武漢地區高層住宅被動式節能設計參量影響關系分析★

朱富城 張 輝 弓 南 韓嘯霖 王永建

(1.湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068； 2.中國華西工程設計建設有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

當前，我國城鎮化進程正處于高速發展時期。隨著城鎮人口的不斷增加，為更好地解決土地緊張與成本開發帶來的壓力問題，房屋建設更多采用高層形式，同時也大大促進了高層住宅的發展。高層住宅量大面廣，已成為建筑節能領域關注的重點之一[1]。

近些年來，國內相關學者針對高層住宅節能問題開展了諸多研究。宋昂揚采用PHPP針對天津新城公寓進行了圍護結構優化和設備選型研究[2]。周淑玲通過建立天津地區住宅基準模型，提出了適用于多層、小高層住宅的低能耗建筑技術措施[3]，鄧豐等基于上海地區氣候特征和高層住宅用能特點，模擬分析了不同樓層圍護結構、體形系數和空調方式等因素對高層住宅節能的影響[4]。陳華等以寒冷氣候區典型城市天津為研究對象，總結高層建筑自身節能因素的影響規律[5]。在設計標準方面，如JGJ 134—2010夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準，DB42/T 559—2013湖北省低能耗居住建筑節能設計標準等[6,7]，也為武漢市高層住宅節能設計提供了參考。本研究從影響建筑節能的被動式設計因素入手，選取夏熱冬冷典型地區武漢市的板式和塔式高層住宅進行對比分析，探討不同被動式因素對建筑能耗的影響關系問題，進而為高層住宅被動式節能設計提供可行的思路和參考。

1 研究思路及模型參數設定

1.1 研究思路

研究中，引入節能率的概念，并選取高層住宅的外墻傳熱系數、窗墻比、朝向三個被動式設計參量，通過設置相應的閾值變化范圍進行計算機模擬，從而對比不同參量變化對建筑能耗的影響。基于大量的模擬分析數據，采用擬合回歸方法，探討不同因素與高層住宅建筑能耗的影響關系。將節能率計算式定義為：

ER=(En-E0)/E0。

其中，ER為節能率(Energy-saving Rate)；En為改變某一被動式設計參量之后的建筑能耗；E0為所設定的標準模型的建筑能耗；同時由于標準模型的參數選擇問題，計算出的某一參數節能率可能為負值，在計算綜合節能率時，需將其做相對值處理。

1.2 計算分析模型及參數設定

課題組通過對武漢武昌片區的住宅調研發現，在19 371棟居住建筑中，高層住宅占到近46%，其中塔式高層約為18%，板式高層比重約為28%，并且18層以上占高層住宅的70%。因此，選取塔式和板式兩種類型的高層住宅進行對比分析，其基本信息如表1所示。采用IES建筑環境性能分析軟件建立基準模型，并設定各項參數，如表2所示。

表1 模型基本設定參數

表2 模型可變參數(閾值)

2 不同影響因素影響關系分析

2.1 外墻傳熱系數影響

一直以來，圍護結構的熱工性能是影響建筑圍護節能的重要參數之一。降低建筑物耗熱耗冷量的主要措施是提高圍護結構的熱阻。在進行能耗模擬分析時，將外墻傳熱系數k值作為變量，來研究外墻傳熱系數變化對建筑節能的影響。

通過IES建模模擬。為了排除建筑面積對塔式和板式高層住宅能耗的影響，基于得到的建筑總能耗，筆者將計算出每種情況下板式住宅與塔式住宅單位面積對應能耗，然后進行擬合回歸分析，如圖1，圖2所示。

基于圖1，圖2可得擬合回歸函數如表3所示。

針對擬合回歸情況，可以看出，板式和塔式住宅的制熱能耗的影響函數中系數分別為40.4和37.23，遠大于制冷能耗的2.77和2.37。說明高層住宅外墻傳熱系數對制熱能耗影響較大，即對冬季保溫有著較大影響。

表3 外墻傳熱系數擬合回歸

項目單位面積總能耗單位面積制熱能耗單位面積制冷能耗板式住宅擬合回歸方程y=44.23x+80.73y=40.4x+1.52y=2.77x+4.90擬合度R20.999 70.999 80.992塔式住宅擬合回歸方程y=40.48x+85.03y=37.23x+3.06y=2.37x+6.94擬合度R20.999 60.999 80.976

基于對節能率的定義，將得出的外墻傳熱系數與單位面積能耗關系的數據與標準模型進行對比，計算其節能率，如圖3，圖4所示。

綜合上述，板式高層住宅和塔式高層住宅制熱能耗節能率隨外墻傳熱系數k值影響較大，制冷能耗節能率隨傳熱系數k值變化幅度較小，板式住宅外墻傳熱系數的綜合節能率為22.03%，塔式住宅為19.57%。外墻傳熱系數參量綜合節能率較高，節能潛力較大。

2.2 窗墻比影響

太陽輻射得熱是高層住宅中戶型得熱的主要方式之一，而窗墻面積比可以控制各個朝向窗戶的大小，窗戶大小的改變，就意味著太陽輻射量所得熱量的多少變化，可以將建筑窗墻比作為變量，來研究窗墻比對節能的影響。

通過IES建模模擬。基于得到的建筑總能耗，筆者將計算出每種情況下板式住宅與塔式住宅單位面積對應能耗，然后進行擬合回歸分析如圖5，圖6所示。

基于圖5，圖6可得擬合回歸函數如表4所示。

表4 窗墻比擬合回歸

針對擬合回歸情況，可以看出，窗墻比的減少，對板式住宅的制熱能耗和制冷能耗以及塔式住宅的制冷能耗都有積極影響，但是影響都不大，說明有利于夏季的隔熱，而對塔式住宅的制熱能耗，卻是呈現增加趨勢，說明不利于冬季保溫。

基于對節能率的定義，將模擬得出數據與標準模型進行對比，計算其節能率，如圖7,圖8所示。

綜上所述，針對夏熱冬冷地區高層住宅，板式住宅和塔式住宅窗墻比變量都對夏季隔熱散熱影響較大，窗墻比的改變對板式住宅的影響要大于對塔式住宅的影響。板式住宅窗墻比綜合節能率為4.87%，塔式住宅為2.11%。窗墻比參量綜合節能率一般。

2.3 建筑朝向影響

在高層住宅的設計中，朝向是一個較為重要的參量，不同的朝向對建筑的采光日照等有較大的影響，因此對能耗也有影響。

通過IES進行能耗模擬。計算出不同朝向情況下板式住宅與塔式住宅單位面積對應能耗，然后進行擬合回歸分析，如圖9，圖10所示。

基于圖9，圖10可得擬合回歸函數如表5所示。

表5 建筑朝向擬合回歸

針對擬合回歸函數可以看出，單位面積能耗均呈現先下降后上升的趨勢，能得到最小值，其中板式高層住宅能耗量最低所對應的朝向為北偏東3.6°，塔式高層為北偏東3.8°。

基于對節能率的定義，將得出的朝向與單位面積能耗關系的數據與標準模型進行對比，計算其節能率，如圖11，圖12所示。

綜上所述，朝向對板式住宅和塔式住宅制熱即冬季的保溫影響較大，說明朝向對高層住宅冬季接收太陽輻射產生熱量較為重要，朝向的變化，對板式住宅的能耗影響更大。板式住宅建筑朝向節能率為2.52%，塔式住宅為1.65%，建筑朝向參量綜合節能率較低。

3 討論

根據上文所得數據，現總結外墻傳熱系數、窗墻比和朝向三種被動式設計參量對于夏熱冬冷典型地區武漢市的高層板式和塔式住宅能耗的影響關系如表6所示。

表6 被動式設計參量與能耗影響關系 %

同時，針對上述影響關系分析，得出如下結論：

1)不同被動式影響關系方面。

外墻傳熱系數對建筑能耗的影響最大，其次為窗墻比，影響最小的為建筑朝向。綜合節能率達到20%，在規范的要求范圍內，選擇最佳的外墻傳熱系數能夠起到最大的節能效果。

2)板式和塔式住宅窗墻比影響方面。

板式住宅在窗墻比參量上綜合節能率為4.87%，明顯高于塔式住宅的2.11%，說明窗墻比參量對板式高層住宅的影響要大于塔式高層住宅。

3)板式和塔式住宅朝向影響方面。

朝向參量對板式高層住宅影響略大于塔式高層住宅。板式高層住宅基于能耗量最佳朝向為北偏東3.6°，塔式高層住宅為3.8°。

4)武漢地區高層住宅季節性影響方面。

外墻傳熱系數與朝向兩個參量對制熱能耗的影響較大，而窗墻比參量對制冷能耗影響較大，說明在武漢地區，外墻傳熱系數和朝向兩個參量在冬季保溫方面的節能潛力較大，而窗墻比參量在夏季散熱隔熱方面的節能潛力較大。