基于光環(huán)境與節(jié)能的優(yōu)化方案設(shè)計

丁娜 馬小寶 柯德

【摘 ? 要】 ? 探討合肥地區(qū)的教學(xué)建筑設(shè)計，運用PHPP軟件模擬分析教學(xué)建筑冷負(fù)荷和熱負(fù)荷，運用Ecotect軟件模擬分析教學(xué)建筑的光舒適度，以此為基礎(chǔ)，綜合考慮教學(xué)建筑的光舒適度和節(jié)能效果，調(diào)整墻體厚度、屋頂厚度、地面厚度、窗戶類型等設(shè)計參數(shù)，使建筑光環(huán)境與建筑能耗達(dá)到最優(yōu)組合，為合肥地區(qū)的教學(xué)建筑設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】 ? 節(jié)能;光舒適度;PHPP;教學(xué)建筑

Optimal Scheme Design Based on Light Environment and Energy Saving

Ding Na1，Ma Xiaobao2， Ke De3

（1. Hefei University， Hefei 230601， China;2.China Northeast Architectural Design & Research Institute Co.，Ltd.， Shenyang 110006， China;3. Hefei Warm Passivehause Consultation CO.，Ltd.， Hefei 230601， China ）

Abstract： To discuss the design of teaching buildings in Hefei， PHPP software is used to simulate and analyze the cooling load and heating load of teaching buildings， and Ecotect software is used to simulate and analyze the light comfort of teaching buildings. Based on the previous researches， the design parameters such as wall thickness， roof thickness， ground thickness and window type are adjusted to achieve the optimal combination of building light environment and building energy consumption by comprehensively considering the light comfort and energy saving effect of teaching buildings in Hefei， which provides a reference for the design of teaching buildings in Hefei.

Key words： energy saving; light comfort; PHPP; teaching buildings

〔中圖分類號〕 ?TU2 ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕 ?A ? ? ? ? ? ? 〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

0 ? ? 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，節(jié)能環(huán)保成為當(dāng)前建筑發(fā)展的重要課題。如何在提高教室光環(huán)境舒適度的同時節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，是當(dāng)前教學(xué)建筑設(shè)計的焦點。設(shè)計師在方案初期通過調(diào)整建筑布局模式與體型系數(shù)等方式在創(chuàng)造空間趣味性的同時，減少可能產(chǎn)生的建筑能耗，在方案后期，設(shè)計師可以優(yōu)化建筑設(shè)計參數(shù)，利用軟件模型尋找最優(yōu)的設(shè)計方案。其中外窗的設(shè)計參數(shù)對室內(nèi)光環(huán)境有很大的影響，大面積的玻璃窗允許較多的光線進(jìn)入室內(nèi)，雖然提高了室內(nèi)的視覺舒適度，但可能導(dǎo)致過多的熱量增加或流失，從而增加建筑能耗。影響外窗性能的主要參數(shù)有窗戶面積、玻璃材質(zhì)和遮陽形式等。

本文探討合肥地區(qū)的教學(xué)建筑，目的是在滿足光環(huán)境要求的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整建筑墻體厚度、屋頂厚度、地面厚度、窗戶類型等設(shè)計參數(shù)，盡量降低能耗，使建筑光環(huán)境與建筑能耗達(dá)到最優(yōu)組合。

1 ? ? 設(shè)計任務(wù)概述

擬在合肥市新站區(qū)淮海大道與大眾路交口東南角，君山路以西，臨渙路以北新建合肥市第九中學(xué)新校區(qū)，總用地面積214.35畝（142900平方米），地塊呈矩形，用地現(xiàn)狀為空地，內(nèi)部西側(cè)有一處池塘。區(qū)域市政基礎(chǔ)設(shè)施基本齊備，建設(shè)條件基本成熟。本項目為合肥市第九中學(xué)的一棟教學(xué)建筑，方案設(shè)計見圖1。

1.1 ? 整體布局

整棟教學(xué)樓以院落為主題進(jìn)行空間組織，教學(xué)區(qū)建筑分為普通教學(xué)區(qū)、公共教學(xué)區(qū)、實驗樓區(qū)和風(fēng)雨操場四個主要組成部分。本方案在南北向設(shè)置中心主軸，并且將主入口設(shè)置在西側(cè)。普通教學(xué)區(qū)和實驗區(qū)均采用單廊合院式布局，結(jié)合局部架空，創(chuàng)造出開放的內(nèi)部空間。合院式的教學(xué)空間布局，即能獨立使用，又緊密聯(lián)系各教學(xué)用房之間的布置，底層架空區(qū)域更為建筑軸線兩側(cè)提供了良好的視覺景觀。

中軸以東，在南邊設(shè)置風(fēng)雨操場，北邊放置綜合圖書室。進(jìn)一步降低了噪聲給教學(xué)區(qū)和試驗區(qū)帶來的干擾，給教學(xué)和試驗提供了一個安靜舒適的內(nèi)部環(huán)境。

1.2 ? 底層架空與連廊

底層架空使得公共空間、綠化景觀、內(nèi)院相互融合、貫通，將自然景觀較好地融入校園內(nèi)部，建筑與建筑之間的連廊使師生在通行之時也能獲得良好的視覺體驗，創(chuàng)造出自然、開放的交流空間，如圖2所示。

1.3 ? 立面造型

建筑形體較為端莊，建筑細(xì)節(jié)部分處理精細(xì)。從建筑外立面的開窗形式，到建筑細(xì)部的肌理都延用到相同的建筑語言和母題。通過簡單的形體和局部細(xì)節(jié)處理的對比，表現(xiàn)出一種較為簡約內(nèi)斂的建筑氣質(zhì)。

建筑裝飾面主要采用偏灰色系建筑材料，如石材、灰磚等，整體色調(diào)偏深藍(lán)灰，意在營造出一種清新淡雅、簡約靜謐的校園氛圍。借用現(xiàn)代的建筑設(shè)計手法來表現(xiàn)傳統(tǒng)校園的文化底蘊(yùn)，從而實現(xiàn)現(xiàn)代建筑設(shè)計和傳統(tǒng)校園的碰撞與結(jié)合，表達(dá)出校園的歷史文化性和時代感，如圖3所示。

在方案設(shè)計后期，通過Ecotect和PHPP專業(yè)軟件的模擬計算，綜合考慮建筑光環(huán)境與節(jié)約建筑整體能耗，對具體多個設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，以選擇能耗最低的設(shè)計解決方案。

2 ? ? 基于PHPP和Design PH的建筑整體能耗分析

通過專業(yè)軟件模擬計算，實現(xiàn)對建筑整體負(fù)荷及能耗的綜合把控和具體參數(shù)的優(yōu)化分析。

（1）通過Design PH插件將Sketchup模型標(biāo)記上熱工特性，在3D建模環(huán)境下進(jìn)行能耗平衡計算

通過模擬分析，獲得建筑能效信息，并剔除性能不佳的設(shè)計方案，在規(guī)劃及建筑設(shè)計初期階段的優(yōu)化，主要有以下幾個方面：①規(guī)劃布局上，盡量減少周邊建筑和其他物體對本建筑的遮擋;②平面設(shè)計時，控制建筑體形系數(shù)，減少散熱面，降低熱負(fù)荷;③在建筑立面上，對各立面的窗墻比進(jìn)行優(yōu)化。

同時將模型中的對外熱損失面積、使用面積、窗戶面積以及遮陽數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)入到PHPP中的格式，進(jìn)行再設(shè)計調(diào)整和最終的確認(rèn)。

（2）基于 PHPP的參數(shù)模擬分析

在 PHPP 計算過程中，對建筑熱工及設(shè)備的各項參數(shù)（如高性能的保溫材料選型和厚度、窗戶的整體傳熱系數(shù)、外遮陽的遮陽系數(shù)和氣密性等）進(jìn)行優(yōu)化，從而使建筑在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上都能達(dá)到最優(yōu)，并通過有效的運算方法計算供暖需求及負(fù)荷、制冷需求及負(fù)荷、建筑一次性能源需求。PHPP界面如圖4所示。

通過軟件模擬調(diào)節(jié)外墻厚度，計算供暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷的變化，數(shù)據(jù)顯示，隨著外墻厚度的增加，供暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷逐漸降低，在外墻厚度達(dá)到250毫米以后，供暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷降低量幅度下降，因此選擇外墻厚度為250毫米。

通過軟件模擬調(diào)節(jié)地面厚度，計算供暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷的變化，數(shù)據(jù)顯示，隨著地面厚度的增加，供暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷逐漸降低，但是在地面厚度增加到100毫米之后，供暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷降低量幅度下降，因此選擇地面厚度為100毫米。

通過軟件模擬調(diào)節(jié)屋頂厚度，計算供暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷的變化，數(shù)據(jù)顯示，隨著屋頂厚度下降，供暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷需求下降，但是在屋頂厚度達(dá)到150毫米以后，供暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷變化幅度下降，因此屋頂厚度選擇為125毫米。

通過對比供暖、供冷負(fù)荷和供暖、制冷需求的變化，在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下選取最合適的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層厚度。運用同樣的方式模擬出外墻選擇 250mm 厚石墨聚苯板、地面選擇 100mm 厚擠塑聚苯板、屋頂選擇 125mm 厚擠塑聚苯板。

3 ? ? 基于Ecotect的光環(huán)境分析

3.1 ? 天然采光和人工照明

分析室內(nèi)平均采光系數(shù)和平均照度。調(diào)整建筑布局、窗墻比、高性能的保溫材料厚度、窗戶的整體傳熱系數(shù)（玻璃厚度 、空腔的厚度、稀有氣體的選擇、窗框的傳熱系數(shù)、玻璃透光率、玻璃得熱系數(shù)）、外遮陽裝置遮陽系數(shù)參數(shù)，分析方案參數(shù)變化給建筑光環(huán)境帶來的影響。

3.2 ? 光控照明節(jié)能與全自然采光百分比

通過 PHPP 模擬出最優(yōu)的保溫厚度后，在 Ecotect 中建模并設(shè)定選定好的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時選出幾組不同窗戶的類型 （ 玻璃厚度 、空腔的厚度、稀有氣體的選擇、窗框的傳熱系數(shù)、玻璃透光率、玻璃得熱系數(shù) ），通過 Ecotect 進(jìn)行光環(huán)境模擬出的平均采光系數(shù)和照度均勻度等參數(shù)的對比選出最優(yōu)的窗戶類型。

玻璃類型是6Low-E+12Ar+6+12Ar+6LowE，具體選擇5種不同的玻璃模擬，計算采光系數(shù)和光照均勻度。

經(jīng)過模擬和比較，第3種玻璃光照均勻度最高，平均采光系數(shù)也最高，所以選擇第3種窗戶玻璃。如表1所示。

將使用每種類型的玻璃時每層的平均采光系數(shù)和平均光照度進(jìn)行模擬計算，并進(jìn)行比較。每層的平均采光系數(shù)如表2所示。從平均采光系數(shù)數(shù)值來看，第3種玻璃第1層、第3層平均采光系數(shù)數(shù)值最大。第1種玻璃在第2層、第4層平均采光系數(shù)數(shù)值最大，每層的平均光照度如表3所示。從平均光照度數(shù)值來看，第3種玻璃在第1層、第4層平均光照度數(shù)值最大。第1種玻璃在第2層、第4種玻璃在第3層平均光照度數(shù)值最大。

根據(jù)采光系數(shù)和照度均勻度選擇最適合本項目的窗戶類型是三玻兩腔雙 Low-E 中空充氬氣 Low-E：單銀 + 單銀。

經(jīng)過Ecotect軟件模擬，建筑底層采光系數(shù)為2.8% - 62.8 %，高于教學(xué)建筑采光系數(shù)最低要求。平均采光系數(shù)9.00 %，可見節(jié)點8528個。

4 ? ? 基于 PHPP 的能耗模擬對比分析

默認(rèn)的設(shè)計參數(shù)值：外墻 100mm 厚 EPS、地面 100mm 厚 XPS、屋頂 100 厚 XPS、窗戶 g 值 0.5、玻璃傳熱系數(shù) 0.8 W/（m2*k）、遮陽系數(shù) 0%。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計和分析后，選定設(shè)計參數(shù)值：外墻 250mm 厚 EPS、地面 100mm 厚 XPS、屋頂 125mm 厚 XPS、窗戶 g 值 0.51、玻璃傳熱系數(shù) 0.78 W/（m2*k）、遮陽系數(shù) 12%、外表面吸收率 0.6、外表面輻射系數(shù) 0.9。

經(jīng)過模擬和設(shè)計重新選擇參數(shù)值，和默認(rèn)參數(shù)值相比可見，供暖負(fù)荷、制冷負(fù)荷和一次能源需求都下降了，如表4所示。

5 ? ? 結(jié)論

通過專業(yè)軟件模擬計算，得出不同外墻厚度、屋頂厚度和地面厚度所對應(yīng)的建筑負(fù)荷，然后利用PHPP軟件模擬出最優(yōu)的保溫厚度后，選擇比較5種不同玻璃類型所對應(yīng)的平均采光系數(shù)和平均光照度。綜合考慮光環(huán)境和建筑節(jié)能，實現(xiàn)了建筑整體負(fù)荷及能耗的綜合把控和具體參數(shù)的優(yōu)化分析，提出了節(jié)能又經(jīng)濟(jì)的建筑設(shè)計解決方案。

建筑設(shè)計方案優(yōu)化之后，建筑的供暖負(fù)荷、制冷負(fù)荷、一次能源需求和可再生一次能源需求均明顯下降，與此同時，還可以使用其他技術(shù)路徑，如高性能外墻保溫系統(tǒng)、節(jié)能門窗系統(tǒng)、熱回收新風(fēng)系統(tǒng)、良好的氣密性等來進(jìn)一步提高節(jié)能效果。

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[收稿日期] ? 2021-03-24

[基金項目] ? 2020年度合肥學(xué)院科學(xué)研究發(fā)展基金重大項目（自然科學(xué)） （20ZR06ZDA）

[作者簡介] ? 丁娜（1988- ），女，碩士，合肥學(xué)院城市建設(shè)與交通學(xué)院講師，研究方向：建筑設(shè)計及其理論。