基于太陽能利用的住宅節(jié)能性能化設(shè)計研究*

趙 龍 趙 薇 姚 慧 陳景衡 張東峰 武玉艷

(1.西安建筑科技大學(xué)設(shè)計研究總院有限公司, 西安 710055; 2.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院, 西安 710055)

我國于2020年9月明確提出“碳達(dá)峰”“碳中和”的具體目標(biāo),文獻(xiàn)[1]基于30個省份2004—2011年的面板數(shù)據(jù)分析,建立中國區(qū)域建筑業(yè)碳排放測算模型,得出全國53．3%的省份處于碳排放的弱脫鉤狀態(tài),26．7%的省份處于擴張負(fù)脫鉤狀態(tài),20%的省份處于增長連接狀態(tài),尚未出現(xiàn)強脫鉤的情況。說明在建筑行業(yè)內(nèi),節(jié)能減排工作還有較大推進(jìn)空間。

在國家“碳達(dá)峰、碳中和”的宏偉規(guī)劃下,建筑行業(yè)的低碳、低能耗發(fā)展將成為趨勢。能源綠色化對碳排放強度及總量下降具有最重要的作用[2]。在建筑中利用可再生能源替代化石類能源是降低建筑能耗,進(jìn)而實現(xiàn)降低建筑碳排放的重要途徑之一?？稍偕茉丛诮ㄖ械暮侠響?yīng)用,需要建筑師整合建筑熱工、綠色建筑、建筑設(shè)備等多領(lǐng)域、多專業(yè)的理念,實現(xiàn)多學(xué)科、多技術(shù)交織協(xié)同,在建筑方案初始階段綜合政策法規(guī)、市場機制、工程實踐等多元要素,在確保技術(shù)有效、可靠的前提下,實現(xiàn)項目落成運行。

太陽輻射是地球上全部能量的根源,也是可再生能源的重要組成部分,利用太陽能降低建筑能耗十分重要。針對建筑太陽能利用的相關(guān)研究較多,劉加平等基于陜北黃土高原地區(qū)傳統(tǒng)窯洞民居的特征和豐富的太陽輻射資源條件,提出零輔助采暖能耗窯居太陽房[3];李恩等對拉薩市附加陽光間式住宅展開研究,得出陽光間對拉薩住宅的能耗影響明顯,并得出其最佳設(shè)計尺度[4];石利軍等對太陽能富集地區(qū)建筑體形系數(shù)展開研究,在考慮南向得熱構(gòu)件的前提下,得出了太陽輻射影響下等效體形系數(shù)[5];王蘇穎等從窗戶太陽得熱對能耗的影響入手,得出合理利用南向外窗得熱,在一定情況下有利于節(jié)約采暖能耗的結(jié)論[6];王婷婷等提出集熱蓄熱屋頂式太陽房,以取代普通屋頂構(gòu)造,并建立了該集熱蓄熱屋頂式太陽房物理及數(shù)學(xué)模型[7];金虹等針對圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能性能的敏感性進(jìn)行分析,得出影響節(jié)能設(shè)計的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位及敏感程度差異[8]。

通過梳理相關(guān)研究,可知現(xiàn)有研究在多、低層住宅類型中已取得較多成果,對建筑的局部構(gòu)件性能的研究較為完整。但是,我國城鎮(zhèn)居住建筑的主要類型為高層集中式住宅,其設(shè)計建造流程高度標(biāo)準(zhǔn)化,利用太陽能的方式單一,對建筑師開創(chuàng)性地應(yīng)用某一新型技術(shù)的接受程度不夠高,而高層住宅年均建設(shè)量大,單體建筑少量的能耗降低即可取得明顯的節(jié)能減排收益。因此,如何實現(xiàn)在高層住宅中操作設(shè)計要素,從而實現(xiàn)建筑師對能耗水平的控制,如何在城鎮(zhèn)住宅中實現(xiàn)太陽能的合理應(yīng)用,均是亟待研究的問題。

研究挑選青海省西寧市作為研究落點,通過軟件建立能耗研究模型,開展節(jié)能設(shè)計性能化研究。通過分析各建筑能耗敏感因子對能耗影響的強烈程度,優(yōu)化各因子的組合方式,定量分析太陽能補償采暖能耗的潛力,探索節(jié)能性能化設(shè)計方法,作為可再生能源在建筑中有效利用的途徑之一,為建筑節(jié)能設(shè)計提供新思路。

1 研究對象及研究模型的建立

1.1 研究對象概述

1.1.1西寧地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑概況

經(jīng)調(diào)研,收集西寧地區(qū)建成、在售的戶型100余套,按照兩室戶、三室戶、四室戶的原則進(jìn)行分類。以四室戶為例,整理戶型的基本數(shù)據(jù)有:東西向總尺寸,起居室進(jìn)深,南、北向窗墻比,有無北向陽臺,南向開間數(shù)量等,形成表格(表1)。

表1 四室戶典型戶型布局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of layout data of typical four-room households

由表1可知,收集到的30個平面中,其戶型布局的數(shù)據(jù)均值為:東西向的尺寸13.1 m,南、北向窗墻比0.35、0.22,起居室進(jìn)深11.7 m。北向設(shè)置陽臺的比例占到樣本量的67%,南向布置三、四開間的比例占到樣本量的70%。符合上述條件的戶型平面可作為典型代表,分析其能耗情況可代表大部分同類型建筑的能耗水平。

1.1.2研究對象

西寧碧桂園項目位于青海省西寧市城北區(qū)湖海大道旁,其中17號樓為18層、層高2.9 m的住宅建筑,正南朝向?；静季譃樗氖覂蓮d,南向四開間布置三間臥室、一間起居室。起居室南、北向均設(shè)置封閉陽臺,起居室進(jìn)深約為10 m;北向布置書房一間,衛(wèi)生間與廚房也布置于北向,其平面布置見圖1,圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工參數(shù)見表2。其戶型布局符合西寧地區(qū)四室戶的典型特點,因此選取該樓作為研究對象。

圖1 西寧碧桂園17號樓平面 mmFig.1 Plan of building No.17 in Country Garden, Xining

表2 西寧碧桂園圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法及熱工參數(shù)Table 2 Construction method and thermal parameters of enclosure structure of Country Garden, Xining

1.2 研究模型的氣象及室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)

使用DesignBuilder進(jìn)行能耗模擬,需對熱工模型進(jìn)行室外氣象參數(shù)與室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)設(shè)置。采用JGJ/T 346—2014《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》作為數(shù)據(jù)來源,保證計算結(jié)果貼近實踐。經(jīng)分析,西寧地區(qū)采暖季月均總輻射量最小值超過115 W/m2(12月),最大值超過188 W/m2(3月);夏季最熱月平均氣溫不足20 ℃,最冷月平均氣溫約為-6 ℃,可知西寧地區(qū)住宅能耗主要為冬季采暖能耗,且供暖期太陽輻射較強,夏季基本無空調(diào)能耗,因此研究主要針對采暖能耗展開。主要功能房間的室內(nèi)溫度設(shè)定見表3;設(shè)定能耗模擬時的換氣次數(shù)為0.5次/h;人員在室率依據(jù)JGJ26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中條文4.3.6規(guī)定設(shè)置;集中供暖系統(tǒng)的鍋爐效率取0.85。

表3 普通住宅溫度參數(shù)設(shè)置Table 3 Temperature parameter setting of normal residential

2 多因子影響下的能耗模擬結(jié)果

2.1 建筑能耗敏感因子的選取及取值

與能耗相關(guān)的建筑設(shè)計因子可以歸結(jié)為平面設(shè)計、立面設(shè)計與構(gòu)造設(shè)計。因子的選取應(yīng)符合以下幾個特點:1)建筑師可控;2)對能耗影響直接且明顯。根據(jù)文獻(xiàn)[5-6,8-9]梳理總結(jié),結(jié)合西寧地區(qū)住宅建筑特點,取建筑朝向、南向陽臺進(jìn)深、北向陽臺進(jìn)深、南向立面窗墻比、外墻傳熱系數(shù)、外窗太陽得熱系數(shù)SHGC(傳熱系數(shù)K值)共6個參數(shù),作為能耗敏感因子。每個影響因子分別取值5次,即形成6因子、5水平的模擬試驗數(shù)據(jù)組。敏感因子及取值詳見表4。

表4 敏感因子取值范圍Table 4 Value range of sensitivity factor

2.2 正交試驗

正交試驗是研究多因素多水平的一種簡化試驗方法,它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進(jìn)行試驗,這些有代表性的點具備了“均勻分散,齊整可比”的特點,在簡化試驗?zāi)M次數(shù)的同時保證試驗結(jié)果的代表性與準(zhǔn)確性。每個敏感因子即代表1個因素,每個因素的某1個值即1個水平。因此,可以采用正交試驗中的6因素5水平的標(biāo)準(zhǔn)型表格L25(56),將能耗模擬次數(shù)降低為25次。利用SPSS軟件生成正交試驗表簡化試驗,正交試驗表及模擬結(jié)果詳見表5。

表5 采暖能耗多因素L25(56)正交組合方式及結(jié)果Table 5 Multi-factor L25 (56) orthogonal combination mode and results of heating energy consumption

2.3 多因子影響下的能耗模擬結(jié)果

為驗證模擬結(jié)果的有效性,對西寧碧桂園17、18號樓全年能耗進(jìn)行實測。供暖能耗實測值為9.38 Nm3/(m2·a),此時供暖能耗模擬值為8.91 Nm3/(m2·a),偏差值約5%,模擬結(jié)果可信度較高,可用于分析研究。

根據(jù)表5數(shù)據(jù)統(tǒng)計,進(jìn)行極差計算,計算結(jié)果見表6,表中-kij表示第j列的因素取水平i時,所得試驗結(jié)果的平均值,-kij= 1/skij,其中s為第j列水平為i的因素出現(xiàn)的次數(shù),-kij為第j列水平為i的因素的試驗結(jié)果之和;Rj為第j列的極差[10]。計算結(jié)果越大,說明該因子對能耗的影響越明顯。試驗結(jié)果表明,外窗太陽得熱系數(shù)對能耗影響最強烈,其次為建筑朝向,外墻傳熱系數(shù),南向窗墻比,南、北向陽臺進(jìn)深。

表6 單位采暖能耗多因素組合試驗極差計算結(jié)果Table 6 Calculation results of range of multi-factor combination test for unit heating energy consumption

表7 能耗多因素敏感分析結(jié)果Table 7 Multi-factor sensitivity analysis results of energy consumption

取模擬能耗最低的三組算例,以式(1)[11]求敏感值IC的均值,進(jìn)行敏感性分析。

(1)

式中:OP為建筑的模擬輸出參數(shù)結(jié)果,即采暖能耗;OPbc為基準(zhǔn)建筑的模擬輸出參數(shù)結(jié)果;IP為建筑的模擬輸入?yún)?shù)值;IPbc為基準(zhǔn)建筑的模擬輸入?yún)?shù)值。

IC值越大,說明對最終計算值影響程度越劇烈。外窗SHGC、外墻傳熱系數(shù)、朝向的IC值較高,遠(yuǎn)超窗墻比與南、北向陽臺進(jìn)深。

對比算例3與算例25,外墻傳熱系數(shù)取節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)限值0.4的情況下,能耗值由7.1 kgce/(m2·a)下降到4.8 kgce/(m2·a),降幅達(dá)29%;算例25對比GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》與JGJ 26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的能耗參考值分別下降52.1%和40.4%,說明在方案階段通過建筑設(shè)計被動節(jié)能的潛力明顯。分析模擬結(jié)論,可以得出:

1)從敏感因子組合情況看,不同組合的能耗水平存在明顯差異,通過不斷修正敏感因子的取值搭配,能逐步降低建筑能耗,因而存在經(jīng)敏感因子—設(shè)計方案—能耗水平再反饋至敏感因子修正方案的循環(huán)驗證過程。

2)從能耗水平看,外窗SHGC值與外墻K值對能耗影響強度基本相當(dāng),高于窗墻比及建筑朝向,遠(yuǎn)大于平面進(jìn)深尺寸變化。說明受太陽輻射影響,得熱性能優(yōu)越的高透光玻璃與良好的外墻隔熱性能對節(jié)能的效果同樣明顯。因而存在調(diào)節(jié)能耗最敏感因子影響建筑平面、立面“性能化”設(shè)計的可能性。

3)在接受太陽輻射的南立面寬度不變的前提下,少量改變進(jìn)深尺寸對能耗影響相對較弱。研究表明[9,12]:住宅進(jìn)深在10～12.5 m之間時,建筑冷熱需求與面寬進(jìn)深比呈明顯的線性關(guān)系,過大或過小均不利于節(jié)能,因而大面寬小進(jìn)深的布局模式更利于太陽輻射直接得熱利用。

3 基于太陽能利用的住宅節(jié)能性能化設(shè)計研究

3.1 基于太陽能利用的住宅節(jié)能性能化設(shè)計流程

我國的傳統(tǒng)民居在漫長的發(fā)展過程中形成了獨特的生態(tài)智慧,發(fā)展出順應(yīng)氣候的各類建筑形式,適宜氣候的營建在不斷的“試錯”過程中逐步完善,更多地體現(xiàn)了關(guān)注氣候的被動式設(shè)計策略。然而,當(dāng)今既有的“先設(shè)計后驗證”工作流程對氣候影響造成的設(shè)計條件改變關(guān)注不足,導(dǎo)致在方案階段,建筑師沒有對能耗的定量決策的恰當(dāng)方法,難以把握改善建筑能耗的機會。

通過前序研究,將設(shè)計流程進(jìn)行模塊化梳理(圖2)。在對方案階段前增加“氣候條件分析”模塊、“用能需求分析”模塊、“性能循環(huán)反饋”模塊,經(jīng)“最敏感因子交互驗算”模塊簡化分析過程,前置節(jié)能策略篩選。以能耗目標(biāo)引導(dǎo)建筑形式,形成優(yōu)選方案組,本質(zhì)上是一種方案推敲過程。

圖2 節(jié)能性能化設(shè)計流程Fig.2 Energy-saving performance-based design process

“氣候條件分析”是指以具體的氣候條件作為設(shè)計依據(jù),確立節(jié)能策略的基本思路。節(jié)能的建筑是順應(yīng)氣候的建筑,節(jié)能的設(shè)計也需要回應(yīng)氣候條件,核心在于將氣象數(shù)據(jù)變?yōu)樵O(shè)計依據(jù)。

大量研究已總結(jié)許多針對氣候條件的分析方法,如楊柳等總結(jié)修正的生物氣候圖法[13],劉艷峰等總結(jié)的太陽能供暖保證率法[14],這些方法從室內(nèi)熱環(huán)境或建筑得熱與耗熱量的角度,對氣候條件做了深入分析,得出了太陽能利用氣候分區(qū)。

但在方案前期,僅從供暖季水平面總輻射及干球溫度兩項關(guān)鍵指標(biāo)判斷,即可為節(jié)能策略指出大致方向。以西寧、拉薩為代表的青藏高原地區(qū)太陽能富集,夏季氣溫較低,即使夏季室內(nèi)因太陽輻射溫度升高,也不會導(dǎo)致空調(diào)能耗明顯增加,因此利用太陽能采暖總體是節(jié)能的(圖3)。

圖3 西寧、拉薩、銀川、西安主要室外氣象參數(shù)Fig.3 Main outdoor meteorological parameters in Xining, Lhasa, Yinchuan and Xi’an

銀川的太陽輻射強度比西寧略弱,且夏季平均氣溫高,因而效果相對西寧要差;西安雖然與拉薩同屬氣候分區(qū)的寒冷地區(qū),但供暖季太陽輻射強度較弱,且夏季溫度高,光照通過外窗反而會造成夏季空調(diào)能耗增大,因此不宜用太陽能補償冬季采暖能耗(圖3)。

“用能需求分析”模塊,明確節(jié)能策略作用目標(biāo)。建筑物的能耗由采暖與非采暖能耗組成,北方城鎮(zhèn)住宅能耗主要是采暖能耗。具體到西寧,由于夏季氣溫較低,因此在設(shè)計時考慮通過增大太陽得熱面、改良透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)引入太陽能,將與之相關(guān)的布局方法、構(gòu)造節(jié)點作為能耗敏感因子,是節(jié)能策略的研究重點。

將前文正交試驗的過程轉(zhuǎn)為可視化圖形(圖4),可歸納為不同搭配的因子組合構(gòu)成了多個單線程、唯一解的設(shè)計過程,最終表現(xiàn)為不同能耗水平的方案。在此過程中,能耗水平分布散亂,敏感因子與能耗高低的關(guān)系是不確定的,過程的終點止于能耗而非設(shè)計要素,對方案設(shè)計的參考意義不大。

圖4 正交試驗結(jié)果可視化Fig.4 Visualization of orthogonal experiment results

因此,需要構(gòu)建能耗模擬結(jié)果與設(shè)計策略選擇間的交互關(guān)系,將技術(shù)推導(dǎo)過程轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖO(shè)計流程,將科學(xué)驗證角度的技術(shù)問題轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖO(shè)計角度的決策問題,將技術(shù)路線中的計算“黑箱”轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計路線中的策略“傾向”(圖5),“性能循環(huán)反饋”流程應(yīng)運而生。

圖5 能耗模擬結(jié)果與設(shè)計策略選擇交互關(guān)系構(gòu)建Fig.5 Interaction between energy consumption simulation results and design strategy selection

“性能循環(huán)反饋”(圖6)在原有線性流程基礎(chǔ)上經(jīng)反饋循環(huán)作用,建立起能耗水平與方案設(shè)計要素之間的聯(lián)系。利用正交試驗與敏感性分析得到能耗敏感性較強的因子,通過直接操作敏感因子的取值實現(xiàn)控制能耗的目的。由于不同的因子存在敏感性差異,多個敏感因子的合理搭配使得達(dá)到既定能耗目標(biāo)成為多線程、多元解的方案推敲過程,多方案比選成為可能。

圖6 性能循環(huán)反饋流程示意Fig.6 Schematic diagram of performance cycle feedback process

3.2 住宅性能循環(huán)反饋決策應(yīng)用

城鎮(zhèn)住宅的建設(shè)邏輯受到市場因素、經(jīng)濟因素、工程因素等諸多影響,平面布局多由市場機制反饋調(diào)節(jié),實踐中建筑師更多針對戶型的局部優(yōu)化而非總體設(shè)計,以另一常見戶型平面作為應(yīng)用算例(圖7),建設(shè)時南向窗墻比0.42,外墻K值為0.55 W/(m2·K),外窗采用SHGC值為0.36的中空窗戶。其體形系數(shù)較大,對節(jié)能設(shè)計有明顯的不利影響。

圖7 算例初始平面Fig.7 Original plane of calculation example

表8 循環(huán)反饋應(yīng)用算例——構(gòu)造與立面要素取值區(qū)間Table 8 Application example of cyclic feedback: value range of construction and facade design elements

依據(jù)性能循環(huán)反饋流程,分析以平面設(shè)計、朝向變化引起的反饋循環(huán)情況。軟件基本設(shè)置同西寧碧桂園17號樓,以敏感因子外墻K值、外窗SHGC值、南向窗墻比建立研究模型,計算結(jié)果詳見表8、表9,并將結(jié)果可視化(圖8)。

從圖形上看,性能循環(huán)反饋流程有明顯的收束點和周期性。曲線在平面尺寸、朝向變化時收束,形成設(shè)計要素與能耗值之間的規(guī)律性周期;當(dāng)波動趨于平穩(wěn)時,敏感因子趨于取中間值,其取值與能耗水平關(guān)系是可預(yù)測的。在三項敏感因子均取最理想值時能耗最低,當(dāng)設(shè)計要素的變化趨于不利或有益時,能耗水平隨要素的變化升高或降低。以能耗降低30%為預(yù)期目標(biāo),在圖形上可以直觀地得到最低能耗值的冗余量,進(jìn)而得到修正敏感因子取值的依據(jù)與方向。

次優(yōu)算例(橙色曲線)是在最優(yōu)算例基礎(chǔ)上,將SHGC值從0.78修正為0.62后的結(jié)果,此時能耗值仍有一定冗余量,因此可考慮減少保溫厚度,結(jié)合方案要求進(jìn)一步修改平面尺寸或建筑朝向?？梢?通過性能循環(huán)反饋流程實現(xiàn)的節(jié)能性能化設(shè)計,通往能耗目標(biāo)的路徑是多元化的。

同理,立面設(shè)計的變化同樣可經(jīng)循環(huán)反饋流程建立“設(shè)計要素—能耗值”的交互關(guān)系,詳見表10。顯然,技術(shù)邏輯主導(dǎo)的能耗水平會強烈影響建筑立面的設(shè)計策略。

表10 立面設(shè)計引導(dǎo)反饋循環(huán)Table 10 Facade design guidance feedback cycle

4 結(jié) 論

在國家倡導(dǎo)節(jié)能減排、高質(zhì)量綠色發(fā)展的宏觀語境下,建筑師主導(dǎo)的多專業(yè)整合與節(jié)能技術(shù)協(xié)同將更為重要。伴隨設(shè)計過程的不斷精細(xì)化,多元多樣的設(shè)計方法將不斷涌現(xiàn),前置節(jié)能性能化設(shè)計是其中重要的思路之一。基于太陽輻射得熱影響下的節(jié)能性能化設(shè)計提供了多角度、多路徑的方案比選與修正方法,初步探索了能耗模擬技術(shù)與節(jié)能設(shè)計策略之間的互饋關(guān)系,并通過對比實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的匹配程度,支撐了該方式的有效性。主要結(jié)論如下:

1)初步走通了以太陽能利用為主的住宅節(jié)能性能化設(shè)計方法,通過對設(shè)計要素的直接操作實現(xiàn)控制能耗、降低碳排放的目的,突顯建筑師在建筑“節(jié)能減排”過程中的主導(dǎo)地位。合理的能耗敏感因子組合可實現(xiàn)采暖能耗降低30%以上。

2)通過性能循環(huán)反饋決策,可高效完成節(jié)能策略的理性篩選。將氣候數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為設(shè)計依據(jù),將能耗降低的目標(biāo)轉(zhuǎn)換為具體的設(shè)計過程,并為此提供了較易掌握的分析方法與軟件工具。

3)在太陽能資源豐富的地區(qū),住宅建筑受太陽輻射作用,南向外窗的得熱性能與圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能對采暖能耗的影響強度基本相當(dāng),其次為朝向、窗墻比、空間布局等。

4)將由光熱作用導(dǎo)致的采暖能耗降低歸因為外窗SHGC值,但研究深度尚淺。外窗SHGC值動態(tài)變化的特性、日照時數(shù)與日照輻射量的關(guān)系、建筑前后遮擋關(guān)系、光熱作用的具體熱過程等對設(shè)計策略的影響待完善,相關(guān)討論將在后續(xù)研究中進(jìn)一步展開。