一、前言

　　為了維持室內舒適的光環(huán)境和熱濕環(huán)境，建筑要消耗大量的能量用于照明、采暖和空調。據統計，發(fā)達國家建筑能耗在總能耗中所占比例很大，約40％，中國目前的建筑能耗約占總能耗的23％左右，預計到2010年將提高到35％左右。建筑工業(yè)中越來(lái)越重視可持續建筑的發(fā)展，因此能效建筑規劃設計（Energy Efficient StrategicDeSignH}常重要，它將是可持續發(fā)展建筑設計的重要手段。

　　所謂能效建筑規劃設計就是根據當地的氣候條件，通過(guò)建筑設計及技術(shù)手段，充分利用自然資源，減少對有機能源的依賴(lài)，達到舒適的室內環(huán)境。目前，中國的建筑設計更多的是側重于建筑的外觀(guān)和功能，而忽視建筑的能效性，即忽略了在建筑設計的初始階段，進(jìn)行建筑能效規劃設計的優(yōu)化方案選擇。根據調查分析，能效設計概念難以在實(shí)踐中實(shí)施的原因是多方面的，其中主要原因之一是缺乏能為建筑設計師所接受和使用的，在建筑設計初始階段進(jìn)行的能效設計規劃計算方法和計算軟件。本文介紹英國劍橋大學(xué)建筑系馬丁建筑與城市研究中心開(kāi)發(fā)的一種為建筑師規劃設計所提供的照明及熱能計算方法（LT方法，Lighting and Thermal），該方法在英國建筑能效規劃設計中運用廣泛，已有十幾年的歷史，特別適用于能效建筑規劃設計。

　　二、能效建筑規劃設計原理

　　1．被動(dòng)式建筑概念（PaSSiVe BLlikling）具體地講，被動(dòng)式建筑就是通過(guò)建筑設計，使建筑冬季充分利用太陽(yáng)輻射熱取暖，盡量減少通過(guò)圍護結構及通風(fēng)滲透而造成的熱損失；夏季盡量減少因太陽(yáng)輻射及室內人員、設備散熱造成的得熱量。從被動(dòng)式建筑設計概念出發(fā)，我們可以將整個(gè)建筑劃分成被動(dòng)區和非被動(dòng)區（PassiveZone and Non—passive Zone）。被動(dòng)區受室外氣候參數及周?chē)�建筑環(huán)境的直接影響，如太陽(yáng)輻射，照明，自然通風(fēng)、周?chē)�建筑的遮擋等，被�?dòng)區進(jìn)深一般為建筑層高的2倍。而非被動(dòng)區可以認為不受外霽氣候參數的影響，它只受室內人員設備散熱的影響，該區白天也需要照明。LT方法就是基于這一原理，對各區建立能量方程，計算為維持室內要求的光、熱、濕環(huán)境要求所消耗的能量。關(guān)于該方法數學(xué)模型的建立不在此文討論，本文側重于該方法的應用。

　　與目前普遍使用的建筑熱模擬工具不同之處在于，LT方法簡(jiǎn)化數學(xué)模型，抓住建筑設計中主要矛盾展開(kāi)研究，因而所需輸入的數據限制在極小范圍（在建筑規劃設計中，詳細建筑信息也無(wú)法獲得），這樣便于方案比較，使用靈活簡(jiǎn)便。當然，在建筑設計完成后，要對建筑作進(jìn)一步細致的熱過(guò)程分析及設備選擇等工程設計時(shí)，該方法的功能受到限制。

　　2．建筑設計參數能效建筑規劃設計的目的就是通過(guò)對建筑參數的優(yōu)化設計，達到既節能又滿(mǎn)足室內熱環(huán)境的目的。建筑設計參數包括4）：

　�。�1）建筑參數地點(diǎn)：建筑地點(diǎn)的輸入是為了確定其氣象數據。逐小時(shí)的氣溫、太陽(yáng)輻射值已集成在軟件中，隨著(zhù)地點(diǎn)的確定，氣象數據即自動(dòng)輸入到程序中；建筑尺寸：該參數可直接從屏幕中圖象輸入；建筑方位：在屏幕中圖象輸入的同時(shí)方位即被確定；建筑結構類(lèi)型：該項參數分為三類(lèi)，即重型、中型、輕型；建筑功能：建筑功能分為學(xué)校、辦公室、住宅等，一旦建筑功能確定，作息時(shí)間即確定，這是影響建筑能耗的因素之一。

　�。�2）設備參數供熱效率：指鍋爐的熱效率；制冷效率：指制冷設備效率；室內散熱：包括人體和設備散熱；冬季換氣次數：為健康要求所需的最低新鮮空氣需求量；夏季通風(fēng)方法：大風(fēng)量自然通風(fēng)／小風(fēng)量自然通風(fēng)／夜間通風(fēng)。

　�。�3）照明參數設計照度：根據房間的使用功能輸入設計數據。

　�。�4）圍護結構參數屋頂傳熱系數、外墻傳熱系數、地面傳熱系數、窗戶(hù)傳熱系數：按設計的要求輸入數據。

　�。�5）熱工參數冬季采暖設置溫度、夏季空調設置溫度：按設計的要求輸入數據；夏季過(guò)熱溫度設置：根據當地氣候，建筑功能設置。

　　熱能方程及照度計算所要求的其它一些參數，根據設計規范要求集成在計算軟件中，大大簡(jiǎn)化了軟件的使用過(guò)程。設計人員可對主要設計參數加以改變，分析由此而引起的建筑能耗的改變，計算機可對所設計的不同參數的建筑設計方案進(jìn)行全年能耗比較，建筑師可通過(guò)對不同方案的比較，優(yōu)化出最佳方案。

　　3．應用舉例為了便于解釋?zhuān)�我們舉一案例加以說(shuō)明。所計算的建筑為位于英國南部地區的辦公樓建筑，建筑使用時(shí)間為上午9：00到下午6：00，建筑結構為中型，鍋爐的效率系數為O．85，制冷效率為2．5，室內人員及計算機設備散熱為15W／㎡，冬季換氣次數為每小時(shí)1次，室內照度要求為300 lux，屋頂、外墻、地面及窗戶(hù)的傳熱系數分別為0．25W／㎡．K、O．45W／㎡·K、O．45W／㎡．K、2．9W／㎡·K.冬季采暖設置溫度為19℃，夏季空調設置溫度21℃，夏季過(guò)熱設置溫度為23℃。

　�。�1）窗墻比（Glazing Ratio）窗墻比定義為窗戶(hù)面積與該外圍護結構面積之比。LT計算軟件可根據所輸入的建筑信息運行生成不同方位的被動(dòng)區窗墻比與能耗的關(guān)系曲線(xiàn)。注意，這里的能耗是指原能，又稱(chēng)基本能量（Primary Energy），包括能源在生產(chǎn)及輸送過(guò)程中的損失。

　　為該案例各朝向單位面積終端能量消耗量與窗墻比的關(guān)系曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出，照明所消耗的能量（黑虛線(xiàn)）會(huì )因增大窗墻比而減小，當窗墻比面積小于35％時(shí)，這種變化非常顯著(zhù)，即增大窗戶(hù)面積有利于自然采光，減少照明用電能耗，但窗墻比大于40％時(shí)，天然采光對減少照明用電能耗并沒(méi)有太大的優(yōu)勢。

　　供熱所消耗的能量（黑色細線(xiàn)）除北向外，隨著(zhù)窗墻比的增加，采暖能耗稍有所下降，這是因為充分地利用了太陽(yáng)輻射熱。

　　而對于北區，由于增大窗戶(hù)面積而增加了導熱傳熱，又沒(méi)有太陽(yáng)輻射熱補償，因此采暖能耗會(huì )因窗戶(hù)面積增加而增加。對于空調能耗來(lái)說(shuō)，則相反，由于增大窗墻比，南面及東西面受太陽(yáng)輻射的影響，空調能耗（灰線(xiàn)）會(huì )急劇增加。相比之下，北面空調能耗增加幅度小一些。圖中黑粗線(xiàn)為照明、采暖及空調的總能量曲線(xiàn)，表示了這一案例條件下，各朝向的最佳窗墻比。

　　可以看出，南向最佳窗墻比約30％左右，東西向25％～30％，北向30％～40％左右。

　�。�2）建筑保溫圍護結構如外墻、屋頂及窗戶(hù)的保溫性能，可通過(guò)U值反應出來(lái)，U值是指圍護結構的傳熱系數。通過(guò)改變U值，可以比較各能量分配中的變化。

　　為不同的U值對單位面積建筑能耗的影響。本文列舉了U值分別為0．45（英國標準），0．82（中國新標準）及1．7（中國原規定）值進(jìn)行了對比計算。從圖中可以看出，圍護結構傳熱系數對建筑能耗影響較大。增加圍護結構保溫性能，會(huì )大大減少建筑總能耗。

　�。�3）通風(fēng)自然通風(fēng)及夜間通風(fēng)是一種排除室內散熱，降低室內溫度，提高熱舒適性的有效方法。對于所設計的建筑方案是否采用自然通風(fēng)作為降溫方法，也可以通過(guò)方案比較，作出選擇。為該案例舒適溫度設置為23℃時(shí)，通風(fēng)方案對室內舒適度的影響。

　　這里引用了“過(guò)熱天數”指標，如果一天中有連續2小時(shí)超過(guò)所設舒適溫度，則稱(chēng)該天為過(guò)熱天。圖中灰條線(xiàn)為小風(fēng)量通風(fēng)方案，白條線(xiàn)為大風(fēng)量通風(fēng)方案，黑條線(xiàn)為夜間通風(fēng)方案，它們分別表示了各方案夏季“過(guò)熱天數”（0Verheating Days），建筑師可以應用這一指標，在規劃設計時(shí)對自然通風(fēng)方案的選擇進(jìn)行分析和決策。

　　影響能效建筑設計優(yōu)劣的因素之間也相互影響，如增大窗戶(hù)面積，有利于充分利用自然光照明，減少用電照明的能耗，冬季南向窗戶(hù)有利于接收太陽(yáng)輻射熱以減少采暖負荷，但過(guò)多增大窗戶(hù)面積，也會(huì )造成夏季不利的太陽(yáng)輻射熱，進(jìn)而增加空調負荷。

　　在照明能耗，供熱能耗與空調能耗的之間存在著(zhù)平衡點(diǎn)，如何全面地考慮這些因素，使建筑設計達到能效的目的，這就需要對建筑設計的不同方案從能效角度進(jìn)行方案比較。本文介紹的能效建筑規劃設計方法——LT方法就是根據這一要求而發(fā)展的能效建筑規劃設計輔助工具，它已編制成用戶(hù)界面，使用靈活方便。多種方案的全年能耗運行結果以圖像形式呈現在屏幕上，便于比較和決策之用。

　　三、能效建筑區域規劃

　　建筑能耗不僅受單體建筑自身參數，如建筑布局、方位、位置等的影響，而且受周邊建筑及環(huán)境的影響勖。例如，對于一個(gè)建筑，街對面的建筑（又稱(chēng)遮擋物建筑Ob—Struction Bunding）高度，與該建筑的距離及其建筑材料會(huì )影響此建筑的照明、采暖和空調能耗。因此，能效建筑規劃設計應該既考慮單體建筑的能效設計又綜合考慮總體建筑規劃。為了便于分析，我們采用城市高度角（U HA）及遮擋建筑視角（OSV），這兩個(gè)概念見(jiàn)圖5所示。室內的自然采光及太陽(yáng)輻射量，受這兩個(gè)參數的影響，直接影響到照明、采暖和空調能耗。因此，如何實(shí)現合理的城市布局及總體規劃，對建筑節能也具有重要意義。

　　1．計算方法結合LT方法對整個(gè)城市或小區進(jìn)行建筑能耗設計規劃，劍橋大學(xué)馬丁建筑研究中心開(kāi)發(fā)了LT—urban程序，它是根據城市建筑群布局，采用Matlab圖像處理技術(shù)，獲取LT能量計算所需要的朝向、方位、城市高度角等參數，再將LT所計算的建筑能耗（照明、采暖空調能耗）反應在建筑規劃圖中。建筑師不必掌握Matlab圖像處理技術(shù)，僅需在CAD軟件中用不同顏色對不同高度的建筑加以區別，并以JPG文件格式輸出。LT—urban將自動(dòng)把建筑群圖形轉換成黑白灰度數字高度模型（Digital Eleva—tion Model—DEM）。該模型在Matlab上運行，可產(chǎn)生能量計算所需要的參數，如被動(dòng)區、非被動(dòng)區、朝向、城市高度角等，并能計算出對應參數的城市建筑規劃能量圖，為建筑師進(jìn)行能效建筑規劃設計提供依據。

　　2．應用舉例本文以馬丁建筑研究中心受歐盟資助的項目“溫室氣體零排放城市發(fā)展——能量、建筑、人及微氣候”為例，說(shuō)明能效建筑規劃設計方法在城市規劃設計中的應用。

　�。�1）城市數字高度模型（DEM）建筑區域規劃圖經(jīng)CAD賦色處理后以JPG形式輸出，Matlab程序則自動(dòng)將此圖形轉化成能分辨出建筑高度的平面圖，即城市數字高度模型。為英國倫敦、法國的圖盧茲、德國的柏林的市區400×400的城市數字高度模型圖。該圖形為下一步的建筑方位，城市高度角、障礙物視角、被動(dòng)區與非被動(dòng)區等參數的計算提供基本參數。

　�。�2）城市建筑參數圖城市數字高度模型圖輸入Matlab程序后，計算機自動(dòng)生成所要求的各建筑參數圖。圖7為倫敦6m高處建筑參數圖，它們分別表示被動(dòng)區、非被動(dòng)區；朝向、視角；UHA和0SV。

　�。�3）城市建筑能量分布圖Matlab程序確認所需建筑參數后，計算機自動(dòng)生成該區域全年能耗圖。為英國倫敦的城市全年總能耗分布圖。

　　對新建小區，建筑師可對不同的建筑布局進(jìn)行能量比較，直觀(guān)的區域建筑能量規劃圖像顯示便于幫助建筑師對整個(gè)區域的能效建筑設計作出合理規劃。

　　四、結語(yǔ)

　　本文的目的在于提高建筑師的環(huán)境設計意識，作者介紹了英國劍橋大學(xué)馬丁建筑城市研究中心開(kāi)發(fā)的為建筑師所用的能效建筑規劃設計方法——LT方法。該方法所需輸入的建筑基本參數少，便于對影響建筑能耗的建筑參數進(jìn)行方案選擇比較，使用靈活、省時(shí)。LT方法與Matlab圖像處理技術(shù)相結合的基礎上開(kāi)發(fā)的LT—Ur—ban程序，是一種用于城市區域能效建筑規劃的方法。該方法為建筑師的能效建筑規劃設計提供了有力工具。