基于采暖空调总能耗的武汉地区居住建筑建筑最佳朝向研究/ 李运江 李易斌 张辉
Research on the Optimal Orientation of Residential Buildings in Wuhan Area, from the Perspective of the Total Energy Consumption of Heating and Air Conditioning of Buildings
摘要 采暖空调总能耗是建筑运行评价的重要参数之一，也是当今建筑节能减排主要控制的指标。建筑体形系数以及朝向是影响建筑能耗的重要因素，对建筑节能有着重要意义。以武汉地区居住建筑一典型板式住宅为例，采用能耗模拟软件PKPM，分析了在不同体形系数和建筑朝向下建筑的全年采暖空调能耗。研究表明，建筑体形系数和朝向对建筑能耗有较大的影响，并得出武汉地区板式居住建筑南偏东10°为最佳朝向的结论。
关键词 武汉地区；体形系数；建筑朝向；建筑采暖空调总能耗
ABSTRACT The total energy consumption of heating and air conditioning system is one of the important parameters for building performance evaluation, and it is also the main control index for building energy saving and emission reduction. The shape coefficient and the building orientation are important factors to affect the building energy consumption, and are significant for building energy conservation. A typical slab-type residential building in Wuhan is chosen as an example, the energy consumption simulation software PKPM is applied to analyze annual heating and air conditioning energy consumption of the building under different shape coefficients and orientations. The research shows that the shape coefficient and the orientation have an obvious influence on the building energy consumption. The conclusion is derived that the 10 degrees south by east is the best orientation of slab-type residential buildings in Wuhan.
KEY WORDS Wuhan area; shape coefficient; building orientation; total energy consumption of heating and air conditioning of buildings
*国家自然科学基金：高层住宅参数化被动式节能设计研究——以夏热冬冷地区为例，项目编号：51508169。中图分类号 TU111.19+5文献标识码 A
DOI 10.3969/j.issn.1000-0232.2016.06.114文章编号1000-0232（2016）06-0114-03
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作者简介教授，电子邮箱 ：larrylee8311@163.com ； 硕士研究生； 讲师； 三峡大学土木与建筑学院、湖北工业
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大学土木工程与建筑学院；湖北工业大学土木工程与建筑学院 前言
当前，我国的建筑能耗己接近社会终端总能耗的30%，占全国总能耗的首位，到2020年可能接近40%[1]。我国单位建筑面积能耗是发达国家的2~3倍以上，在保证热舒适性前提下，控制建筑能耗迫在眉睫，尤其是暖通空调能耗，它们占到了建筑能耗的60%。本文通过对武汉地区居住建筑南偏西、正南和南偏东3个不同朝向采暖空调总能耗的模拟，从而确定适宜武汉地区居住建筑的朝向。
建筑朝向不但影响采光、通风，还对建筑节能有着重大的影响。选择合理的建筑朝向是节能建筑群体布置中首先考虑的问题。建筑物的朝向对太阳辐射得热量和空气渗透耗热量都有影响。由于不同朝向上太阳辐射强度变化比较大，因此，合理选择建筑朝向对争取更多的太阳辐射量是有利的。
我国大部分地区处于北温带，房屋“坐北朝南”，这种朝向的房屋太阳可以最大限度地射入室内，同时南向外墙可以得到最佳的受热条件，满足冬季有较多的日
照和辐射、夏季避免过多的日照和辐射的要求。根据我国太阳辐射的特点，各地区的最佳朝向均在南偏西30° ~南偏东 30°范围内 [2]。
1建筑计算模型的确定
本次建筑能耗模拟使用的是中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所出品的PKPMCAD系列节能软件——建筑节能设计分析软件PBECA[3]。此软件已是基于节能设计的方便快捷和节能审查的可视化与数据化的结合而设计开发的，能为节能设计师提供准确的节能方向与有效的节能数据，帮助设计师完成美观实用与低能耗两者兼顾的优秀作品。已应用于全国多省市的建筑节能领域，在计算多层和高层建筑的使用能耗方面得到了认可，业已成为评价建筑节能状况的主要手段和依据[4]。
建筑模型位于武汉城区(北纬=31.00°，东经=114.00° )，建筑体形为条式，建筑结构类型为框架结构，
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建筑面积 2000m 的 4层居住建筑，层高为2.8m，夏季室温设定为26℃，冬季室温设定为18℃，外窗遮阳系数均为0.94，围护结构构造：外墙为(自外至内)水泥砂浆(3mm )+膨胀聚苯板 (30mm)+ 混凝土多孔砖 (240mm)+水泥砂浆(20mm)，屋面结构为 (自上而下)细石混凝土(40mm)+ 水泥砂浆 (20mm) +挤塑聚苯板 (50mm)+ 水泥 砂浆 (20mm)+ 钢筋混凝土(120mm)，地面类型为水泥砂浆 (20mm )+碎石，卵石混凝土1 ( 80mm )+夯实粘土1800。各面围护结构的参数设置如表1所示，建筑模型标准平面图如图1所示。
2模型能耗模拟与分析
2.1能耗与体形系数的关系
选择正南作为朝向，保持建筑面积不变，改变建筑平面形式如图2 所示[5]。模拟计算得到全年采暖和空调能耗，将得到的数据进行处理，并且定义各平面形式能耗与A平面形式能耗的比值为能耗比，绘制成能耗比的表格，体形系数与能耗的关系如表2 和图3 所示，拟合公式如表3所示。
从以上分析可知，随着建筑体形系数的增加，全年空调能耗、采暖能耗以及全年总能耗呈非线性增加，这也与相关文献研究成果吻合 [1、5、6]。
2.2能耗与朝向的关系
以平面形式C作为研究对象（50m×10m），从南偏西 15° ~南偏东15°每1°设置一次，并对其依次编号为 C-15~C+15 ，模拟计算得到全年采暖和空调能耗，并且定义各朝向能耗与正南朝向能耗的比值为能耗比，绘制成能耗比的表格，朝向与能耗比的关系如表4和图4所示。
根据以上分析可知，从能耗比的角度来看，随着建筑朝向由南偏西向南偏东偏转，能耗呈减少趋势。但是南偏东10°为临界点，超过南偏东10°后，采暖及空调能耗反而呈增加趋势。
2.3 拟合公式
根据模拟结果和实际情况采用多项式拟合得到在本文设定参数下建筑朝向与能耗比的回归方程，其中以南偏东为正，南偏西为负，单位为度，如表5所示 [6、7]。
结语
（1）建筑的体形系数和朝向对降低建筑能耗有很大影响；因此，在实际的建筑设计中，在满足建筑功能要求的情况下，应尽量选择规整的建筑平面，减少不必要的凹凸变化，并且选择最佳朝向。
（2）随着体形系数的增大全年总能耗增大，且空调和采暖能耗各自的增长不同，体形系数大约0.3 以下时，空调能耗增长较快，体形系数大约0.3以上时，采暖能耗增长较快；总能耗南偏西朝向大于南偏东朝向，且采暖能耗变化率大于空调能耗变化率。
（3）对于武汉地区板式居住建筑，体形系数超过0.3以后能耗增加较快，建筑的最佳朝向建议为南偏东10°，该朝向建筑全年采暖空调总能耗最低，这也与湖北省地方标准《低能耗居住建筑节能设计标准DB42/T 559—2013》4.1.2 条——建筑平面布置时，宜使居室朝向南偏东15°至南偏西15°，不宜采用东西不利朝向布置——相吻合[8]，因为居住建筑在此范围内，冬季有良好的日照，太阳辐射得热较多，可降低冬季采暖能耗；而夏季太阳辐射又较少，可降低空调能耗。
图、表来源
文中图、表均由作者绘制。
参考文献
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