基于节能的寒冷地区大空间公共建筑空间设计方法研究开题报告

基于节能的寒冷地区大空间公共建筑空间设计方法研究——开题报告一、研究背景公共建筑在建筑的标准、功能及全年空调采暖系统等方面有许多共性，其能耗特别高，节能潜力也最大。在公共建筑的全年能耗中，大约50%-60%消耗于空调制冷与采暖系统，20%-30%用于照明。而在空调采暖这部分能耗中，大约20%-50%由外围护结构传热所消耗。寒冷气候区按照现行的热工分区，包括严寒地区和寒冷地区，在这类地区的各类公共建筑，冬季需要采暖，夏季需要空调制冷，建筑运行能耗远远高于居住建筑和其他气候区的公共建筑，是我国建筑节能的重点。不合理的公共建筑空间设计，例如空间尺度过大、空间分区不当、围护结构保温隔热性能差等问题，导致环境舒适度的降低和建筑运行能耗的增加。当前我国实行的建筑设计节能标准中，对建筑节能的强制要求是通过对建筑体形系数、窗墙比、建筑围护结构热工设计以及采暖、通风、空调调节系统设计的参数指标限制来实现，这些参数指标都体现在建筑设计阶段的末端，无法真正发挥建筑师在节能设计中积极作用。虽然建筑体形系数或窗墙比的设计一定程度上反映在方案设计阶段，但是这仅仅是对设计结论的约束，并无法真正指导到建筑师的设计过程，无法让建筑师在方案设计中更灵活的运用节能手段。我国的建筑设计领域对于建筑节能的要求仅体现在初步设计阶段，在方案设计和施工图设计阶段皆没有具体要求；而对建筑能耗的评价则是在建筑施工过程中或者建成交付使用后进行能耗计算和评价，无法真正解决建筑节能的问题。而在规划建筑方案设计过程中，配合指导建筑师的方案创作，在进行建筑设计的同时配合节能设计，将会取得技术和艺术两方面的突破，实现二者真正的交融。目前有关低能耗公共建筑空间设计研究主要存在的问题有以下几点：(1)纵观所有的研究成果，有关公共建筑节能的研究，其研究对象一部分是针对建筑物自身热工特性开展的工作，比如建筑围护结构和空调采暖设备等，研究与建筑节能的相互影响关系，另一部分是针对建筑投入使用后的节能效果测试或评价，而针对建筑方案设计阶段节能问题的研究，比如空间设计与节能的关系，相对比较少，而且目前有关的研究成果不够细致深入，没有考虑建筑所有环境因素的影响以及得到相应的定量关系。(2)纵观目前有关空间设计与节能关系的研究，大部分是研究建筑体形系数与建筑节能的关系，而没有直接研究建筑空间设计参数与建筑能耗的定量关系。而且分析以往的研究成果，并没有深入考虑太阳辐射对建筑能耗的影响，没有将此因素纳入到建筑体型与节能的关系中去。(3)目前国内外针对建筑空间设计与节能关系的研究，基本上都是通过研究建筑设计参数比如建筑进深、开间、高度与建筑体形系数的关系，然后根据体形系数与建筑节能的关系，从而推导出设计参数与节能的关系。这种方法无法让建筑设计参数与建筑能耗直接发生关系，很少有研究者采用计算机能耗模拟的方法，深入研究建筑空间设计参数与能耗的关系，并由此得出建筑空间设计参数与建筑节能的定量关系。(4)总结以往的研究成果，并没有形成直接应用于建筑师建筑设计的成果，得到的仅是建筑空间设计与节能的关系曲线或者函数表达式，可操作性不强，无法直接指导建筑师进行建筑设计。建筑师作为建筑设计的核心，在建筑节能设计中也应该一马当先，把建筑方案设计和建筑节能概念的贯彻联系到一起，应更注重方案设计阶段的节能措施，否则，建筑节能技术将会因为方案设计的先天不足而被削弱。建筑师需要更直观的成果，可以在进行建筑设计时进行直接的节能参考或者及时的节能效果对比，以简化节能设计的过程，使建筑设计与节能设计达到更好的融合。二、国内外研究现状1989年瑞士的Faist等人根据不同的建筑主题提出了一个完整的设计系统，其中包括跟节能相关的建筑结构设计，电气设备和成本估算等数据输入[1]。2001年波兰的Hanna等人为了提升私人住宅及公寓的节能水平，通过优化建筑物的外围护结构、建筑平面形状以及建筑采暖系统达到建筑节能的目的，其中采用数学分析的方法研究了矩形和梯形平面的节能设计对比，得到建筑平面尺寸跟节能的影响关系式[2]。2002年G.A.Florides等用软件TRNSYS对一个典型建筑的通风、遮阳、各种形式的外窗、朝向、建筑遮阳以及墙体进行了综合模拟分析，强调了建筑保温隔热研究的重要性。在对建筑朝向的研究中指出从节能的角度出发，长方体的建筑长边面向南北向最合理[3]。2006年加拿大的WeiminWang等人采用遗传算法（thegeneticalgorithm）研究了在绿色建筑设计中建筑平面形状对建筑性能的影响关系，通过建立模型，探讨了由于建筑平面具有很大的可变性，由此产生的对建筑性能的影响也有多种变化[4]。2010年意大利的Eddine等人采用方差分析的方法，研究了办公建筑概念设计阶段各个设计变量对建筑节能的贡献度，以指导建筑师更好的进行建筑节能设计[5]。作者以意大利五个典型城市的建筑为例，提取影响节能的六大因素---体形系数、表面积系数、太阳辐射系数、外遮阳系数、建筑朝向以及建筑内部有效热容量。得出这几个因素对建筑的采暖和空调能耗的影响显著不同，对采暖能耗影响最大的是体形系数，影响比率占到0.54-0.69；而对建筑空调能耗影响最大的是表面积系数，影响比率占到0.8以上，影响最小的因素为建筑外遮阳系数，影响比率仅有0.07。在上世纪80年代，我国著名的建筑物理学家胡璘对住宅和公共建筑的建筑平面、体形和朝向与节能的关系进行了研究，得出从减少建筑外露面积的角度考虑，圆柱形建筑节能效果最佳；另外通过分析建筑体形、高度、体形系数三者的对比关系，得出最经济实用的板式住宅的层数为4-6层，进深为9m-13m，住宅长度为25m-50m；最后分析建筑朝向与节能的关系，得出住宅平面以主朝向南北为最有利[6]。1983年冯永芳和向松林对建筑体形系数和建筑能耗的关系进行研究，提出“建筑节能与否不只与建筑物的外露面积有关，还同时与建筑围护结构热工性能以及建筑内部各种负荷有关”。作者采用能耗计算的方法，得到了理想节能建筑体型为边长32V、高度3/4V（V为建筑体积）的正方体，并得出理想节能建筑体型不仅要有较小的外露面积，并且应该使该建筑围护结构热工性能较差的部位面积减小到最低。另外通过改变建筑体型参数，探讨与建筑节能效果的相互关系，得出建筑能耗指标与建筑体积的立方根成反比，多层建筑有利于节能等结论[7]。1990年清华大学建筑学院的蔡君馥等人[8]对北京、西安、哈尔滨三个地区常用的条形居住建筑在不同体量下的传热耗热量指标计算分析的基础上，得出住宅建筑体量增加与单位建筑面积热耗下降的关系曲线。并得到以下结论：(1)单幢建筑的体量越大，其单位建筑面积的传热耗热量越小，且随着体量不断增大，耗热量的下降趋势越来越小，到一定阶段后趋于平缓；(2)单幢建筑的层数相同而幢深不同，则幢深越大由体量加大而导致的节能效果越显著；(3)单幢建筑的幢深相同而层数不同，则层数愈高时，体量增大导致的节能效果越加显著；(4)不同体量的建筑均有其耗热量最低的体型。另外，作者分析了节能体型的影响因素和相互关系以及各种体型对朝向的敏感程度，提出从节能考虑适宜的住宅幢深为12m-14m，当建筑面积在2000㎡以下时，层数以3-5层为宜，建筑面积在3000-4000㎡以上时，层数以6层以上为宜。此外，在住宅平面设计方面，提出温度分区和设置温度阻尼区的观点。2000年同济大学的宋德萱、张峥首先从建筑体形系数的角度，研究与能耗的关系，得出联列递减律、高度反比律、正方极限律、L/A替代律等四个规律；然后对不同平面组合与建筑节能的影响关系进行研究，得到建筑朝向、平面形状与建筑能耗的关系曲线；并对建筑体形系数和建筑平面尺寸、建筑高度、建筑排列方式的关系进行研究，提出了与控制建筑体形系数相关的节能设计原则，通过模型实验，具体分析在风、热等环境条件下的不同平面形状建筑的节能效果，得以下结论：[9](1)圆形平面最利于节能，三角形平面最不利于节能；(2)分析建筑物平面形状时应充分考虑太阳辐射的影响；(3)应充分考虑角系数的影响，在节能设计时，尽量减小角系数；(4)严格控制建筑的外表面积是节能控制的关键；(5)改善环境小气候指标对控制节能有重要意义。1997年房志勇等以及随后的宋德萱、王立雄、李德英等人各自编著的建筑节能教材中，将前人的研究结论进行整理归纳，得到建筑平面尺寸与建筑能耗的定量关系表，同时将建筑朝向、建筑体型与建筑节能的关系进行量化整理[10][11][12][13]。2005年西安建筑科技大学的王锦研究了建筑方案创作阶段的节能构思，提出要重视建筑师在建筑节能设计的作用，总结了控制建筑体形系数的影响因素，以及在方案设计过程中需要注意的方面[14]。2007年重庆大学的彭家惠、操雪荣通过分析重庆居住建筑的特征，采用DOE-2能耗模拟软件分析了建筑平面形状、建筑物长度、进深、高度与建筑体形系数及建筑节能的定量关系，得到表示各影响关系的回归方程[15]。并得出结论：(1)随着建筑长度或者进深的增大，体形系数减小并趋于一个定值，体形系数变化与能耗变化呈线性正相关关系；(2)随着建筑层高减小，体形系数增大，建筑能耗减小；(3)随着建筑高度增加，体形系数减小，建筑能耗随之减小，且体形系数变化对采暖能耗的影响大于对空调能耗的影响。2007年西安建筑科技大学的杨柳、王丽娟采用动态模拟软件DOE-2IN对我国寒冷地区办公建筑设计参数跟节能的关系进行研究，并用统计学的方法分析了北京、西安、拉萨三个地区的建筑节能设计参数与能耗的综合关系[16]。得出：(1)随着窗墙比增大，北京、西安地区建筑能耗同样增大，而拉萨地区能耗减小；(2)随着墙体传热系数增大，北京、西安地区建筑的采暖能耗增大，而拉萨地区建筑的空调能耗稍微减小，总能耗显著增大；(3)随着屋面传热系数增大，三个地区办公建筑的采暖能耗均增大较多，而空调能耗相对不变；(4)建筑高度增加导致建筑空调能耗减小，采暖能耗增大；(5)对于不同平面面积的建筑，建筑平面长宽比的变化对建筑空调能耗、采暖能耗的影响不同，且不同地区的影响变化也不同；(6)随着建筑平面面积的增大，北京、西安地区建筑能耗减小，而拉萨地区建筑的能耗增大。2008年重庆大学建筑城规学院的周异嫦对重庆地区居住建筑平面形式对节能的影响进行研究，通过对重庆地区居住建筑常用平面形式的总结，提取了五种典型平面-凹字形、Y字形、风车型、工字形以及板式，研究其在建筑功能布局、节地、通风、采光等因素的影响下建筑设计参数与建筑能耗的关系[17]。得出：(1)重庆地区建筑体形系数增大0.1，板式建筑能耗增大约0.7%，点式住宅的总能耗增大约1.7%。(2)相同体形系数下，板式建筑能耗比塔式建筑高。凹形与工字形住宅最为节能，风车形与Y字形住宅节能效果稍差。2009年西安建筑科技大学的刘加平、谭良斌等人在其著作《建筑创作中的节能设计》中，提出要提升建筑师在建筑节能工作中的重要作用，从建筑平面布局、体形系数、建筑体型形态等方面论述与能耗的关系，提出指导建筑师进行建筑设计的要点[18]。三、研究目的及意义建筑空间设计对建筑能耗的影响显著，体形系数、建筑造型、平面形式、空间组合形式等设计因素都影响到建筑节能效果，但不能一味的限制这些参数，否则将严重制约建筑师的创造性，有损建筑造型，而且使建筑平面布局受限，妨碍建筑的基本使用功能。研究基于节能理念的寒冷地区公共建筑空间设计设计方法，使公共建筑节能设计的基础研究工作又往前迈了一步，必将对公共建筑，特别是大空间公共建筑节能工作起到推动作用，从而为建筑的可持续发展创造有利条件，同时可以提高建筑师的能动性，在做到建筑节能的同时创造出更优质的建筑。本研究基于建筑节能思想，对寒冷地区大空间公共建筑空间设计方法进行系统的理论分析，旨在建立建筑能耗与空间设计参数之间关系的完整体系，既有定性分析，也有定量计算。研究是对以往相关成果的更新与补正，是对建筑节能设计研究的补充与完善，通过在全气候条件下对建筑能耗的影响下，研究建筑方案设计与节能的关系，使我国建筑节能设计标准相关数据的完善，并为新的节能设计标准的制订提供有