基于太阳得热建筑布局对超低能耗居住建筑的影响分析

随着我国人民物质文化水平的提高，对生活环境的品质要求也越来越高，作为一种能大幅度降低建筑供暖供冷需求，以更少的能源消耗提供更舒适室内环境品质的高性能建筑，超低能耗建筑正在逐步获得消费者的认可。以建筑社区为基础，不同的建筑布局对建筑群体的通风、热岛及单体建筑的日照及采光均有较大影响。刘明昊对不同布局形式下的风环境及污染物浓度研究，得出了楼间距与风速、污染物浓度的影响关系；李雯喆研究夏热冬冷地区超低能耗建筑形态与能耗的映射关系，发现了建筑体形系数、建筑面宽比、建筑进深比与建筑能耗的非线性关系；张铁等研究建筑群体空间布局方式与建筑外部空间风环境舒适性的相互影响关系,归纳出建筑空间营造手法和风环境舒适度的相关性。但是，目前针对受建筑布局影响较大的超低能耗高层建筑研究较少，本文借助DeST软件建立三维模型，分析不同建筑布局条件下太阳得热对超低能耗居住建筑供暖（冷）年耗热（冷）量的影响关系，为超低能耗建筑的方案设计和优化布局提供依据。

1  研究对象

研究对象为一栋18层居住建筑，建筑面积8 501.93 ㎡，地下2层，主要功能为储藏间；地上18层，层高均为3.10 m。每层2户，共36户，建筑高度56.10 m，结构形式为剪力墙结构。

2  建筑布局

依据该项目总平面图，对体形系数和窗墙面积比完全一致的4栋建筑分别进行模拟计算分析，建筑的布局方案如图1（实线位置）所示，以下简称“布局一”~“布局四”。

图1　建筑布局图

布局一：建筑位于最南侧，东西两侧（楼间距约为20 m）有建筑遮挡，会影响太阳得热。

布局二：建筑位于最西侧，东侧（楼间距约20 m）及南侧（楼间距约40 m）有建筑遮挡，会影响太阳得热。

布局三：建筑位于最东侧，西侧（楼间距约20 m）、南侧（楼间距约40 m）有建筑遮挡，会影响太阳得热。

布局四，建筑位于最北侧，东侧（楼间距约20 m）、西侧（楼间距约20 m）及南侧（楼间距约40 m）均有建筑遮挡影响太阳得热。

应用清华大学技术科学系环境与设备研究所研发的DeST软件建立三维模型，对不同建筑布局下目标建筑的供暖年耗热量及供冷年耗冷量进行计算。计算时面积的计算基准为套内使用面积（7098.68 ㎡）。

3  模拟参数的设置

3.1  气象参数设置

依据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》中附录A，河北省设3个热工分区，因此模拟计算时，选取3个分区中的代表城市，分别为严寒C区（丰宁地区）、寒冷A区（承德地区）、寒冷B区（石家庄地区）。计算参数采用国家标准JGJ/T 346—2014《建筑节能气象参数标准》中的典型气象年逐时气象参数。

3.2  热工参数设置

建筑外墙、屋面、非供暖地下室顶板、外门窗等外围护结构体系的相关技术参数如表1所示。

表1  主体外围护结构传热系数

3.3  室内参数设置

3.3.1  室内环境计算参数及新风量设置

室内环境计算参数依据DB13（J）/273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》表3.0.3中的相关参数进行设置。新风量按30 m³/（h·人）设置，人员在室率依据DB13（J）/273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》附录A表A.0.3-1设置，人员密度按32 ㎡/人设置，新风开启率与人员在室率保持一致。

3.3.2  通风空调设置

依据设计方案，本项目采用户式带热回收装置的被动房专用能源环境一体机，其冷热源为空气源热泵。能源环境一体机的全热回收效率不小于70%，显热回收效率不小于75%，单位风量风机耗功率不大于0.45 W/（m³/h），机组COP按夏季3.2、冬季2.0计算。年供暖、供冷需求计算起止日期按DB13（J）/273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》表4.1.7设置。

3.3.3  内部热源设置

家电功率密度统一取值8 W/㎡，照明功率密度统一取值5 W/㎡。使用时间依据DB13（J）/273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》附录A表A.0.3-1 及表A.0.3-2进行设置。

4  模拟计算结果

4.1  基准建筑模拟计算

4.1.1  计算模型

依据项目平立剖图纸，建立基准建筑（周圈无任何遮挡）模拟分析三维模型（图2）。

图2　基准建筑三维计算模型

4.1.2  计算结果

计算3个热工分区下基准建筑的供暖年耗热量及供暖年耗冷量，结果见表2。

表2  基准建筑供暖（冷）年耗热（冷）量  kWh/（㎡·a）

4.2  布局一建筑模拟计算

4.2.1  计算模型

通过图1所示的建筑布局图，在基准建筑周圈附近建立遮挡建筑，其中布局一建筑的三维计算模型如图3所示。

图3　布局一建筑三维计算模型

4.2.2  计算结果

计算3个热工分区下布局一建筑的供暖年耗热量及供暖年耗冷量，结果见表3。

表3  布局一建筑供暖（冷）年耗热（冷）量   kWh/（㎡·a）

4.3  布局二建筑模拟计算

4.3.1  计算模型

通过图1所示的建筑布局图，在基准建筑周圈附近建立遮挡建筑，布局二建筑的三维计算模型如图4所示。

图4　布局二建筑三维计算模型

4.3.2  计算结果

计算3个热工分区下布局二建筑的供暖年耗热量及供暖年耗冷量，结果见表4。

表4  布局二建筑供暖（冷）年耗热（冷）量   kWh/（㎡·a）

4.4  布局三建筑模拟计算

4.4.1  计算模型

通过图1所示的建筑布局图，在基准建筑周圈附近建立遮挡建筑，布局三建筑的三维计算模型如图5所示。

图5　布局三建筑三维计算模型

4.4.2  计算结果

计算3个热工分区下布局三建筑的供暖年耗热量及供暖年耗冷量，结果见表5。

表5  布局三建筑供暖（冷）年耗热（冷）量    kWh/（㎡·a）

4.5  布局四建筑模拟计算

4.5.1  计算模型

通过图1所示建筑布局图，在基准建筑周圈附近建立遮挡建筑，布局四建筑的三维计算模型如图6所示。

图6　布局四建筑三维计算模型

4.5.2  计算结果

计算3个热工分区下布局四建筑的供暖年耗热量及供暖年耗冷量，结果见表6。

表6  布局四建筑供暖（冷）年耗热（冷）量  kWh/（㎡·a）

5  计算结果对比及结论

依据不同的热工分区将表2~表6中计算结果建立对比折线图（图7~图9）。

图7　严寒C区模拟结果对比折线图

图8　寒冷A区模拟结果对比折线图

图9　寒冷B区模拟结果对比折线图

从图7~图9可看出，在严寒C区和寒冷地区，随目标建筑周围遮挡建筑的增加，建筑通过太阳辐射热获得的热量减少，建筑的供暖年耗热量相应增大，比供冷年耗冷量相应降低；但供冷年耗冷量降低幅度比远低于供暖年耗热量的增大幅度，可见基于太阳得热的建筑布局对超低能耗居住建筑的供暖年耗热量的影响更为明显。

作为被遮挡最为严重的建筑，布局四上述结论体现得更为明显，将布局四建筑供暖（冷）年耗热（冷）量与基准建筑（周围无遮挡建筑）进行对比，在严寒C区，供暖年耗热量增幅高达98.97%，供冷年耗冷量降幅仅为8.61%，二者相差比例约达11.5倍。在寒冷A区，供暖年耗热量增幅高达66.95%，供冷年耗冷量降幅仅为17.85%，二者相差比例约3.75倍。在寒冷B区，供暖年耗热量增幅高达70.36%，供冷年耗冷量降幅仅为5.21%，二者相差比例约为13.5倍。

在严寒C区和寒冷地区选建超低能耗建筑时，应综合考虑周围建筑对拟建建筑的影响，做到合理规划建筑布局，充分利用太阳辐射热。同时还可得知，基于太阳得热的建筑布局对超低能耗居住建筑供暖年耗热量的影响更为明显。