購物中心被動設計節(jié)能潛力的標準化模擬

魏 萊，黨 睿，劉 剛，原 野，黃文龍

(1. 天津大學 a.建筑學院, b.天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術重點實驗室，天津 300072； 2.中國中建設計集團有限公司，北京 100037)

購物中心是現代城市的重要組成部分，集成了零售、社交和社區(qū)活動等多種功能屬性。近年來，中國的購物中心增長迅猛，建筑面積從2001～2016年增加了20億m2[1]。另外，購物中心具有空間規(guī)模大、耗電設備多、營業(yè)時間長、人員密度大的特點，其全年總耗電量是普通公共建筑的4～8倍[2]。因此，降低購物中心的能耗需求至關重要。

其中，被動設計被認為是降低建筑能耗最有效的方法之一[3-6]，在方案階段便考慮被動設計，能最大程度發(fā)揮被動設計對建筑的節(jié)能潛力。目前方案階段采用被動設計在住宅、辦公等規(guī)模較小、功能簡單的建筑中被廣泛應用，且節(jié)能效果顯著[7-11]。然而，被動設計在規(guī)模巨大、功能復雜的購物中心中研究尚少[12-14]。Carrilho等[12]模擬研究了商場自然通風的節(jié)能潛力，結果表明，良好的自然通風在溫和地區(qū)比普通封閉式的商場能減少30%以上的暖通空調能耗。Wang等[13]分析了商場中庭遮陽在中國夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能潛力，結果表明，良好的天窗遮陽可減少商業(yè)建筑近6.8%的制冷負荷。同樣的，Kovac等[14]模擬了遮陽裝置在某購物中心的節(jié)能潛力，并發(fā)現采用合適的遮陽設備可降低該購物中心高達17%～19%的用能需求。然而，購物中心被動式研究以既有建筑的改造為主，研究對象多為個例，不具有普適性，結果對大規(guī)模新建購物中心的參考價值有限。其中，將典型或標準的建筑模型應用于能耗模擬，是目前研究中一種可靠、有效的方法[15]。綜上，有必要對購物中心在方案設計階段展開標準化建模及模擬。

因此，研究旨在基于標準的模擬方法研究寒冷地區(qū)購物中心在方案階段的被動設計節(jié)能潛力。所得的量化節(jié)能潛力結果涵蓋多種常見購物中心類型，結果具有有效性、準確性及普適性，可為建筑師在方案階段的節(jié)能優(yōu)化設計提供重要參考。

1 標準模擬方法

研究提出一種適用于方案階段購物中心被動設計的標準模擬方法。該方法包括以下4個方面：總結標準幾何模型、確定標準運行參數、選擇標準模擬軟件和匯總標準被動設計參量。

1.1 標準幾何模型

標準幾何模型是根據寒冷地區(qū)近10年新建的40座購物中心圖紙，對其規(guī)模、形狀、比例、功能及材料等特性的統(tǒng)計并總結得到的。圖1展示了寒冷地區(qū)購物中心規(guī)模和平面形狀的統(tǒng)計結果。由圖1可知，購物中心面積以10～15萬m2居多，占比為55%；平面形狀以矩形居多，占比為70%。另外，從圖紙中發(fā)現，受場地形狀限制，矩形平面長寬比通常在1∶ 1～3∶ 1之間不等，且不同長寬比購物中心的內部公共空間及流線組織也不同。因此，為確保標準幾何模型的準確性及普適性，文章建立了長寬比分別為1∶ 1(1∶ 1模型)、2∶ 1(2∶ 1模型)、3∶ 1(3∶ 1模型)且總建筑面積在12.7～13.3萬m2的3種空間類型的標準幾何模型。表1展示了3種標準模型的基本幾何信息。其中，3種標準模型在層數、層高、柱距、功能分布和窗墻比(WWR, window to wall ratio)均保持一致。同時，對40份圖紙中圍護結構的熱工參數進行統(tǒng)計，得到圍護結構在傳熱系數、太陽得熱系數(SHGC, solar heat gain coefficient )和氣密性3個指標的典型參數值。表2列出了標準模型圍護結構的熱工設定參數。

圖1 購物中心規(guī)模和平面形狀的統(tǒng)計結果Fig.1 Scale and shape statistics of shopping centers

表1 3種標準模型基本幾何信息

表2 標準模型圍護結構熱工指標

1.2 標準運行參數

為充分反映現階段建筑運行的實際情況，標準模型的運行參數是根據實地調研數據及建筑暖通設計圖紙確定的。表3列出了部分標準運行參數數據，其中包括氣象參數、供暖制冷溫度、新風量、照明和設備功率和人員密度。文中重點探討被動設計在方案階段降低建筑自身負荷需求的潛力，因此選用理想空調系統(tǒng)(ideal loads air system)作為暖通空調系統(tǒng)，其在計算用能強度時加熱制冷的性能系數(COP, coefficient of performance)為1.0, 即模擬結果不受空調系統(tǒng)等主動設備的影響[5, 16]。因此，文中的用能強度模擬值均反映了建筑單位面積供暖/制冷/全年的累計負荷。

表3 標準運行參數

1.3 標準模擬軟件

以Grasshopper作為參數化建模軟件，它是一個在Rhino環(huán)境下運行的通過算法生成模型的插件。圖2是3種購物中心標準模型在Rhino中的幾何形態(tài)。以EnergyPlus作為能耗模擬軟件，它由美國能源部以及勞倫斯伯克利實驗室共同開發(fā)，目前在能耗模擬研究中被廣泛使用。在此，文章選取Ladybug和Honeybee，一種連接Grasshopper與EnergyPlus進行能耗模擬的接口插件，實現3種標準模型在參數化平臺下的能耗模擬。

圖2 參數化建模Fig.2 Parametric modeling

1.4 標準被動設計參量

文章總結了方案階段影響購物中心節(jié)能潛力的24個被動設計參量。表4描述了24個被動設計參量的基本情況，其中包括了場地環(huán)境的3個參量，建筑單體的4個參量以及圍護結構的17個參量。

表4 被動設計參量

場地環(huán)境參量是指周邊的城市建設情況以及場地內與其他功能建筑(室外步行街、高層建筑)的組合情況。建筑單體參量是指朝向及內部過渡空間。其中，內部過渡空間包括了入口空間、櫥窗空間及走廊空間。入口空間主要位于建筑地面層，而人流進出造成門的頻繁開啟會導致室外風的灌入，因而影響建筑能耗；櫥窗和走廊空間是指位于建筑最外層無需進行供暖及制冷的封閉空間，這2種空間可以有效減緩室外環(huán)境對室內環(huán)境的影響。對于圍護結構參量，包括界面形式(窗墻比、窗頂比)、材料特性(傳熱系數、太陽得熱系數及氣密性等)以及構件特征(遮陽構件、表皮構件)3個層面。

②在距離標準模型的南/北/東/西側20 m遠且高度為20 m的室外步行街;

③標準模型與一棟長寬高分別為50 m、50 m、100 m的高層建筑之間的組合模式;

④標準模型以順時針方向旋轉的角度;

⑤購物中心實際運行中入口風速的均值及變化區(qū)間分別作為入口風速的基準值以及變化范圍。其中，入口的開口尺寸固定，均為10.8 m2(2(主要入口數量)*1.8 m(雙扇門寬)*3.0 m(門高));

⑥1層面向室外的櫥窗空間;

⑦位于2～4層緊貼建筑外圍護結構的輔助空間;

* 參考標準GB 50189—2015[17]。

2 標準模擬結果分析

文章首先針對3種標準模型進行模擬，得到了模型在不改變任何設計參量下用能強度的基準值，該基準值是評估不同被動設計參量節(jié)能潛力大小的基準參考。表5是3種標準模型分別在供暖、制冷和全年情況下用能強度的模擬結果。其中，3種標準模型單位面積的供暖需求在62.25～71.17 kWh/m2之間，制冷需求在106.43～113.99 kWh/m2之間，其整體用能強度在168.68 ～185.16 kWh/m2之間?？梢钥闯觯?∶ 1模型的整體用能強度在3種模型中最低，說明了該形態(tài)及內部空間組合下的購物中心在寒冷地區(qū)具有更優(yōu)的建筑性能。另外，3種模型的制冷基準值均高于供暖基準值，這是因為購物中心的人員密度大、內熱源較多，從而導致建筑自身具有較大的產熱能力。

表5 3種標準模型基準值

3 被動設計節(jié)能潛力

本節(jié)得到了24個被動設計參量在3種模型中用能強度的模擬結果，并與3種模型的基準值(表5)進行對比，總結出各個被動參量分別在供暖、制冷及綜合情況下的節(jié)能潛力。

3.1 供暖節(jié)能潛力分析

圖3是24個被動設計參量分別在3種模型中供暖用能強度的最大最小變化率。結果表明，對于1∶ 1模型(圖3 (a))，供暖用能強度影響最大的前5個被動設計參量依次為：入口風速、天窗屋頂比、屋頂傳熱系數、櫥窗空間、走廊空間，其變化范圍絕對值分別為49.49%、2.99%、1.99%、1.61%、1.54%；對于2∶ 1模型(圖3 (b))，供暖用能強度影響最大的前5個被動設計參量依次為：入口風速、天窗屋頂比、屋頂傳熱系數、區(qū)位、走廊空間，其變化范圍絕對值分別為52.42%、3.06%、2.25%、2.19%、2.08%；對于3∶ 1模型(圖3 (c))，供暖用能強度影響最大的前5個被動設計參量依次為：入口風速、天窗屋頂比、區(qū)位、雙表皮幕墻、屋頂傳熱系數，其變化范圍絕對值分別為52.66%、2.80%、2.09%、1.99%、1.95%。綜上可知，入口風速、天窗屋頂比、屋頂傳熱系數在3種模型中的排名均位于前5，說明以上3個參量對寒冷地區(qū)購物中心供暖用能強度具有顯著影響。

圖3 被動設計參量在供暖用能強度中的最大最小變化率Fig.3 The maximum and minimum percent change of passive design parameters in heating energy intensity

為進一步探索3種比例模型節(jié)能潛力的異同，圖4對3種模型24個被動設計參量的供暖節(jié)能潛力進行排序，其中，橫坐標以2∶ 1模型供暖節(jié)能潛力從大到小依次排列。結果表明，部分被動設計參量在3種比例模型中的供暖節(jié)能潛力排序有差異。具體來說，走廊空間的供暖節(jié)能潛力在3∶ 1模型中的排序明顯比其他2種比例模型靠后；街區(qū)組合對1∶ 1模型的供暖節(jié)能潛力影響更??；雙表皮幕墻、南側窗墻比在3∶ 1模型中有著更高的供暖節(jié)能潛力；東側窗墻比和櫥窗空間則在1∶ 1模型中有著更高的供暖節(jié)能潛力。

圖4 供暖節(jié)能潛力排序Fig.4 Sorting of energy saving potential for heating

3.2 制冷節(jié)能潛力分析

圖5是24個被動設計參量在3種模型中制冷用能強度的最大最小變化率。結果表明，對于1∶ 1模型(圖5 (a))，制冷用能強度影響最大的前5個被動設計參量依次為：入口風速、天窗屋頂比、雙表皮幕墻、雙表皮季節(jié)控制、走廊空間，其變化范圍絕對值分別為11.35%、3.41%、2.12%、2.06%、1.97%；對于2∶ 1模型(圖5 (b))，制冷用能強度影響最大的前5個被動設計參量依次為：入口風速、天窗屋頂比、走廊空間、區(qū)位、西側窗墻比，其變化范圍絕對值分別為8.13%、4.68%、2.81%、2.16%、2.16%；對于3∶ 1模型(圖5 (c))，制冷用能強度影響最大的前5個被動設計參量依次為：入口風速、天窗屋頂比、雙表皮幕墻、雙表皮季節(jié)控制、走廊空間，其變化范圍絕對值分別為11.35%、3.41%、2.12%、2.06%、1.97%。綜上可知，入口風速、天窗屋頂比、走廊空間在3種模型中的排名均位于前5，說明以上3個參量對寒冷地區(qū)購物中心制冷用能強度具有顯著影響。

圖5 被動設計參量在制冷用能強度中的最大最小變化率Fig.5 The maximum and minimum percent change of passive design parameters in cooling energy intensity

圖6對3種模型24個被動設計參量的制冷節(jié)能潛力進行排序，其中，橫坐標同樣是以2∶ 1模型制冷節(jié)能潛力從大到小依次排列的。結果表明，部分參量的制冷節(jié)能潛力排序在3種模型中也存在差異。具體講，西側窗墻比的制冷節(jié)能潛力在3∶ 1模型中的排序明顯比其他2種比例模型靠后；雙表皮幕墻、雙表皮季節(jié)控制在3∶ 1模型中有著更高的制冷節(jié)能潛力；櫥窗空間則在1∶ 1模型中有著更高的制冷節(jié)能潛力。

圖6 制冷節(jié)能潛力排序Fig.6 Sorting of energy saving potential for cooling

3.3 節(jié)能潛力綜合評價

為獲得每個被動設計參量對用能強度的綜合影響，表 6匯總了24個參量在3種模型中用能強度的綜合影響力。排序結果表明，入口風速、走廊空間、天窗面積比、屋面?zhèn)鳠嵯禂?個參量在3種模型中用能強度的節(jié)能潛力均位于前5。其中，入口風速的影響最大，變化范圍絕對值為60.55%～64.01%；天窗面積比為6.21%～7.74%；走廊空間和屋面?zhèn)鳠嵯禂档淖兓秶^對值為2%～5%。因此，這4個參量是影響寒冷地區(qū)購物中心節(jié)能潛力的重要因素。另外，部分被動設計參量在3種比例模型中的節(jié)能潛力存在差異。從排序結果可知，東側窗墻比和西側窗墻比在1∶ 1和2∶ 1模型中的影響力更大；朝向和雙層表皮控制在3∶ 1模型中的影響力更大。

表6 用能強度的節(jié)能潛力及其排序

4 結 論

文中通過標準化的模擬方法，全面分析了中國寒冷地區(qū)購物中心在方案階段被動設計的節(jié)能潛力。得到不同被動設計參量在供暖、制冷及整體的節(jié)能變化量及節(jié)能潛力較大的被動設計參量。具體結論如下：

1)從3種標準模型的模擬結果可知，3種標準模型單位面積的供暖需求為62.25～71.17 kWh/m2，制冷需求為106.43～113.99 kWh/m2。寒冷地區(qū)購物中心因內熱源較多，其制冷需求普遍高于對供暖的需求。

2)從供暖和制冷的節(jié)能潛力來看，入口風速、天窗屋頂比、屋頂傳熱系數對3種模型的供暖節(jié)能潛力影響較大，影響力分別可高達52.66%、3.06%、2.25%；入口風速、天窗屋頂比、走廊空間對3種模型的制冷節(jié)能潛力影響較大，影響力分別可高達11.35%、4.68%、2.81%。

3)從節(jié)能潛力的綜合評價可知，入口風速、走廊空間、天窗面積比和屋面?zhèn)鳠嵯禂祵?種模型均具有顯著的影響力，影響力分別可高達64.01%、4.90%、7.74%、2.68%。因此，從降低入口風速、采用貫通的走廊形式、在滿足采光的同時減少天窗面積、增強屋面的保溫性能4個方面進行優(yōu)化設計，對寒冷地區(qū)購物中心建筑性能會具有顯著提升。

4)個別參量在3種模型中的節(jié)能潛力也存在差異。其中，東側、西側窗墻比對1∶ 1和2∶ 1模型的影響力更大，朝向和雙層表皮控制對3∶ 1模型的影響力更大。因此，對不同空間形式的購物中心在選擇重要被動設計參量上需要分別對待。

文章以寒冷地區(qū)購物中心為例，提出一種適用于大型公共建筑在方案階段的標準化模擬方法，對其他氣候區(qū)及建筑類型的標準化模擬具有一定的指導價值。同時，標準化的模擬結果全面反映了寒冷地區(qū)購物中心在被動節(jié)能方面的綠色性能，是對現階段寒冷地區(qū)大型公共建筑綠色性能數據庫的有效補充。另外，被動設計參量在不同條件下的重要性排序，有利于設計師在方案設計階段把握節(jié)能設計的重點，從而開展合理的節(jié)能優(yōu)化設計。