2018, Vol. 50
2. 卡迪夫大学 建筑学院, 英国 卡迪夫 CF10 3NB
2. Welsh School of Architecture, Cardiff University, CF10 3NB, UK
目前，中国建筑能耗成为与工业、交通能耗并列的三大能耗之一，2015年中国建筑总商品能耗为8.64亿tce，占全国能源消费总量的20 %[1].能源与环境问题凸显，对建筑节能设计提出了更高的要求.以往节能研究多关注于围护结构和暖通空调系统，空间设计因素与建筑形态密切相关、在设计初期易于更改，空间设计因素的节能分析与优化为建筑节能设计提供了另一种研究思路.
天津属于建筑气候区规划的ⅡA区[2]，该区建筑冬季需要采暖、夏季需要空调，能耗强度高，是建筑节能的重点.办公建筑是公共建筑中建设量大、代表性强的类型，ⅡA区办公建筑以采暖、空调、照明、办公设备为主要的能耗类型[3].本文以天津地区点式高层办公楼为例，开展空间设计因素与建筑能耗的相关研究.
1 建筑能耗模拟能耗模拟软件是分析建筑能耗的常用工具，本文使用DesignBuilder软件[4]预测建筑的能耗表现.DesignBuilder软件基于EnergyPlus内核，在DesignBuilder中完成三维建模和参数设置后，软件会自动调用EnergyPlus分析，输出模拟结果.EnergyPlus软件由美国能源部(DOE)资助开发，用来模拟建筑采暖、空调、照明、通风及其他能量流动，该软件综合了BLAST与DOE-2的优势，模拟结果通过准确性校验.
EnergyPlus能耗模拟将建筑热工性能模拟与室内光环境模拟耦合，具备光控照明功能，人工照明可根据逐时的室内自然采光照度来调节，反映建筑空间变化(如房间的进深、层高的改变)对室内自然采光状况、照明能耗及总能耗的影响.具体原理为：设置光控传感器于自然采光房间中，分析获得感测点的自然光照度值，当其大于目标照度时，自动调低传感器所控那部分灯具的输出功率.
2 建立典型模型 2.1 几何参数借助典型模型来分析特定类型建筑存量的能耗特征，是能耗模拟研究常用的一种思路.本文调研了ⅡA区50栋百米以下的新建点式高层办公楼，总结建筑朝向、标准层面积、平面形态、标准层层高、窗墙比等空间设计因素的典型值或值域，在此基础上确定典型模型的几何参数.点式高层办公楼以南向居多，部分受城市道路或基地走向的影响而扭转；标准层面积偏小，集中在1 000~2 000 m2之间；平面以直角形态居多，多为方形或矩形平面；层高在3.6~4.5 m之间；不同朝向的立面采用统一的外窗形态，窗墙比在0.3~0.7之间.
典型模型为点式高层办公楼的标准层，在能耗模拟中上、下均设热绝缘块如图 1所示.典型模型为方形平面，朝向南向，建筑面积1 444 m2(长度38 m，宽度38 m)，层高4.2 m，窗墙比0.5，外窗为横向长窗.平面内部包括东、南、西、北4个办公区和核心筒，核心筒包涵了走廊、楼梯间、电梯间、卫生间及设备用房，核心筒占标准层面积的比例依据案例调研确定为20 %.办公区设置了光控照明，光控传感器共4个，位于办公区的平面中部，距离外墙7.5 m处，放置高度为工作面高度0.8 m.
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图 1 典型模型的平面布局 Figure 1 Plane layout of the prototype model |
气象数据是能耗模拟的基础数据，本文使用天津市的CSWD格式气象数据，该数据源于中国气象站的实时观测，由清华大学和中国气象局合作开发，属于典型气象年气象数据.分析不同围护结构构造时，空间设计因素对能耗的影响：类型1参照调研中的常规构造，满足现行建筑节能设计标准[5]的低限；类型2参照被动房标准[6]，在类型1的基础上提升了保温隔热和气密性能(见表 1).暖通空调系统、人员活动、照明及办公设备参数，参考建筑节能设计标准[5]和照明设计标准[7](见表 2).暖通空调系统为办公建筑常见的风机盘管系统，未考虑核心筒的采暖、制冷及新风负荷.时间表参考常规运行情况，非工作日期间无人使用，照明、办公设备、空调系统关闭，采暖系统低负荷运行如图 2所示.
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图 2 人员/照明/办公设备及采暖空调系统时间表(工作日) Figure 2 Schedules for occupancy/lighting/equipment, heating, and cooling for weekdays |
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表 1 围护结构构造与性能参数 Table 1 Layers and properties of the fabric |
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表 2 暖通空调系统、人员、照明及办公设备参数 Table 2 Assumptions for the HAVC system, occupancy, lighting, and office equipment |
以往建筑节能研究多针对建筑热工性能，能耗计算范围为采暖、空调和通风系统，忽视了室内光环境对照明能耗和总能耗的影响.实际上，自然采光可以节约照明能耗，同时，照明灯具的散热对于冬季采暖负荷而言为有利因素，对于夏季空调负荷而言为不利因素.因此，有必要综合考虑空间设计因素对建筑总能耗(采暖、空调、照明能耗之和)的影响[8].办公设备能耗与空间节能设计的关系不大，未计入此类能耗.考虑办公建筑能耗以电能为主，采用等效电法进行能耗换算.
能耗计算方程为
| $ E = {E_{\rm{H}}} + {E_{\rm{C}}} + {E_{\rm{L}}}. $ | (1) |
式中：E为建筑能耗总量，kWh/(m2·a)；EH为采暖能耗量，kWh/(m2·a)；EC为空调能耗量，kWh/(m2·a)；EL为照明能耗量，kWh/(m2·a).
| $ {E_{\rm{H}}} = \frac{{{Q_{\rm{H}}}}}{{A \times {\rm{CO}}{{\rm{P}}_{\rm{H}}} \times {q_1} \times {q_2}}} \times \varphi, $ | (2) |
| $ {E_{\rm{C}}} = \frac{{{Q_{\rm{C}}}}}{{A \times {\rm{CO}}{{\rm{P}}_{\rm{C}}}}}. $ | (3) |
式中：QH为采暖需求, kWh/a; A为建筑面积, m2; COPH为采暖系统综合性能系数，取0.75；q1为标准天然气热值，取9.87 kWh/m3；q2为发电煤耗，取0.36 kgce/kWh；φ为天然气与标煤折算系数，取1.21 kgce/ m3；QC为制冷需求，kWh/a；COPC为空调系统综合性能系数，取2.5.
3 空间设计因素与取值基于已有研究成果，影响能耗的空间设计因素有建筑朝向[9-10]、平面形态和布局[11]、平面长宽比[9, 12]、窗墙比[13-14].选择6项主要的空间设计因素展开分析，包括平面长宽比、建筑朝向、标准层面积、层高、窗墙比、外窗水平遮阳板长度(见表 3).
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表 3 空间设计因素与取值 Table 3 Geometry design parameters and schematic diagram |
由于因素较多，即便分析各因素的边界值也需64次试验才能获得优化方案，模拟计算的工作量大.正交试验是一种相对于全面实验而言减少试验次数的方法，根据正交表来安排试验，能够从全面试验中挑选出代表点，这些点具备“均匀分散、齐整可比”的特点，通过分析这些试验结果可以了解全面试验的情况，从而能更快地快找出最优解，提高试验效率[15-16].
试验流程为取各因素的两个边界值，设计6因素2水平正交试验.通过方差分析，确定各因素的最大变化区间对能耗的影响，获得初步优化组合方案.针对初步优化组合方案，按照列表法安排单一变量的能耗模拟试验，分析各因素的中间值对能耗的影响，获得最终优化节能方案如图 3所示.正交表为L16(215)，1、2、4、8、10、13列放置6因素，3、5、6、7、9、12、14、15列放置交互作用，11列为空.能耗模拟结果位于右侧，分别对应围护结构常规构造(类型1)和被动房构造(类型2)(见表 4).
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图 3 试验流程 Figure 3 Experiment process |
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表 4 L16(215)正交表与能耗模拟结果 Table 4 L16(215) orthogonal array and assignment of parameters and interactions, and the annual energy consumption results |
经过方差分析(见表 5、6)，依据显著性＜0.05原则筛选主要影响因素，按照F值判定影响程度.围护结构常规构造时，主要影响因素为：层高(D)＞窗墙比(E)＞标准层面积(C)＞平面长宽比与建筑朝向(A×B)＞外窗水平遮阳板长度(F)，层高的影响程度高出其他；其次是窗墙比，贡献率分别为67.0%和23.6%.围护结构被动房构造时，主要影响因素为：窗墙比(E)＞层高(D)＞标准层面积(C)＞平面长宽比与建筑朝向(A×B)＞外窗水平遮阳板长度(F).窗墙比、层高、标准层面积的贡献率分别为40.0%、30.9%、16.1%.
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表 5 正交试验结果的方差分析—常规构造 Table 5 The ANOVA of annual energy consumption data conventional fabric |
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表 6 正交试验结果的方差分析—被动房构造 Table 6 The ANOVA of annual energy consumption data passive house fabric |
计算主要影响因素及交互作用各水平的平均能耗(见表 7~10)，加粗数字为初步优化组合方案对应水平的能耗，对于两类围护结构而言，初步优化组合方案均为：平面长宽比和外窗水平遮阳板长度取水平2，建筑朝向、标准层面积、层高、窗墙比取水平1.
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表 7 主要影响因素各水平的平均能耗—常规构造 Table 7 Average energy consumption for significant parameters corresponding to each level: conventional fabric(kWh·(m2·a)-1) |
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表 8 交互作用各水平的平均能耗—常规构造 Table 8 Average energy consumption for interactions corresponding to each level: conventional fabric(kWh·(m2·a)-1) |
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表 9 主要影响因素各水平的平均能耗—被动房构造 Table 9 Average energy consumption for significant parameters corresponding to each level: passive house fabric(kWh·(m2·a)-1) |
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表 10 交互作用各水平的平均能耗—被动房构造 Table 10 Annual energy consumption for interactions corresponding to each level: passive house fabric (kWh·(m2·a)-1) |
针对初步优化组合方案进一步分析，通过列表法安排单一因素变化的试验，对比能耗模拟结果，寻找最终优化节能方案(见表 11).表中粗体字代表初步优化组合方案，带黑色底的字代表最终优化节能方案.对于两类围护结构而言，最终优化节能方案均为：平面长宽比2:1、建筑朝向南向、标准层面积1 024 m2，层高3.6 m、窗墙比0.3、外窗水平遮阳板长度300 mm、总能耗分别为34.68 kWh/(m2·a)(围护结构常规构造)和26.20 kWh/(m2·a)(围护结构被动房构造).
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表 11 单一因素变化的试验设计与结果 Table 11 Parameters assignment of single-variable simulation cases by listing method and annual energy consumption |
1) 空间设计因素往往同时影响建筑的采暖、制冷负荷和自然采光状况，为了使综合的节能效果最优，需要对其进行优化分析.
2) 对于天津地区点式高层办公楼而言，在满足使用功能与办公空间视野的前提下，降低层高与减少窗墙比是两项重要的空间节能设计策略；其次为减少标准层面积、选择东西向拉长的南向平面以及外窗设置水平遮阳板.优化节能设计方案为：平面长宽比2:1，建筑朝向南向，标准层面积1 024 m2，层高3.6 m，窗墙比0.3，外窗水平遮阳板长度300 mm.
3) 空间节能设计为建筑师提供一种新的设计逻辑，以应对能源危机带来的挑战.研究成果从节能的角度为建筑方案的优化提供参考，丰富了空间节能设计理论.采用的分析与优化方法，综合考虑了多项因素，帮助建筑师较快地找到最佳节能设计方案，对于其他气候区、不同建筑类型有借鉴意义.
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