LT方法對整個城市或小區進行建筑能耗設計規劃,劍橋大學馬丁建筑研究中心開發了LT—urban程序,它是根據城市建筑群布局,采用Matlab圖像處理技術,獲取LT能量計算所需要的朝向、方位、城市高度角等參數,再將LT所計算的建筑能耗(照明、采暖空調能耗)反應在建筑規劃圖中。建筑師不必掌握Matlab圖像處理技術,僅需在CAD軟件中用不同顏色對不同高度的建筑加以區別,并以JPG文件格式輸出。LT—urban將自動把建筑群圖形轉換成黑白灰度數字高度模型(Digital Eleva—tion Model—DEM)。該模型在Matlab上運行,可產生能量計算所需要的參數,如被動區、非被動區、朝向、城市高度角等,并能計算出對應參數的城市建筑規劃能量圖,為建筑師進行能效建筑規劃設計提供依據。

    對新建小區,建筑師可對不同的建筑布局進行能量比較,直觀的區域建筑能量規劃圖像顯示便于幫助建筑師對整個區域的能效建筑設計作出合理規劃。

    相關標簽:建筑規劃設計,城市規劃設計,建筑設計研究院

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