邴赫亮
(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)
隨著科技的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步,人們對(duì)于空間舒適度的期望越來(lái)越高,同時(shí),人們的環(huán)保節(jié)能意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)。因此,單獨(dú)探討使用空間的舒適度或僅僅關(guān)注于使用空間的節(jié)能情況是并不全面的,有必要將二者相結(jié)合,在保證空間舒適度的情況下有效地降低能耗。
采光設(shè)計(jì)作為建筑設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分直接影響著整個(gè)空間光環(huán)境的舒適度,采光設(shè)計(jì)的合理與否影響著人的心理狀態(tài)和生理健康[1-5]。 同時(shí),自然采光作為綠色的、無(wú)能耗的照明手段其節(jié)能方面的應(yīng)用也越來(lái)越受到人們的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì),照明能耗占整個(gè)建筑能耗的25%~35%,占全國(guó)電力總消耗的13%,可見(jiàn)照明節(jié)能有很大的潛力和空間[6]。
由于采光設(shè)計(jì)影響著維護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和參數(shù),因此其不但影響著空間內(nèi)的光環(huán)境,還影響著空間內(nèi)的熱環(huán)境。光環(huán)境與熱環(huán)境對(duì)于空間的舒適度都具有很大影響,在我國(guó)和國(guó)際上的設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于光環(huán)境和熱環(huán)境的設(shè)計(jì)參數(shù)有一系列相應(yīng)的范圍限定及推薦,以保證所設(shè)計(jì)空間的舒適度和節(jié)能性的下限。在很多地區(qū),為給空間提供良好的熱環(huán)境,暖通系統(tǒng)是必不可少的,而暖通負(fù)荷也是建筑能耗中所占比例較大的一項(xiàng)。因此,有必要探究采光設(shè)計(jì)在提高光環(huán)境舒適度和照明節(jié)能性的同時(shí),對(duì)于熱環(huán)境的影響、以及綜合條件下怎樣才是更節(jié)能的。
由辦公空間自身的性質(zhì)及功能性要求所決定,辦公空間具有照明時(shí)間長(zhǎng)、照度要求高、照明能耗大等特點(diǎn);同時(shí),辦公空間具有相對(duì)統(tǒng)一的照明設(shè)計(jì)要求和較強(qiáng)的可推廣性。因此,選擇辦公空間為對(duì)象,針對(duì)辦公空間的采光設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,探究其對(duì)于照明及暖通負(fù)荷的能耗影響。
建筑物所在的地理位置及建筑朝向?qū)τ诮ㄖ牟晒饧盁岘h(huán)境影響非常重要,這是模擬分析之初需要首先確定的。在本次研究中選取上海作為研究對(duì)象的地理位置,并利用建筑環(huán)境模擬軟件Ecotect對(duì)上海地區(qū)的建筑最佳朝向進(jìn)行計(jì)算與確定,其計(jì)算結(jié)果為正南向,與《民用建筑綠色設(shè)計(jì)規(guī)范》中上海的最佳朝向?yàn)檎现聊掀珫|15°相吻合,故本次研究中取正南朝向進(jìn)行模擬分析[7]。
采光設(shè)計(jì)的不同,會(huì)直接影響到室內(nèi)的自然光分布,進(jìn)而影響照明能耗的大小。經(jīng)過(guò)查閱資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)及相關(guān)規(guī)范,分析得到主要的影響因素如下:
(1)窗墻比,改變窗墻比會(huì)直接影響室內(nèi)的采光量,進(jìn)而顯著地影響室內(nèi)的采光情況和自然光照度,由此對(duì)于室內(nèi)的照明能耗造成顯著的影響,一般來(lái)說(shuō)這是對(duì)于采光情況及照明能耗影響最大的因素。
(2)可見(jiàn)光透射比,指透過(guò)透明材料的可見(jiàn)光光通量與投射在其表面可見(jiàn)光光通量之比。一般人們習(xí)慣于用透光率來(lái)代替可見(jiàn)光透射比,描述玻璃的透光性能??梢?jiàn)光透射比的改變對(duì)于采光效果、照明能耗有著直接的影響,但一般情況下可見(jiàn)光透射比的取值范圍不會(huì)相差太大。
(3)窗高,窗的高度會(huì)直接影響自然光在室內(nèi)的分布情況,進(jìn)而對(duì)人工照明的需求產(chǎn)生影響。因此,窗高會(huì)對(duì)照明能耗產(chǎn)生影響。
(4)窗的形狀,在窗的面積確定的情況下,改變窗的形狀會(huì)影響室內(nèi)的采光分布,進(jìn)而對(duì)照明能耗造成一定的影響。
采光設(shè)計(jì)涉及到許多的相關(guān)參數(shù),每一個(gè)參數(shù)的變化都可能影響到照明及暖通負(fù)荷能耗的變化。雖然,每個(gè)參數(shù)在相應(yīng)變化趨勢(shì)下對(duì)于能耗的影響趨勢(shì)是可知的,但是由于參數(shù)較多且每個(gè)參數(shù)相關(guān)的計(jì)算公式都非常復(fù)雜,這導(dǎo)致所有參數(shù)混合在一起之后整體情況的計(jì)算更為復(fù)雜,因而導(dǎo)致使用公式進(jìn)行理論推導(dǎo)計(jì)算獲得多種參數(shù)下的最優(yōu)解幾乎不可能完成。
在不便利用公式計(jì)算獲得影響因素與能耗關(guān)系的情況下,可將該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為灰箱模型,通過(guò)仿真軟件對(duì)確定的輸入?yún)?shù)進(jìn)行條件仿真獲得相應(yīng)的能耗結(jié)果,并利用大量的仿真結(jié)果建立系統(tǒng)的輸入與輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。由模型參數(shù)分析可知系統(tǒng)的相關(guān)輸入?yún)?shù),并根據(jù)根據(jù)《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等國(guó)家規(guī)范及實(shí)際工程和材料性能對(duì)各參數(shù)的模擬值進(jìn)行了限定,具體如下:
(1)窗墻比x,根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求,窗墻比x為0.2~0.7,從實(shí)際工程中玻璃幕墻的支撐材料占比、滿足防火要求及保溫隔熱要求導(dǎo)致實(shí)際情況下窗墻比不會(huì)超過(guò)0.7。
(2)可見(jiàn)光透射比(透光率)y,綜合《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中各種建筑玻璃的透光率參數(shù)值以及《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于透光率y的要求綜合考慮,將透光率的模擬邊界選定在0.6~0.8,該取值符合多數(shù)現(xiàn)有工程和實(shí)計(jì)工程設(shè)計(jì)取值的要求[8-10]。
(3)窗高h(yuǎn),窗高h(yuǎn)為每種窗墻比下的每個(gè)可能情況,非玻璃幕墻情況下窗高不低于0.8 m,且窗底高度不高于1.4 m。
(4)窗的形狀k的影響,在模擬分析中對(duì)每種窗墻比下對(duì)不同的窗的形狀進(jìn)行模擬,取采光效果最佳的形狀計(jì)入數(shù)據(jù)。
(5)傳熱系數(shù)z,通過(guò)查詢樣本及規(guī)范中各種窗的傳熱系數(shù)值確定目前技術(shù)條件下窗的傳熱系數(shù)范圍在1~4 W/(m2·K)[11]。
(6)遮陽(yáng)系數(shù)s,規(guī)范中要求的遮陽(yáng)系數(shù)s的取值受多種因素的影響,如窗、遮陽(yáng)棚、窗簾的材質(zhì)和設(shè)置情況,本次研究及模擬中僅考慮窗本身的材質(zhì)及參數(shù)對(duì)于遮陽(yáng)系數(shù)的影響,結(jié)合各種窗的材質(zhì)情況,將遮陽(yáng)系數(shù)的模擬值范圍確定在0.4~0.8[12]。
通過(guò)不斷改變灰箱模型的輸入?yún)?shù),仿真獲取能耗計(jì)算結(jié)果,并利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,最終可獲得模型的輸入?yún)?shù)與系統(tǒng)輸出之間的函數(shù)關(guān)系式。通過(guò)灰箱模型建立的,各參數(shù)對(duì)綜合能耗進(jìn)行影響的能耗模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 能耗模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of energy consumption model
通過(guò)良好的采光設(shè)計(jì)可以達(dá)到降低照明能耗的效果,那么在對(duì)照明能耗的分析中尋找自然采光和人工照明之間的聯(lián)系則尤為重要。照度作為照明最為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)為二者的聯(lián)系提供了橋梁。規(guī)范及設(shè)計(jì)手冊(cè)中規(guī)定,高級(jí)辦公室工作面照度為500 lx,普通辦公室工作面照度為300 lx[13,14]。為保證辦公空間人員的舒適性及人們生活水平、要求的提升,按照較高等級(jí)的辦公空間照度要求500 lx進(jìn)行研究,在暖通能耗的研究中同樣按照較高等級(jí)辦公空間的要求進(jìn)行能耗模擬。
首先,在僅考慮人工照明的情況下,設(shè)計(jì)滿足相關(guān)照明設(shè)計(jì)規(guī)范的人工照明方案。選擇辦公照明常用的高效節(jié)能燈具T5直管熒光燈,技術(shù)參數(shù)參考飛利浦公司的TL5 HE28 W/840,光源光通量為2 800 lm功率為28 W,配電子鎮(zhèn)流器(功率損耗按2 W另計(jì))。通過(guò)查詢本人所在設(shè)計(jì)院近年設(shè)計(jì)的新建辦公建筑數(shù)據(jù),上海地區(qū)的一類辦公建筑層高大致在4.5~4.9 m,若考慮辦公區(qū)域進(jìn)行吊頂,凈高一般不低于3 m(規(guī)范要求最低值為2.7 m)[15],近年來(lái)辦公空間也有不設(shè)置吊頂采用工業(yè)風(fēng)設(shè)計(jì)的情況。綜合上述情況,在后續(xù)采光及暖通能耗的模擬中按照4 m高度進(jìn)行建模。以長(zhǎng)8 m、寬5 m、高4 m作為空間模型的尺寸進(jìn)行計(jì)算時(shí),在所建模型中均勻布置16盞熒光燈即可滿足要求。計(jì)算公式如下:
(1)
其中K1為利用系數(shù),K2為維護(hù)系數(shù),根據(jù)規(guī)范分別取值為0.6和0.8。計(jì)算結(jié)果在規(guī)范要求的500 lx偏差范圍10%以內(nèi),滿足規(guī)范要求。同時(shí),對(duì)該照明設(shè)計(jì)的LPD值(建筑房間中單位面積的照明安裝功率)進(jìn)行計(jì)算,以核查該設(shè)計(jì)是否符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算公式如下:
(2)
計(jì)算所得LPD值為12 W/m2,不但小于節(jié)能規(guī)范的現(xiàn)行值15 W/m2,還小于其規(guī)定的目標(biāo)值13.5 W/m2,可見(jiàn)該照明設(shè)計(jì)不僅是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的,還是具有節(jié)能效果的照明設(shè)計(jì)。
將房間均分為4行4列共計(jì)16個(gè)區(qū)域,每個(gè)燈具對(duì)應(yīng)其中一個(gè)區(qū)域,計(jì)算每種工況下小塊區(qū)域的自然采光照度,以是否達(dá)到500 lx為條件決定是否開(kāi)啟該區(qū)域的人工照明進(jìn)行補(bǔ)光。
根據(jù)《上海通志》中的數(shù)據(jù),上海晴天約占41%、陰天約占15%、曇天(即云量為2~8層,大于8層為陰天,小于2層為晴天)約占44%。在此次研究中,利用建筑環(huán)境模擬軟件Ecotect進(jìn)行了共計(jì)44組工況下的仿真,對(duì)每組工況分別采用晴天模型及全陰天模型進(jìn)行模擬。其中,將曇天以晴天及陰天進(jìn)行代替,按照全年60%的工作時(shí)間以晴天模型進(jìn)行模擬,全年40%的工作時(shí)間以全陰天模型進(jìn)行模擬,并將兩種情況的照明節(jié)約能耗折算至該工況下的總照明節(jié)約能耗中。鑒于篇幅所限僅列出在全陰天條件下窗高0.8 m、透光率為0.6、窗墻比0.2時(shí)的仿真結(jié)果,如圖2所示。
圖2 Ecotect采光仿真結(jié)果Fig.2 The daylighting simulation result of Ecotect
經(jīng)過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和計(jì)算,獲得了不同工況下的照明節(jié)約能耗。在進(jìn)行節(jié)能性計(jì)算時(shí),所提供的自然光照明有效節(jié)能時(shí)間按照8小時(shí)日間工作時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),且不計(jì)休息日的照明節(jié)約能耗。再利用數(shù)據(jù)處理軟件SPSS對(duì)每種工況下照明節(jié)約的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析,獲得了不同透光率下的系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系圖,通過(guò)關(guān)系圖可以直觀地看到三者之間的關(guān)系,以及不同因素變化時(shí),能耗情況的變化趨勢(shì)。其中透光率為0.6和0.8時(shí)的窗高、窗墻比及照明節(jié)約能耗關(guān)系表如表1所示,關(guān)系圖(系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系圖)如圖3所示,其中左側(cè)三位點(diǎn)狀圖為0.6透光率計(jì)算結(jié)果,右側(cè)為0.8透光率計(jì)算結(jié)果。
表1 不同工況下的照明節(jié)能情況
圖3 系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系圖Fig.3 Diagram of system input and output relationships
從圖3可以看出,窗墻比對(duì)于照明能耗具有顯著的影響,窗高由于可以改變室內(nèi)采光的照度分布,在一定程度上對(duì)照明能耗同樣具有影響。但由于窗高不會(huì)改變總光通量,因此對(duì)于照明的能耗的影響沒(méi)有窗墻比顯著。利用數(shù)學(xué)分析軟件SPSS對(duì)三者的關(guān)系進(jìn)行求解,可以獲得三者之間的函數(shù)關(guān)系式,具體關(guān)系如下。
(3)
式中f1為透光率為0.6情況下的照明節(jié)約能耗,單位kWh;f2為透光率為0.8情況下的照明節(jié)約能耗,單位kWh;x1為窗墻比;x2為窗的高度,單位m。
經(jīng)過(guò)調(diào)查研究表明,一般情況下人們所能接受的非玻璃幕墻形式的合理窗高在0.8~1.2 m之間[16]。再對(duì)不同工況下,不同窗高的照明能耗進(jìn)行分析可知,在相同透光率和窗墻比的條件下,窗高為1.2 m時(shí)的照明節(jié)約能耗較高。與窗高1.4 m時(shí)的情況相比較,窗高為1.2 m時(shí)室內(nèi)采光分布在大部分工況下具有相同的照明能耗節(jié)約值,同時(shí)室內(nèi)的采光均勻度明顯優(yōu)于窗高為1.4 m的工況。因此,綜合主觀需求和客觀分析結(jié)果可知,在窗高為1.2 m時(shí)采光設(shè)計(jì)具有最高的合理性。這樣便可將上述函數(shù)關(guān)系進(jìn)一步簡(jiǎn)化,如下:
(4)
對(duì)于同樣的暖通系統(tǒng),不同的建筑工況有著不同的暖通能耗。在模型的建立中,選用了與照明能耗分析中相同的各種工況,并對(duì)建筑空間的功用以及室內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行定義,以便為建筑的熱工性能計(jì)算提供依據(jù)。其中,需要定義的參數(shù)有:房間類型、最低照度設(shè)定、人員作息情況、人均發(fā)熱量、人均產(chǎn)濕量、人均最低新風(fēng)、燈光熱擾、設(shè)備熱擾等情況。各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定值均依據(jù)相關(guān)熱工規(guī)范及設(shè)計(jì)手冊(cè)確定及選取。
在建筑的各個(gè)結(jié)構(gòu)及維護(hù)系數(shù)確定后,便可根據(jù)需要調(diào)節(jié)與窗相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù),模擬不同工況下的能耗情況。在采光分析中確定了一些與照明能耗相關(guān)的窗參數(shù),如窗墻比、窗高及透光率。在暖通能耗分析中,窗墻比的改變會(huì)顯著地改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能,對(duì)室內(nèi)外的熱傳遞情況以及自然光照射引入的熱量情況產(chǎn)生顯著的影響。窗高在采光分析中會(huì)改變自然光的分布,進(jìn)而影響室內(nèi)照明能耗,但對(duì)于暖通能耗而言,窗高的改變并不會(huì)改變引入室內(nèi)的自然光的總光通量,因此不會(huì)改變自然光照射所引入室內(nèi)的總熱量,在暖通能耗分析中無(wú)需考慮窗高的影響。
通過(guò)利用建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬軟件DeST對(duì)各個(gè)工況(共計(jì)110個(gè)不同工況)的能耗情況進(jìn)行仿真計(jì)算后,得到了不同工況下的全年熱負(fù)荷能耗、全年制冷能耗以及總能耗。將各個(gè)工況下的能耗情況按照一定的規(guī)律進(jìn)行整理,得到了不同窗墻比下的能耗情況。鑒于篇幅受限,僅列出窗墻比為0.2時(shí)模擬軟件DeST的能耗模擬結(jié)果,具體數(shù)據(jù)如表2所示。
通過(guò)利用數(shù)學(xué)分析軟件SPSS對(duì)各種工況下照明能耗以及暖通能耗數(shù)據(jù)的進(jìn)行計(jì)算分析,可確定對(duì)于綜合能耗影響最大的參數(shù)為窗墻比,并獲得如下參數(shù):最佳窗高h(yuǎn)為1.2 m、透光率y為0.8、遮陽(yáng)系數(shù)s為0.8、傳熱系數(shù)z為1~2之間。窗墻比與總體能耗的函數(shù)關(guān)系如式(5)所示。增加窗墻比0.25及0.35條件下4種照明節(jié)能情況及4種暖通能耗情況的進(jìn)一步的模擬和計(jì)算,結(jié)果如表3所示,最終獲得該區(qū)間內(nèi)更為精細(xì)的能耗關(guān)系圖,如圖4所示(以傳熱系數(shù)為2為例)。
W(x,0.8,1,0.8,1.2)=
1611.719x2-764.634x+3210.828
W(x,0.8,2,0.8,1.2)=
1611.719x2-738.005x+3220.645
(5)
表2 窗墻比為0.2時(shí)各工況的能耗情況
表3 窗墻比為0.25和0.35時(shí)各工況的能耗情況
圖4 窗墻比與總體能耗關(guān)系圖(傳熱系數(shù)為2)Fig.4 Relationship diagram of window-wall ratio and total energy consumption
經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可知,在窗墻比為0.25~0.3之間時(shí)總體能耗最低,節(jié)能性最佳。結(jié)合采光設(shè)計(jì)主觀舒適性的研究,在上海地區(qū)的辦公空間最佳窗墻比為0.3,在實(shí)際工程中建議窗墻比取值在0.3~0.4之間。最終確定上海地區(qū)辦公建筑的采光節(jié)能模型各參數(shù)的最優(yōu)值,具體取值如下:窗墻比x為0.3,透光率y為0.8,傳熱系數(shù)z為1~2 W/(m2·K),窗高h(yuǎn)為1.2 m,遮陽(yáng)系數(shù)s為0.8。其中傳熱系數(shù)的取值,滿足上?!豆步ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于該窗墻比0.3~0.4時(shí)的限值不超過(guò)2 W/(m2·K)要求。
本文結(jié)合國(guó)家規(guī)范和產(chǎn)品性能手冊(cè)等相關(guān)資料,從辦公空間的功能性和需要出發(fā),分析光環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)需求。各種工況的輸入?yún)?shù)邊界條件均在國(guó)家規(guī)范對(duì)采光設(shè)計(jì)、照明設(shè)計(jì)以及各種維護(hù)結(jié)構(gòu)性能的限定下進(jìn)行選取,同時(shí)緊密結(jié)合工程實(shí)際,各種材料及輸入?yún)?shù)的選取范圍也在實(shí)際工程中可能達(dá)到的值作為限定標(biāo)準(zhǔn)。分析了采光設(shè)計(jì)中對(duì)照明能耗及暖通負(fù)荷產(chǎn)生影響的設(shè)計(jì)因素,在確定最佳朝向以及建筑所在位置的氣象信息后,利用建筑環(huán)境模擬軟件Ecotect對(duì)不同參數(shù)下的采光效果進(jìn)行了模擬分析,共獲得48種不同工況下的模擬結(jié)果;利用建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬軟件DeST對(duì)不同參數(shù)下的能耗情況進(jìn)行了模擬分析,共獲得114種不同工況下的模擬結(jié)果。利用數(shù)學(xué)分析軟件SPSS對(duì)162組模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,進(jìn)而獲得了采光設(shè)計(jì)參數(shù)變化時(shí),對(duì)應(yīng)年總照明節(jié)能量、暖通總能耗及綜合能耗的函數(shù)變化關(guān)系式及函數(shù)曲線圖。通過(guò)該關(guān)系式,可以清楚地了解在采光設(shè)計(jì)改變的情況下對(duì)應(yīng)的能耗節(jié)約情況。
本文對(duì)今后的采光節(jié)能設(shè)計(jì)提供了一定的數(shù)據(jù)支持,也為綜合節(jié)能的分析提供了一個(gè)可行的研究方向。同時(shí),證明了在合理進(jìn)行采光設(shè)計(jì)的前提下,照明的節(jié)能量是大于圍護(hù)結(jié)構(gòu)改變而導(dǎo)致暖通負(fù)荷的耗能量的,而且在今后不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)應(yīng)用下,采光節(jié)能大有可為。
另外,國(guó)外已經(jīng)有諸多天然光對(duì)人有利的研究結(jié)果,如提高人的工作積極性、工作效率、健康情況等。雖然目前人們都十分關(guān)心能耗的節(jié)約,但是人的需求更應(yīng)當(dāng)受到關(guān)注。國(guó)外有調(diào)查表明,一個(gè)工作人員一年的照明用電費(fèi)用僅和他一小時(shí)的薪金相當(dāng)。因此,有人提出天然采光的經(jīng)濟(jì)性主要表現(xiàn)在促進(jìn)生產(chǎn)力、提高工作效率和增加出勤率等方面。在未來(lái)的研究中,可以嘗試將采光設(shè)計(jì)對(duì)人的影響以函數(shù)關(guān)系式的方式進(jìn)行表達(dá),與客觀的節(jié)能模型相關(guān)聯(lián),以獲得不僅僅是在節(jié)能性上的最優(yōu)模型。