基于節(jié)能潛力的辦公建筑外窗設(shè)計優(yōu)化策略
——以鄭州市主城區(qū)為例

韋 峰,郭亞婷

(鄭州大學(xué) 建筑學(xué)院,河南 鄭州 450001;鄭州大學(xué)綜合設(shè)計研究院有限公司,河南 鄭州 450002)

辦公建筑是建筑節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的對象之一,其節(jié)能策略貫穿建筑施工的整個生命周期,在減少建筑能耗、提升建筑節(jié)能方面更具有針對性和可操作性[1]。建筑外窗造成的能量損失占建筑總能量損失的30%～40%[2],通過改進(jìn)辦公建筑外窗的熱工特性,可以取得顯著的節(jié)能效果[3]。發(fā)掘辦公建筑外窗節(jié)能潛力,提出針對辦公建筑外窗設(shè)計的優(yōu)化策略,是亟須解決的問題。

Jalali等[4]以伊朗某一辦公建筑為研究對象,運(yùn)用建筑性能模擬軟件EnergyPlus和參數(shù)化編程軟件Grasshopper等對建筑能耗和采光進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)了4個朝向窗墻比等設(shè)計參量的優(yōu)化。Pilechiha等[5]以標(biāo)準(zhǔn)辦公模型為研究對象,運(yùn)用參數(shù)化編程軟件Grasshopper及其插件Ladybug 、Honeybee和Octopus對建筑能耗進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)了窗戶寬度、窗戶高度以及窗戶邊緣距離立面邊緣的距離等設(shè)計參量的優(yōu)化。Hiyama等[6]以辦公建筑為研究對象,運(yùn)用DAYSIM和EnergyPlus結(jié)合響應(yīng)面分析方法(RSM)對建筑能耗、采光以及耗電量進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)了窗墻比和窗戶幾何特性相關(guān)設(shè)計參量的優(yōu)化。本文基于Grasshopper 參數(shù)化平臺,以鄭州市主城區(qū)多層辦公建筑為例構(gòu)建典型模型,針對外窗設(shè)計尺度參數(shù)、外窗設(shè)計性能參數(shù)、遮陽設(shè)計參數(shù)等3個層級,對11個影響建筑能耗的設(shè)計參量進(jìn)行能耗模擬,為鄭州市主城區(qū)的辦公建筑外窗設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 典型模型與標(biāo)準(zhǔn)模擬方法

采取分層隨機(jī)取樣的方式對鄭州市中原區(qū)、二七區(qū)、惠濟(jì)區(qū)、金水區(qū)以及管城回族區(qū)等5個區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)抽樣調(diào)研。選取鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院樓、鄭州市機(jī)械研究所9號樓、河南工業(yè)大學(xué)食品添加劑應(yīng)用技術(shù)研究所樓、國家稅務(wù)總局鄭州市稅務(wù)局隴海路辦公樓、鄭州師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院樓和鄭州師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院樓等17個多層辦公建筑[7]進(jìn)行實(shí)地調(diào)研和參數(shù)信息統(tǒng)計。結(jié)合《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)以及防火疏散要求[8],確定建筑幾何參數(shù)為:建筑朝向,南向;標(biāo)準(zhǔn)層面積,1 200 m2;建筑長寬比,41;建筑層高,3.9 m;建筑層數(shù),6層;柱網(wǎng)尺寸,8.4 m×7.2 m;房間進(jìn)深,7.2 m;內(nèi)廊寬度,2.7 m;建筑空間布局,內(nèi)廊式、交通盒北向兩端+中間;建筑窗墻比,0.4;體形系數(shù),0.19。根據(jù)以上參數(shù)繪制典型模型標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

在典型模型幾何形體基礎(chǔ)上,根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50736—2012)《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級及檢測方法》(GB/T 7106—2008)等規(guī)范以及圖紙信息與調(diào)研數(shù)據(jù)確定典型模型熱工參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。熱工參數(shù)分別為:外墻傳熱系數(shù)Kw=0.55 W/(m·K);屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Kr=0.4 W/(m·K);外窗傳熱系數(shù)U=2.7 W/(m·K);外窗氣密性,6級;氣象參數(shù),epw氣象文件。運(yùn)行參數(shù)分別為:空調(diào)系統(tǒng)類型,理想空調(diào)系統(tǒng);供暖期,當(dāng)年11月15日至次年3月15日;制冷期,6月16日至9月30日;空調(diào)系統(tǒng)溫度設(shè)定,夏季26 ℃、冬季20 ℃;空調(diào)運(yùn)行時間,600—2000(供暖)、700—1800(制冷),節(jié)假日不進(jìn)行溫度控制;新風(fēng)量,30 m3/(h·人);人員密度,辦公10 m2/人;照明功率密度,8 w/m2;設(shè)備功率密度,15 w/m2;新風(fēng)、人員、照明、設(shè)備時間表,工作日700—1900、節(jié)假日不開。

確定幾何參數(shù)、熱工參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)后,首先建立鄭州地區(qū)多層辦公建筑典型模型,并根據(jù)使用功能和參數(shù),將典型模型分為空調(diào)熱區(qū)和非空調(diào)熱區(qū)等2個熱工分區(qū)(見圖2)。其次,應(yīng)用Rhinoceros的圖形算法編輯器Grasshopper進(jìn)行參數(shù)化建模,并通過Ladybug和Honeybee完成模擬平臺的搭建。通過在GH平臺上安裝的開源插件Ladybug Tools,模擬建筑能耗與光環(huán)境。使用EnergyPlus能耗模擬軟件,得到典型模型建筑總能耗及各分項(xiàng)能耗的具體數(shù)據(jù),將其作為建筑基準(zhǔn)能耗值。通過控制變量法分別修改各設(shè)計變量參數(shù),將修改參數(shù)后的能耗模擬結(jié)果與能耗基準(zhǔn)值的差值除以能耗基準(zhǔn)值,進(jìn)而分析各要素的節(jié)能潛力。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層熱工分區(qū)圖

2 確定設(shè)計參量

與窗戶有關(guān)的參數(shù)包括窗墻比、窗臺高度、窗口高度、窗戶玻璃的種類。與不同玻璃種類有關(guān)的參數(shù)包括可見光透射率、太陽能總透過率以及玻璃傳熱系數(shù)等[9]。由于能耗計算單位是標(biāo)準(zhǔn)層,每個開間內(nèi)窗戶個數(shù)會對能耗產(chǎn)生影響,故將窗戶中心線的距離也作為設(shè)計參量。由于窗戶的開啟扇會影響通風(fēng)以及建筑空調(diào)設(shè)備的新風(fēng)量,進(jìn)而對建筑能耗產(chǎn)生影響,故進(jìn)行變量估算時,加入窗戶開啟扇這一設(shè)計參量。除了窗戶本身之外,還有一些附加的設(shè)計要素,如遮陽方式,會使太陽輻射得熱量發(fā)生變化,影響夏季制冷量和冬季采暖量,進(jìn)而影響建筑能耗。因此,將以上11個設(shè)計參量進(jìn)行分類整理后,得到外窗設(shè)計尺度參數(shù)、外窗設(shè)計性能參數(shù)、遮陽設(shè)計參數(shù)等3個層級。根據(jù)相關(guān)規(guī)范分別對11個設(shè)計參量的基準(zhǔn)值和變化步長進(jìn)行設(shè)定。

2.1 外窗設(shè)計尺度參數(shù)

(1)窗墻比。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)[10]中對于窗墻比的規(guī)定以及鄭州市的氣候分區(qū)可以設(shè)定建筑4個立面的窗墻比變化范圍均為 0～0.7,步長為0.1。(2)窗臺高度。常見的窗臺高度分別為0.9 m和0 m,根據(jù)結(jié)合模數(shù)的設(shè)置情況,窗臺高度分別取0、0.3、0.6、0.9 m。(3)窗口高度。在建筑窗口寬度一定的情況下,窗口高度的改變會導(dǎo)致窗墻比改變,從而影響建筑能耗。根據(jù)參考案例并結(jié)合《建筑門窗洞口尺寸系列》(GBT 5824—2021)得出大部分室內(nèi)開啟空調(diào)的辦公建筑窗口高度大于2.4 m,綜合模擬建筑層高和設(shè)定的窗臺高度(建筑梁高設(shè)置為0.6 m),得到窗口高度變化范圍為2.4～3.3 m,即2.4、2.7、3、3.3 m[11]。(4)窗口中心線即為兩個窗戶豎向中心軸線的距離,表示每個面上窗戶數(shù)量的多少,同時會影響立面的分割。若模型的房間開間為4.2 m,且窗口中心線距離為2.1 m,則該面有2個窗戶。

2.2 外窗設(shè)計性能參數(shù)

(1)窗戶開啟扇。窗戶開啟扇以百分比的形式表示,窗戶的形式設(shè)置為平開窗,變量的取值范圍為0～0.5。(2)玻璃的關(guān)鍵性能包括可見光透射率、太陽能總透過率以及外窗傳熱系數(shù)等,結(jié)合《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)和《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176—2016)對于常見玻璃種類的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行整理,得出相關(guān)參數(shù)的取值范圍,其中可見光透射比為0.4～0.9,步長取0.1;太陽能總透射比為0.4～0.9,步長取0.1;傳熱系數(shù)為1～6,步長取1。

2.3 遮陽設(shè)計參數(shù)

遮陽形式分為水平遮陽、垂直遮陽、綜合遮陽等。遮陽板變化參數(shù)表示遮陽板深度,其變化范圍均為0.2～1。

3 能耗模擬結(jié)果分析

計算節(jié)能優(yōu)化設(shè)計后的建筑能耗值與基準(zhǔn)建筑能耗值的差值,再將差值除以基準(zhǔn)建筑能耗值,得到一個比值,即節(jié)能貢獻(xiàn)率?？梢杂闷浔碚鞴?jié)能潛力的大小,并繪制不同參量的全年單位面積能耗值折線圖[12](見圖3～圖11)。

3.1 不同設(shè)計參量對能耗值的影響程度分析

由圖3(a)可以看出,全年單位面積建筑制冷能耗、建筑總能耗及采暖能耗均隨著窗墻比的增大而增加。由圖3(b)的斜率可以看出,窗墻比對建筑采暖能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率更大。

(a)不同窗墻比的能耗

(b)不同窗墻比的節(jié)能貢獻(xiàn)率

由圖4(a)可以看出,隨著窗臺高度的增加,單位面積平均建筑總能耗、制冷能耗及采暖能耗均存在輕微的波動。由圖4(b)可以看出,窗臺高度對于各項(xiàng)能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率不大。

(a)不同窗臺高度的能耗

(b)不同窗臺高度的節(jié)能貢獻(xiàn)率

由圖5(a)可以看出,隨著窗口高度的增加,全年單位面積建筑總能耗和建筑制冷能耗以及采暖能耗均存在輕微的波動。由圖5(b)可以看出,窗口高度對于各項(xiàng)能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率不大。

(a)不同窗口高度的能耗

(b)不同窗口高度的節(jié)能貢獻(xiàn)率

由圖6(a)可以看出:隨著窗口中心線距離的增加,建筑總能耗隨之增加,制冷能耗先增加后減小再增加;采暖能耗隨著窗口中心線距離的增加而減小;制冷能耗和總能耗變化趨勢一致,窗口中心線距離對于制冷能耗的影響大于對采暖能耗的影響。由圖6(b)的斜率可以看出,窗口中心線距離對建筑的采暖能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率較大。

(a)不同窗口中心線距離的能耗

(b)不同窗口中心線距離的節(jié)能貢獻(xiàn)率

由圖7(a)可以看出,隨著窗戶開啟扇百分比的增加,單位面積平均建筑總能耗、制冷能耗都隨之減小,采暖能耗隨著窗戶開啟扇百分比的增加而增加,但能耗值變化很小,應(yīng)該充分利用自然通風(fēng)降低夏季制冷的能耗。由圖7(b)中的斜率可以看出,窗戶開啟扇百分比對建筑的制冷能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率較大。

(a)不同窗戶開啟扇百分比的能耗

(b)不同窗戶開啟扇百分比的節(jié)能貢獻(xiàn)率

由圖8(a)可以看出,隨著玻璃可見光透射比窗戶開啟扇百分比的增加,建筑總能耗、制冷能耗以及采暖能耗均無明顯變化,玻璃可見光透射比的變化對于建筑的能耗影響不大。由圖8(b)的斜率可以看出,玻璃可見光透射比對于各項(xiàng)能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率不大。

(a)不同玻璃可見光透射比的能耗

(b)不同玻璃可見光透射比的節(jié)能貢獻(xiàn)率

由圖9(a)可以看出,隨著玻璃太陽能總透射比的增加,建筑總能耗沒有顯著變化,制冷能耗先增大后減小再增大,采暖能耗先減小后增大再減小,且制冷能耗和總能耗走勢趨于一致。由此可見,玻璃太陽能總透射比對于制冷能耗的影響大于采暖能耗。由圖9(b)的斜率可以看出,玻璃太陽能總透射比對建筑的采暖能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率較大。

(a)不同玻璃太陽能總透射比的能耗

(b)不同玻璃太陽能總透射比的節(jié)能貢獻(xiàn)率

由圖10(a)可以看出,隨著玻璃傳熱系數(shù)的增加,建筑總能耗和采暖能耗均增大,且走勢一致。由此可見,玻璃太陽能總透射比對于采暖能耗的影響大于制冷能耗。由圖10(b)的斜率可以看出,玻璃傳熱系數(shù)對建筑的采暖能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率較大。

(a)不同玻璃傳熱系數(shù)的能耗

(b)不同玻璃傳熱系數(shù)的節(jié)能貢獻(xiàn)率

由圖11可以看出,隨著水平遮陽板、垂直遮陽板、綜合遮陽板深度的增加,建筑總能耗、制冷能耗整體上都隨之減小,采暖能耗隨著水平遮陽板深度的增加而增加,但能耗值變化很小。因此,辦公建筑外遮陽形式的節(jié)能潛力較小,無需優(yōu)先考慮。

(a)不同水平遮陽板深度的能耗

(b)不同水平遮陽板深度的節(jié)能貢獻(xiàn)率

(c)不同垂直遮陽板深度的能耗

(d)不同垂直遮陽板深度的節(jié)能貢獻(xiàn)率

(e)不同綜合遮陽板深度的能耗

(f)不同綜合遮陽板深度的節(jié)能貢獻(xiàn)率

3.2 不同設(shè)計層級和設(shè)計參量的能耗節(jié)能潛力分析

設(shè)計層級和設(shè)計參量的模擬分析如圖12所示。由圖12(a)可以看出:外窗設(shè)計尺度參數(shù)對于鄭州市主城區(qū)多層辦公建筑的總能耗影響最為顯著,節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-9.22%～10.67%;外窗設(shè)計性能參數(shù)對于鄭州市主城區(qū)多層辦公建筑的采暖能耗影響最為顯著,節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-76.37%～105.31%;外窗設(shè)計尺度參數(shù)對于鄭州市主城區(qū)多層辦公建筑的制冷能耗影響最為顯著,節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-13.28%～18.22%。因此,將影響鄭州市主城區(qū)多層辦公建筑的總能耗的因素排序?yàn)橥獯霸O(shè)計尺度參數(shù)>外窗設(shè)計性能參數(shù)>遮陽設(shè)計參數(shù),采暖能耗影響方面排序?yàn)橥獯霸O(shè)計性能參數(shù)>外窗設(shè)計尺度參數(shù)>遮陽設(shè)計參數(shù),制冷能耗影響方面排序?yàn)橥獯霸O(shè)計尺度參數(shù)>遮陽設(shè)計參數(shù)>外窗設(shè)計性能參數(shù)。

由圖12(b)、圖12(c)和圖12(d)可以看出:窗墻比對鄭州市主城區(qū)多層辦公建筑的全年單位面積總能耗影響最為顯著,在閾值變化范圍內(nèi)對建筑總能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率為-8.85%～9.33%;玻璃傳熱系數(shù)對鄭州市主城區(qū)多層辦公建筑的全年單位面積采暖能耗影響最為顯著,在閾值變化范圍內(nèi)對采暖能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-76.37%～59.99%;窗墻比對鄭州市主城區(qū)多層辦公建筑的全年單位面積制冷能耗影響最為顯著,在閾值變化范圍內(nèi)對制冷能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率變化范圍為-11.74%～12.89%。窗墻比在減少全年能耗量方面和減少制冷量方面的節(jié)能潛力最大;玻璃傳熱系數(shù)在減少供暖量方面的節(jié)能潛力最大。

(a)3個設(shè)計層級能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率

(b)11個設(shè)計參量的全年單位面積總能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率

(c)11個設(shè)計參量的全年單位面積采暖能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率

(d)11個設(shè)計參量的全年單位面積制冷能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率

因此,應(yīng)結(jié)合各設(shè)計參量的節(jié)能潛力,有側(cè)重地設(shè)計鄭州市主城區(qū)的多層辦公建筑。在第一層級中,外窗設(shè)計尺度各參數(shù)中對全年總能耗值影響較大的依次是窗墻比、窗口中心線距離、窗戶開啟扇百分比。在選擇合適的窗墻比之后,可以結(jié)合立面分隔窗戶間距離以及窗戶本身。在第二層級中,外窗設(shè)計性能各參數(shù)中對全年總能耗值影響最大的是玻璃傳熱系數(shù)。在選擇玻璃材料時,應(yīng)重點(diǎn)考慮玻璃傳熱系數(shù)。在第三層級中,遮陽設(shè)計各參數(shù)中對全年總能耗值影響相對較大的是綜合遮陽板的深度,但該影響很小,如無特殊需求可以不加以考慮。

4 結(jié)論

通過控制變量法改變不同參數(shù)進(jìn)行能耗模擬及數(shù)據(jù)分析,得到如下結(jié)論:首先,鄭州市主城區(qū)多層辦公建筑的外窗節(jié)能設(shè)計應(yīng)在滿足相關(guān)規(guī)范等基本條件下設(shè)置合適的窗墻比;其次,綜合考慮節(jié)能和美學(xué)因素,選擇合適的窗口中心線;最后,在選擇玻璃種類時,優(yōu)先考慮玻璃傳熱系數(shù)。