本文是一篇建筑工程管理论文，本研究以西安地区住宅建筑的体型设计问题为切入点，研究住宅体型参数对能耗的作用规律，从建筑节能角度优化住宅建筑的体型设计。为了给模拟实验提供基础数据支撑，对西安地区既有单元式住宅建筑进行了实地调研；通过统计分析，得出西安地区住宅建筑体型设计现状、节能现状及各项体型的尺寸数据范围；以调研数据为依据，建立能耗模拟模型，通过合理的边界条件的控制，计算建筑不同体型参数组合下的住宅模型的能耗；对模拟结果进行统计分析并建立西安地区单元式住宅建筑各项体型设计参数与能耗的回归模型，最后总结归纳体型节能设计策略，并通过调研实例验证策略的有效性。
1 绪论
1.1 课题研究背景与意义
1.1.1 研究背景
我国进行建筑节能研究已经超过三十年，节能建筑的范围从单体扩展到群体，而后细化到绿色建筑材料和单项节能技术，但相比国外仍有一定差距[1]。即使是国内的不同区域，建筑节能的研究与应用方面也显现出了较大差异。以西安为例，对比国内其他城市，如夏热冬暖地区的广州、夏热冬冷地区的上海、同为寒冷地区的北京[2]，建筑节能研究与推广工作都领先于西安。针对相关问题，政府发布了一些居住建筑设计标准和规范、规定，并推出了有利节能推广的产业政策来控制能耗和鼓励节能，如《西安市建委关于深入开展绿色建筑创建工作的通知》中提到，参与绿色建筑项目的建设、设计、施工、监理等企业可根据其对该项目实施的贡献，享受相应当年信用评价加分或其他优待。这些措施一定程度上加快了节能技术的研究和推广。但是仍然存在一些不容忽视的问题，国家节能标准的要求相对宽泛，各地具体实施各有不同[3]，可供参照的适用的节能设计案例较少，西安地区新建住宅的节能水平也较为有限。
当前西安的《陕西省居住建筑节能设计标准》（DBJ61-164-2019）[4]中，对建筑的体形系数要求，仍延用的是国家标准中的数值。目前西安地区的居住建筑设计中，优化住宅物理环境的方法尚不能满足节能需求。在建筑节能设计应用方面缺乏大量适用案例和能耗数据，建筑的节能体系复杂，综合性强，影响因素相辅相成，仅减少影响因素的数值不能真正降低能耗[1]，如不能由于窗户的热量损失最多就封闭窗户或极度缩小窗墙比。由于不同的地域条件，没有可供设计者参照的基准模型，设计者仅能通过标准限值和经验设计，可能造成设计的不合理。
本课题以西安地区单元式住宅为研究对象，从住宅建设的基础数据和能耗模拟出发，研究西安地区单元式住宅体型设计参数与能耗的关系，为西安地区单元式住宅的体型节能设计提供可参考的数据资料。
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1.2 国内外研究现状
国内外学者在半个多世纪以前就开始了居住建筑节能研究，从行业标准到绿色建筑技术，节能减排的理念深入人心，研究涉及建筑围护结构、节能评价与检测、建筑体型、建筑外窗及遮阳等诸多方面[5]。
1.2.1 国内研究现状
我国住宅节能研究起步较晚，70 年代能源危机以后，节能研究才得到重视，相关热工、节能规范才相继制定、出台[6]。1986 年，我国第一部建筑节能设计标准出版，主要针对严寒、寒冷地区的居住建筑，后来逐渐增加了不同气候区的节能标准和公共建筑节能标准[7]。
（1）寒冷地区城镇住宅节能研究
我国寒冷地区城镇住宅的节能研究已经进行多年，成效较好，我国的住宅节能水平已经从无增长到部分城市的 75%，近几年寒冷地区城镇住宅的节能研究主要包括宏观方向上的住宅节能潜力和节能途径研究，中观层面的建筑布局、单体建筑的能耗计算方法、节能方法研究等，更进一步是微观方面的建筑构件节能研究包括围护结构构造、保温材料、建筑节能适用型技术、空间设计因素、外窗得热及窗墙比的取值研究等，具体研究如下：
清华大学的江亿[8]分析了北京市大型公共建筑、住宅建筑的用能现状、节能潜力及节能途径。丁勇[9]等通过改变建筑布局和朝向来改善室内自然通风，运用能耗模拟和流场数值分析，指出建筑朝向对室内自然通风效果的影响较大。冯永芳[10]等综合计算了建筑能耗，指出建筑能耗不仅与建筑的外围护面积相关，还与建筑热工性能及建筑内部热扰相关，同时指出应减少建筑热工性能较差部位的外露面积。徐晓丽[11]采用 CFD 技术分析了天津地区居住建筑常用的太阳复合墙体及双层通风玻璃幕墙，并运用 Matla 设计了室内冷热源智能控制系统。刘元[12]对寒冷地区建筑节能技术的特点和室内热环境状况进行了分析，指出了寒冷地区城镇居住建筑采暖的基本节能途径和适应性措施。较外墙来说通过外窗损失的能耗更多，故窗户的面积占比问题引起了较多争议。为减少通过外窗损失的热量，我国制定了建筑外窗的保温性、采光性、气密性和水密性进行分级和检测的标准，并于 2008 年和 2019 年先后两次对其进行了修编[13]。张雯[14]通过能耗模拟软件详细计算了建筑东、西、南、北四个朝向设置不同窗墙面积比、窗户材料及不同遮阳措施时，建筑全年总能耗，指出南、西向的传热系数和窗墙比并非越小越节能。简毅文[15]分析了建筑窗墙比对建筑全年供暖、空调总能耗的影响，指出在合理利用外窗遮阳和夜间通风的基础上，增加南向窗户的尺寸有利于建筑节能。傅文裕[16]分析了建筑屋顶、窗户、阳台及建筑平面形式对住宅日照的影响，指出窗口的朝向、形状对室内日照面积有影响。王立群[17]研究了寒冷地区居住建筑外窗的窗框、玻璃、气密性等因素对太阳辐射得热的影响，并对其进行了节能设计。胡松涛、李立健[18]等通过对东西、南、北不同窗墙比水平下的正交模拟实验，指出的窗墙对建筑能耗的影响从大到小依次是东西向、南向、北向。解勇[19]等研究了外窗太阳得热系数的实验测量方法，提出了热箱法，并开发出了国内首台实验室中外窗太阳得热系数的测量设备。建筑形态引起的能耗差异很大，众多学者对建筑形态的节能优化进行了研究。刘加平、谭良斌[20]等学者研究了建筑平面布局、体形系数、建筑体型与能耗的关系，并指出设计的要点。张海滨[21]通过能耗模拟及统计学方法研究了寒冷地区建筑的体型设计参数与住宅能耗的定量关系，并提出了居住建筑节能体型优化系统。刘立[22]通过建立典型模型及能耗正交模拟实验，分析空间设计因素对建筑能耗的影响，指出对建筑能耗影响最大的因素排序依次是层高、窗墙比、标准层面积、平面长宽比、建筑朝向、外窗水平遮阳板长度。
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2 西安地区单元式住宅体型设计参数调研及分析
2.1 西安地区气候条件
2.1.1 地理位置
西安地区地处关中盆地中部，渭河流域中部，东经 107.40 度~109.49 度和北纬 33.42度~34.45 度之间，北濒渭河，南依秦岭，包括西安市下辖 11 区（未央区、新城区、碑林区、莲湖区、灞桥区、雁塔区、阎良区、临潼区、长安区、高陵区、鄠邑区）2 县（蓝田县、周至县）和西咸新区，总面积 10752 平方公里，2017 年末户籍人口 905.68 万。
2.1.2 气候特征
西安属暖温带半湿润大陆性季风气候，冷干暖湿四季分明，冬季气温较低、风速较小、雾较大、雨雪较少；春季较为温暖、空气干燥、多风、冷热交替变化较为明显；夏季高温多雨，但某一时段太阳辐射强烈、干热缺水的现象较为突出，某时段多雷雨和大风；秋季气候较凉爽，气温骤降，该时段伴有明显的降雨量大、时间长的强降雨。根据西安气象观测站 1981~2010 年的气象观测资料统计，年平均气温 13.0 ℃~13.7 ℃，1 月份最冷时的平均气温为-1.2 ℃~0.0 ℃，7 月份最热时的平均气温为 26.3 ℃~26.6 ℃，年降水量 522.4~719.5 毫米，7 月、9 月降水最多，由北向南递增，年日照时数 1646.1~2114.9 小时，属于寒冷气候区。
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2.2 单元式住宅设计特点
2.2.1 单元式住宅形式特点
单元式住宅，是两户以上的集合式多、高层住宅[40]，我国人口密度高、土地资源相对匾乏，单元式住宅是顺应时代趋势的住宅形式，通常一个楼梯组合可容纳 2~4 户（体量稍大的住宅每层可容纳 5~8 户），住户以楼梯为中心，由楼梯平台进入分户门，每户自成一体，每个楼梯组合所控制的住户区域称为一个居住单元[41]；每户的生活设施自成一体，既有效减少了住户之间的相互干扰，又保留一些公共使用面积，例如楼梯、走廊，保证了邻里交往，有助于和睦人际关系[42]；由于各层住宅的户型基本一致，可以进行标准化设计和生产，有助于节省人力和物力。
2.2.2 单元式住宅节能设计特点
从住宅的功能来看，住宅节能设计的重点是降低用于维持室内热舒适所消耗的采暖和制冷能耗。由于单元式住宅的建筑形式、使用人群和相关社会经济现状等特点，单元式住宅节能设计面临的特殊问题就是我国现阶段单元式住宅尚不具备推广高成本高科技含量的节能设计的能力[43]。因此，单元式住宅节能设计根据住宅本体耗能特点、使用者生活方式、使用习惯、及单元式住宅形式特点，通常以被动式节能设计为主，单元式住宅节能设计的批量化和可复制性，既减少设计时间，又节省相关构件、材料的造价。
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3 模拟方案确定与物理模型建立 ................................. 23
3.1 PKPM-Energy 软件概述 .............................
