武汉地区高层住宅被动式节能设计参量影响关系分析★

朱富城 张 辉 弓 南 韩啸霖 王永建

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068； 2.中国华西工程设计建设有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

当前，我国城镇化进程正处于高速发展时期。随着城镇人口的不断增加，为更好地解决土地紧张与成本开发带来的压力问题，房屋建设更多采用高层形式，同时也大大促进了高层住宅的发展。高层住宅量大面广，已成为建筑节能领域关注的重点之一[1]。

近些年来，国内相关学者针对高层住宅节能问题开展了诸多研究。宋昂扬采用PHPP针对天津新城公寓进行了围护结构优化和设备选型研究[2]。周淑玲通过建立天津地区住宅基准模型，提出了适用于多层、小高层住宅的低能耗建筑技术措施[3]，邓丰等基于上海地区气候特征和高层住宅用能特点，模拟分析了不同楼层围护结构、体形系数和空调方式等因素对高层住宅节能的影响[4]。陈华等以寒冷气候区典型城市天津为研究对象，总结高层建筑自身节能因素的影响规律[5]。在设计标准方面，如JGJ 134—2010夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准，DB42/T 559—2013湖北省低能耗居住建筑节能设计标准等[6,7]，也为武汉市高层住宅节能设计提供了参考。本研究从影响建筑节能的被动式设计因素入手，选取夏热冬冷典型地区武汉市的板式和塔式高层住宅进行对比分析，探讨不同被动式因素对建筑能耗的影响关系问题，进而为高层住宅被动式节能设计提供可行的思路和参考。

1 研究思路及模型参数设定

1.1 研究思路

研究中，引入节能率的概念，并选取高层住宅的外墙传热系数、窗墙比、朝向三个被动式设计参量，通过设置相应的阈值变化范围进行计算机模拟，从而对比不同参量变化对建筑能耗的影响。基于大量的模拟分析数据，采用拟合回归方法，探讨不同因素与高层住宅建筑能耗的影响关系。将节能率计算式定义为：

ER=(En-E0)/E0。

其中，ER为节能率(Energy-saving Rate)；En为改变某一被动式设计参量之后的建筑能耗；E0为所设定的标准模型的建筑能耗；同时由于标准模型的参数选择问题，计算出的某一参数节能率可能为负值，在计算综合节能率时，需将其做相对值处理。

1.2 计算分析模型及参数设定

课题组通过对武汉武昌片区的住宅调研发现，在19 371栋居住建筑中，高层住宅占到近46%，其中塔式高层约为18%，板式高层比重约为28%，并且18层以上占高层住宅的70%。因此，选取塔式和板式两种类型的高层住宅进行对比分析，其基本信息如表1所示。采用IES建筑环境性能分析软件建立基准模型，并设定各项参数，如表2所示。

表1 模型基本设定参数

表2 模型可变参数(阈值)

2 不同影响因素影响关系分析

2.1 外墙传热系数影响

一直以来，围护结构的热工性能是影响建筑围护节能的重要参数之一。降低建筑物耗热耗冷量的主要措施是提高围护结构的热阻。在进行能耗模拟分析时，将外墙传热系数k值作为变量，来研究外墙传热系数变化对建筑节能的影响。

通过IES建模模拟。为了排除建筑面积对塔式和板式高层住宅能耗的影响，基于得到的建筑总能耗，笔者将计算出每种情况下板式住宅与塔式住宅单位面积对应能耗，然后进行拟合回归分析，如图1，图2所示。

基于图1，图2可得拟合回归函数如表3所示。

针对拟合回归情况，可以看出，板式和塔式住宅的制热能耗的影响函数中系数分别为40.4和37.23，远大于制冷能耗的2.77和2.37。说明高层住宅外墙传热系数对制热能耗影响较大，即对冬季保温有着较大影响。

表3 外墙传热系数拟合回归

项目单位面积总能耗单位面积制热能耗单位面积制冷能耗板式住宅拟合回归方程y=44.23x+80.73y=40.4x+1.52y=2.77x+4.90拟合度R20.999 70.999 80.992塔式住宅拟合回归方程y=40.48x+85.03y=37.23x+3.06y=2.37x+6.94拟合度R20.999 60.999 80.976

基于对节能率的定义，将得出的外墙传热系数与单位面积能耗关系的数据与标准模型进行对比，计算其节能率，如图3，图4所示。

综合上述，板式高层住宅和塔式高层住宅制热能耗节能率随外墙传热系数k值影响较大，制冷能耗节能率随传热系数k值变化幅度较小，板式住宅外墙传热系数的综合节能率为22.03%，塔式住宅为19.57%。外墙传热系数参量综合节能率较高，节能潜力较大。

2.2 窗墙比影响

太阳辐射得热是高层住宅中户型得热的主要方式之一，而窗墙面积比可以控制各个朝向窗户的大小，窗户大小的改变，就意味着太阳辐射量所得热量的多少变化，可以将建筑窗墙比作为变量，来研究窗墙比对节能的影响。

通过IES建模模拟。基于得到的建筑总能耗，笔者将计算出每种情况下板式住宅与塔式住宅单位面积对应能耗，然后进行拟合回归分析如图5，图6所示。

基于图5，图6可得拟合回归函数如表4所示。

表4 窗墙比拟合回归

针对拟合回归情况，可以看出，窗墙比的减少，对板式住宅的制热能耗和制冷能耗以及塔式住宅的制冷能耗都有积极影响，但是影响都不大，说明有利于夏季的隔热，而对塔式住宅的制热能耗，却是呈现增加趋势，说明不利于冬季保温。

基于对节能率的定义，将模拟得出数据与标准模型进行对比，计算其节能率，如图7,图8所示。

综上所述，针对夏热冬冷地区高层住宅，板式住宅和塔式住宅窗墙比变量都对夏季隔热散热影响较大，窗墙比的改变对板式住宅的影响要大于对塔式住宅的影响。板式住宅窗墙比综合节能率为4.87%，塔式住宅为2.11%。窗墙比参量综合节能率一般。

2.3 建筑朝向影响

在高层住宅的设计中，朝向是一个较为重要的参量，不同的朝向对建筑的采光日照等有较大的影响，因此对能耗也有影响。

通过IES进行能耗模拟。计算出不同朝向情况下板式住宅与塔式住宅单位面积对应能耗，然后进行拟合回归分析，如图9，图10所示。

基于图9，图10可得拟合回归函数如表5所示。

表5 建筑朝向拟合回归

针对拟合回归函数可以看出，单位面积能耗均呈现先下降后上升的趋势，能得到最小值，其中板式高层住宅能耗量最低所对应的朝向为北偏东3.6°，塔式高层为北偏东3.8°。

基于对节能率的定义，将得出的朝向与单位面积能耗关系的数据与标准模型进行对比，计算其节能率，如图11，图12所示。

综上所述，朝向对板式住宅和塔式住宅制热即冬季的保温影响较大，说明朝向对高层住宅冬季接收太阳辐射产生热量较为重要，朝向的变化，对板式住宅的能耗影响更大。板式住宅建筑朝向节能率为2.52%，塔式住宅为1.65%，建筑朝向参量综合节能率较低。

3 讨论

根据上文所得数据，现总结外墙传热系数、窗墙比和朝向三种被动式设计参量对于夏热冬冷典型地区武汉市的高层板式和塔式住宅能耗的影响关系如表6所示。

表6 被动式设计参量与能耗影响关系 %

同时，针对上述影响关系分析，得出如下结论：

1)不同被动式影响关系方面。

外墙传热系数对建筑能耗的影响最大，其次为窗墙比，影响最小的为建筑朝向。综合节能率达到20%，在规范的要求范围内，选择最佳的外墙传热系数能够起到最大的节能效果。

2)板式和塔式住宅窗墙比影响方面。

板式住宅在窗墙比参量上综合节能率为4.87%，明显高于塔式住宅的2.11%，说明窗墙比参量对板式高层住宅的影响要大于塔式高层住宅。

3)板式和塔式住宅朝向影响方面。

朝向参量对板式高层住宅影响略大于塔式高层住宅。板式高层住宅基于能耗量最佳朝向为北偏东3.6°，塔式高层住宅为3.8°。

4)武汉地区高层住宅季节性影响方面。

外墙传热系数与朝向两个参量对制热能耗的影响较大，而窗墙比参量对制冷能耗影响较大，说明在武汉地区，外墙传热系数和朝向两个参量在冬季保温方面的节能潜力较大，而窗墙比参量在夏季散热隔热方面的节能潜力较大。