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建筑节能是我国节能减排战略的主要目标之一,也是生态城市建设的重要组成部分。在建筑方案设计过程中将节能设计纳入考虑,可以在很大程度上降低建筑能耗。以往对于建筑方案设计节能效果的相关研究大多建立在定性分析和经验总结的基础上,导致其研究成果有很大的不确定性,因此需要能耗模拟工具,对方案的具体效果进行定量的比较分析。
本文首先通过文献阅读与总结,从建筑体形设计和围护结构设计两个方面概括可能对建筑能耗产生影响的设计要素,结合建筑热过程机理定性分析各要素对采暖空调能耗可能产生的影响。并对以往的相关定量研究进行分析和总结,指出已有研究成果存在的不确定性。在对现有的节能测算研究方法进行总结和比较的基础上,选用DeST-h软件作为模拟测算的工具,针对南阳典型气候特征,对不同设计要素的具体参数进行设定,通过能耗模拟测算分析,比较其能耗结果,分别总结出体形系数C、形状因子λ、平面周长L、建筑高度H、围护结构传热系数K、外窗遮阳系数SC、窗墙比WWR等多种设计要素的变化对建筑单位面积采暖空调能耗的影响。结合建筑的平面功能、自然采光和通风要求的全能考虑,得出具体的参数优选策略,对南阳市典型居住建筑的节能设计提出具体的参考建议。模拟结果表明:
⑴影响建筑能耗的体形设计要素主要有形状因子(长宽比)、平面周长、建筑朝向、建筑高度等方面。针对南阳地区气候状况,建筑长宽比的增加将同时导致采暖能耗和空调能耗的增加,其中采暖能耗上升幅度更大,长宽比从1增至4,总能耗共上升5.51kWh/m2;平面周长增加,空调能耗和采暖能耗均有明显增长,在标准层面积不变的情况下,平面周长从80m增长到144m,相应的单位面积采暖空调总能耗上升25.77kWh/m2之多。因此在满足采光通风的情况下,应尽量减小建筑的长宽比和平面周长。相对于方形建筑,长宽比较大的长方形平面受朝向的影响更大,建筑的最佳朝向为正南-南偏西15°,而最不利的朝向则出现在南偏东60°-75°左右,当长宽比为4时,两者的最大差距可达到4.5kWh/m2左右。建筑层高越低,采暖空调总能耗越低。层高每升高0.1m,采暖空调总能耗约上升1.5kWh/m2,因此可以通过适当降低建筑层高h来降低建筑采暖空调总能耗。
⑵建筑体形系数对建筑采暖空调能耗均有较大影响,且体形系数的大小受形状因子、平面周长、建筑高度等要素的影响,影响要素不同,体形系数与建筑能耗的相关关系也不同。在形状因子、平面周长和建筑层数的分别影响下,体形系数与采暖空调总能耗呈线性正相关关系;在建筑层高的影响下,体形系数与采暖空调总能耗呈线性负相关关系。
⑶影响建筑能耗的围护结构设计要素主要有围护结构传热系数、外窗遮阳系数、窗墙比和季节性遮阳措施等。传热系数的降低可以使建筑采暖能耗大幅降低,与传统无保温方案相比,采用80mm聚苯板保温和高透低辐射玻璃可以使建筑采暖空调总能耗降低26.9kWh/m2。南向和北向窗墙比的增大均会不同程度地增加建筑的采暖空调总能耗,其中北向的增加幅度更大,因此应尽量控制建筑北向外窗的窗墙比。外窗遮阳系数的降低可以有效降低夏季空调能耗,但同时会使冬季采暖能耗升高,测算得出遮阳型外窗的能耗反而略高于高透型外窗。季节性遮阳可以在保证冬季太阳辐射得热的情况下有效减少夏季的空调能耗,采用季节性遮阳策略的总体节能率可达到11.8%,具有良好的节能效果。
⑷综合分析几种节能措施后,设计了三种节能优选方案并进行测算,结合围护结构和玻璃遮阳系数的优化,窗墙比的调节和季节性遮阳措施的使用,以及建筑层高的变化等,通过建筑设计的优化可以使建筑的采暖空调总能耗分别减少47.78%,58.98%和61.75%,单位面积采暖空调能耗最多可减少32.53kWh/m2,验证了建筑方案节能设计良好的节能效果。本研究结果对于南阳地区乃至邻近的夏热冬冷北部地区的居住建筑节能方案设计、建筑节能材料和构造的设计以及相关产品的选择具有指导意义。在建筑节能设计过程中,应充分考虑各项因素的影响,达到建筑高舒适和低能耗的统一。