基于Grasshopper參數(shù)化設(shè)計(jì)的大連地區(qū)窗墻比對(duì)建筑能耗的影響研究

楊甄蓮,安泓達(dá),李?yuàn)檴?/p>

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116650)

外窗作為重要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一,對(duì)建筑能耗有著非常大的影響。為了實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目標(biāo),必須根據(jù)不同地區(qū)的氣候條件,準(zhǔn)確分析窗墻比對(duì)建筑物能耗的影響,以便確定合理的窗墻面積比[1]。窗墻面積比是指某一朝向的外窗(包括透明幕墻)總面積,與同朝向墻總面積(包括窗面積在內(nèi))之比,簡(jiǎn)稱窗墻比[2]。

FENG等[3]以嚴(yán)寒地區(qū)沈陽(yáng)市一個(gè)典型的近零能耗建筑為例,利用EnergyPlus仿真軟件,研究了窗墻比對(duì)能耗的影響,結(jié)果表明:不同方位窗墻比對(duì)能耗影響是東(西)>南>北;黃婷等[4]以重慶地區(qū)某辦公樓為研究對(duì)象,研究了窗墻比與遮陽(yáng)對(duì)公共建筑的能耗影響,得出在窗墻比小于0.5時(shí),西向窗墻比的影響最為顯著,而在窗墻比大于0.5時(shí),東南向的影響更為顯著。綜合來看,對(duì)于重慶地區(qū)而言,東、西向的窗墻比越小越有利于辦公建筑節(jié)能。ALGHOUL等[5]以利比亞的黎波里市一辦公室建筑為研究案例,探討了窗墻面積比和朝向?qū)├洹⒐┡涂偰芎牡挠绊?結(jié)果表明,窗墻面積比的增加時(shí)供冷能耗增加,而供暖能耗則減少,且供冷能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于供暖能耗,南墻窗墻面積比增大后,供冷能耗增加尤為明顯,而供暖能耗則因被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖而降至零。曹靜怡等[6]以皖南地區(qū)安慶市某辦公建筑為研究對(duì)象,模擬研究建筑窗墻比與外窗類型對(duì)建筑負(fù)荷的影響,研究結(jié)果表明,皖南地區(qū)東西向窗墻比的設(shè)置應(yīng)介于0.341～0.351 之間為優(yōu);北向窗墻比的設(shè)置應(yīng)當(dāng)介于0.406～0.416之間為優(yōu);南向窗墻比的設(shè)置應(yīng)當(dāng)介于0.439～0.449之間為優(yōu)。GOIA等[7]在歐洲不同氣候條件下研究分析辦公室建筑最佳窗墻比,結(jié)果表明,在不同氣候和朝向下,雖然存在一個(gè)最優(yōu)的窗墻比,但大多數(shù)理想值的范圍相對(duì)較窄(0.30 <窗墻比< 0.45)。窗墻面積比對(duì)于建筑能耗的影響已有一定的研究,但上述研究采用的能耗模擬軟件多操作復(fù)雜,運(yùn)行速度慢,數(shù)據(jù)處理難度大,并且缺少大連地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)。與其他能耗模擬軟件相比,Grasshopper更趨向自動(dòng)化、智能化,擁有出色的性能運(yùn)算速度,而且參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)化,可基于同一形態(tài)模型,同時(shí)進(jìn)行多種性能優(yōu)化計(jì)算,以綜合性的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)提供多樣化的優(yōu)選方案?；诖?本文提出了基于Grasshopper的建筑能耗模擬流程,并基于該流程開展大連地區(qū)不同窗墻面積比對(duì)建筑能耗影響的模擬研究。

Grasshopper作為Rhino的內(nèi)置插件,又擁有不同功能的插件,此次研究將用到GH插件之一的Ladybug Tool工具,該工具常用于建筑性能的分析,由Ladybug、Honeybee、Butterfly和Dragonfly四部分組成,完美整合了EnergyPlus、Therma、Radiance、Daysim、OpenCFD-OpenFOAM等性能模擬軟件計(jì)算內(nèi)核,實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互,通過設(shè)定控制邏輯讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成復(fù)雜的計(jì)算和尋優(yōu)的過程[8],能在較短的時(shí)間內(nèi)得到特定邏輯下的最優(yōu)結(jié)果。

1 基于Grasshopper的參數(shù)化建模

1.1 參數(shù)化模型構(gòu)建

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種基于算法思維的設(shè)計(jì)過程,算法思維由參數(shù)和規(guī)則協(xié)同定義,通過編碼闡明設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)響應(yīng)之間的關(guān)系[9]。本研究建模所用到的建模工具Grasshopper(簡(jiǎn)稱“GH”)是最具代表性的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái),其運(yùn)行在Rhinocreos(簡(jiǎn)稱“Rhino”)平臺(tái)下的一款可視化編程插件,特點(diǎn)是在建模原理上生成三維模型,GH將記錄從點(diǎn)、線、面再到立體空間的建模過程,此次模擬將用到GH插件之一的Ladybug Tool工具,該工具常用于建筑性能的分析,由Ladybug、Honeybee、Butterfly和Dragonfly四部分組成,完美整合了EnergyPlus、Therma、Radiance、Daysim、OpenCFD-OpenFOAM等性能模擬軟件計(jì)算內(nèi)核,實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互,通過設(shè)定控制邏輯讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成復(fù)雜的計(jì)算和尋優(yōu)的過程,能在較短的時(shí)間內(nèi)得到特定邏輯下的最優(yōu)結(jié)果[10]。

大連地處遼東半島南端,位于北緯38°43′～40°12′,東經(jīng)120°58′～123°31′之間,氣候區(qū)為寒冷A區(qū),具有海洋性特點(diǎn)的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年總太陽(yáng)輻照強(qiáng)度為5 069.54(MJ·m-2),基于此本文構(gòu)建海拔高度為50m,建筑長(zhǎng)度為10 m、寬度為8 m、高度為4 m,總面積為80 m2的房間簡(jiǎn)化模型如圖1?？紤]到大連地區(qū)辦公建筑內(nèi)房間多為單側(cè)窗,且在其他壁面為絕熱壁面情況下,本文分析不同朝向單一立面窗墻面積比對(duì)大連地區(qū)建筑單位面積的供暖、供冷以及平均能耗的影響規(guī)律,研究結(jié)果可用于指導(dǎo)大連地區(qū)辦公建筑不同朝向窗墻面積比的合理選擇。

圖1 建筑房間模型圖

1.2 氣象參數(shù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)選擇

對(duì)于氣象參數(shù)的選取,通過Ladybug下載大連典型氣象年EPW氣象數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是由美國(guó)能源部發(fā)布的用于建筑性能模擬分析的一種標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù),包括了全年8 760 h的風(fēng)速、風(fēng)向、干球溫度、濕球溫度、太陽(yáng)輻射、太陽(yáng)路徑等數(shù)據(jù)。這些信息通過運(yùn)算器分類導(dǎo)出,最后連接到對(duì)應(yīng)的運(yùn)算器端口上參與模擬及運(yùn)算。

關(guān)于大連的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取,中國(guó)現(xiàn)行的GB 55015-2021《建筑節(jié)能和可再生能源利用通用規(guī)范》指出:進(jìn)行熱工性能權(quán)衡判斷時(shí),透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)0.4<窗墻面積比≤0.7時(shí),傳熱系數(shù)應(yīng)≤2.0 W·(m2·K)-1;窗墻面積比>0.7時(shí),傳熱系數(shù)需≤1.7 W·(m2·K)-1,因此窗墻面積比的設(shè)計(jì)需與透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)討論。在大窗墻面積下,窗傳熱系數(shù)上限值為2.0 W·(m2·K)-1,在此本研究將選取五種不同傳熱系數(shù)的中空玻璃作為研究對(duì)象,窗傳熱系數(shù)分別為0.8、1.1、1.4、1.7和2.0 W·(m2·K)-1,外窗均采用PA隔熱鋁合金窗框,外墻的傳熱系數(shù)為0.55 W·(m2·K)-1,建筑室內(nèi)外溫差為6 ℃。此外,供暖、供冷機(jī)組性能系數(shù)均滿足《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015-2021)要求。

1.3 計(jì)算流程

在基于Grasshopper軟件完成建模及相關(guān)參數(shù)設(shè)置后,通過Ladybug Tools工具分析不同朝向窗墻比對(duì)建筑全年單位面積供冷、供暖以及平均能耗的影響,能耗計(jì)算流程圖如圖2。主要分為以下幾步:

圖2 能耗計(jì)算流程圖

(1)生成模型。根據(jù)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)置窗墻比允許變化范圍;

(2)Ladybug下載大連氣象參數(shù);

(3)利用Honeybee的EnergyPlus運(yùn)算器開始能耗的計(jì)算,EnergyPlus為建筑能耗模擬主流軟件,具有高的準(zhǔn)確性。該流程不僅可用于模擬不同窗墻面積比對(duì)于建筑能耗的影響,同時(shí)也可基于該流程更改不同的參數(shù)設(shè)置,研究其他參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響規(guī)律。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 窗墻面積比對(duì)供冷能耗的影響

建筑能耗專指民用建筑(包括居住建筑和公共建筑)在使用過程中對(duì)能源的消耗,主要包括供暖、供冷、通風(fēng)、照明等方面能耗,其中以供暖和供冷能耗為主[11]。窗墻比對(duì)建筑供冷能耗的影響如圖3～6。從圖中可見,窗墻比增大以及傳熱系數(shù)的減小均不利于供冷能耗的降低,主要原因在于,一方面,隨著窗墻面積比增加,夏季太陽(yáng)輻射通過窗戶進(jìn)入室內(nèi),構(gòu)成太陽(yáng)得熱[12],窗墻比增加透過玻璃的太陽(yáng)得熱量增加,從而供冷能耗增加;另一方面,提高窗的保溫性能,能減少室外向室內(nèi)的傳熱量,但同時(shí)也抑制了室內(nèi)熱量向室外的散失,外窗關(guān)閉模式下,夏季供冷能耗隨窗傳熱系數(shù)的減小而增大[13]。為了降低夏季建筑能耗,應(yīng)該限制四個(gè)方向窗墻比大小,此外,夏季可適當(dāng)開窗通風(fēng)改善建筑熱環(huán)境、降低供冷能耗。

圖3 南向窗墻比對(duì)供冷能耗的影響

圖4 東向窗墻比對(duì)供冷能耗的影響

圖5 北向窗墻比對(duì)供冷能耗的影響

圖6 西向窗墻比對(duì)供冷能耗的影響

2.2 窗墻面積比對(duì)供暖能耗的影響

南向窗墻比對(duì)建筑供暖能耗的影響情況如圖7。在不同的傳熱系數(shù)下,供暖能耗均隨著南向窗墻比增大而減小,傳熱系數(shù)越小,下降趨勢(shì)越明顯。原因在于,一方面,傳熱系數(shù)越小,抑制了室內(nèi)熱量向室外散失;另一方面,大連地區(qū)冬季晴天多,日照時(shí)間長(zhǎng),太陽(yáng)入射角低,太陽(yáng)輻射度大,南向窗戶陽(yáng)光射入深度大,可提高室內(nèi)溫度,降低供暖能耗[14],在供暖季南向窗墻比的設(shè)計(jì)是節(jié)約供暖能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于南向窗戶,大的窗墻面積比有利于供暖能耗的降低。東、北及西向窗墻比對(duì)供暖能耗的影響分別為8～10。從圖中可見,在傳熱系數(shù)相對(duì)較小時(shí),供暖能耗隨著東、西、北向窗墻面積比的增加而減小;在傳熱系數(shù)相對(duì)較大時(shí),供暖能耗隨著東、西、北向窗墻面積比的增加而增加。東、西向窗傳熱系數(shù)小于1.7W·(m2·K)-1,北向窗傳熱系數(shù)小于1.1W·(m2·K)-1,窗墻比可取較大值且有利于供暖能耗的降低。

圖7 南向窗墻比對(duì)供暖能耗的影響

圖8 東向窗墻比對(duì)供暖能耗的影響

圖9 北向窗墻比對(duì)供暖能耗的影響

圖10 西向窗墻比對(duì)供暖能耗的影響

2.3 窗墻比對(duì)建筑平均能耗的影響

建筑平均能耗指標(biāo)是指公共建筑單位面積供冷、供暖與照明能耗[15]?！督ㄖ?jié)能和可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015-2021)中指出:在標(biāo)準(zhǔn)工況下,寒冷地區(qū)(大連為寒冷A區(qū))面積小于20 000m2的辦公類新建建筑,其供冷、供暖與照明的平均能耗指標(biāo)為39 kWh·(m2·a)-1,本小節(jié)也以39 kWh·(m2·a)-1作為平均能耗指標(biāo)限值。圖11為南向窗墻比對(duì)平均能耗的影響,由圖可見,隨著南向窗墻比增大,平均能耗整體呈上升趨勢(shì),但均未超過39 kWh·(m2·a)-1,當(dāng)窗傳熱系數(shù)取值小于等于2.0 kWh·(m2·a)-1時(shí),窗墻比可取較大值。圖12～14分別為東向、西向窗墻比對(duì)平均能耗的影響,當(dāng)傳熱系數(shù)小于2.0 kWh·(m2·a)-1時(shí),窗墻比可大于0.7。圖13為北向窗墻比對(duì)平均能耗的影響,平均能耗隨著窗墻比的增加而顯著增加,傳熱系數(shù)等于2.0 kWh·(m2·a)-1時(shí),北向窗墻面積比需小于0.4,以滿足能耗指標(biāo)限值的要求。如果選擇大的北向窗墻面積比,需顯著減小玻璃的傳熱系數(shù)以達(dá)到節(jié)能的要求。

圖11 南向窗墻比對(duì)平均能耗的影響

圖12 東向窗墻比對(duì)平均能耗的影響

圖13 北向窗墻比對(duì)平均能耗的影響

圖14 西向窗墻比對(duì)平均能耗的影響

北向窗墻比對(duì)于平均能耗的影響最大,其次為東向、西向,南向的影響最小,如圖11～14。從圖3～10可見,增加南向的窗墻面積比,冬季供暖能耗減小、夏季供冷能耗增加,年平均能耗小幅增加。在第2部分研究中給出了進(jìn)行熱工性能權(quán)衡判斷時(shí)透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的要求,當(dāng)傳熱系數(shù)在上述范圍內(nèi)時(shí),均可增加南向主采光窗的窗墻面積比,提高天然采光的同時(shí)平均能耗不會(huì)大幅增加。如果房間的主采光窗在東向或者西向,在滿足規(guī)范要求的傳熱系數(shù)范圍內(nèi),也可適當(dāng)增加?xùn)|、西向窗墻面積比。對(duì)于北向,過大的窗墻面積比將顯著增加平均能耗,窗墻面積比不建議超過0.4,窗墻面積比在0.4～0.5之間時(shí),透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)需小于1.4;窗墻面積比在0.5～0.6之間時(shí),透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)需小于1.1;窗墻面積比大于0.6時(shí),透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)需小于0.8。

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究實(shí)踐得出,采用的Ladybug Tools工具與其他能耗分析軟件相比,Ladybug Tools擁有完整的分析優(yōu)化系統(tǒng),使得模型的修改和數(shù)據(jù)的分析可以完全并行,解決了建模軟件和分析軟件之間的交互問題,更加突出設(shè)計(jì)的流程,降低了軟件操作難度,滿足設(shè)計(jì)師進(jìn)行建筑能耗模擬的各項(xiàng)需求。本文給出了基于Ladybug Tools工具的建筑能耗模擬流程,并基于該流程分析了大連地區(qū)不同朝向單一立面窗墻面積比對(duì)建筑單位面積供暖、供冷以及平均能耗的影響規(guī)律,該流程也可拓展應(yīng)用于分析其他參數(shù)對(duì)于建筑能耗的影響。

本文的研究結(jié)果表明:(1)大連地區(qū)不同朝向單一立面窗戶窗墻面積比增加,供冷能耗隨窗墻比增大而則增大,供暖能耗的變化趨勢(shì)則和窗戶朝向有關(guān),南向窗戶窗墻面積比增大,供暖能耗則減小,東(西)向、北向窗墻面積比增大供暖能耗受窗戶傳熱系數(shù)影響較大,東(西)向傳熱系數(shù)小于1.4時(shí),供暖能耗隨窗墻比增大呈下降趨勢(shì),且下降趨勢(shì)較為明顯;當(dāng)北向透明維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)小于1.1時(shí),供暖能耗隨窗墻面積比增大呈下降趨勢(shì),下降趨勢(shì)較東(西)向小。(2)為了滿足平均能耗指標(biāo)的要求,對(duì)于南向窗戶,在窗戶傳熱系數(shù)小于2.0時(shí),窗墻比可取最大值;對(duì)于東(西)向窗戶,在窗戶傳熱系數(shù)小于2.0時(shí),窗墻面積比取值應(yīng)小于0.7為佳,若窗墻比取值大于0.7,傳熱系數(shù)需小于1.7;對(duì)于北向窗戶,在窗戶傳熱系數(shù)小于2.0時(shí),窗墻面積比取值不應(yīng)大于0.4,若窗墻比取值需大于0.4,則窗傳熱系數(shù)需小于0.8為宜。