基于Design Builder模擬的鄭州高層辦公建筑能耗研究

河南財政金融學院,河南 鄭州 451464

根據2018年度報告數據顯示，全國建筑能耗總量達8.99億t標準煤，占能源消費總量的20.6%，在高層辦公建筑建筑上的能耗達到了總能耗的30%以上，我國高層辦公建筑逐年新增建筑面積為20億m2。公共建筑能耗占建筑全部能耗三分之一左右，而公共辦公類型建筑占公共建筑總能耗的五分之一。鄭州地區高層辦公建筑夏天需要制冷，冬天需要采暖，能耗大，節能潛力巨大。鄭州高層辦公建筑夏冷冬暖，能耗高，節能潛力巨大[1]。目前，李寶峰[2]、李炳南[3]等學者對建筑透明外表皮和外墻被動式節能進行了研究。從整體上看，建筑節能設計的研究重點是外部防護結構的節能技術設計。目前理論在建筑前期規劃方案設計上未雨綢繆，提前進行節能技術設計的研究較少，本文以鄭州市典型高層辦公類建筑做為研究對象，利用Design Builder軟件建立典型模型，以平面形狀、建筑表面寬深比、建筑高度、建筑形狀系數等參數模擬辦公建筑能耗。回歸分析揭示了辦公建筑能耗數值與不同設計變量之間的關系式，為鄭州建設國家中心城市進行綠色節能設計提供參考和依據。

1 模擬方法

1.1 物理模型

本文主要是研究鄭州高層辦公建筑設計參數與建筑節能的關系，主要采用的方法是采用Design Builder軟件進行建模，選取了鄭東新區CBD商務內環1號的河南光彩大廈作為建筑物理模型光彩大廈一共20層，包括3層裙房和17層標準間，因設計先進、施工精準和用材考究獲得魯班獎。

本文主要是研究鄭州高層辦公建筑設計參數與建筑節能的關系，主要采用的方法是采用Design Builder軟件進行建模，選取了鄭東新區CBD商務內環1號的河南光彩大廈作為建筑物理模型光彩大廈一共20層，包括3層裙房和17層標準間，因設計先進、施工精準和用材考究獲得魯班獎。

根據實際調研，光彩大廈首層高度是6 m，第三層為4.5 m，其他標準層建筑高度為3.9 m，利用Design Builder軟件來建立并命名為真實模型。第二步建立實驗模型，將建筑平面和建筑外圍護里面做了合理的簡化，僅僅保留外圍外墻，內部視為一個大盒子，不扣除非采暖的樓梯間面積。同時在軟件中加入建筑高度、平面形狀、面寬和進深等設計因素，命名為簡化模型。將參數輸入進去后，將真實模型能耗模擬結果和精簡后的模型模擬結果進行比較，將結論繪制如表1所示。

表1 真實模型與精簡模型能耗模擬結果對比分析Table 1 Comparison and analysis on the simulation results of energy consumption from the real model and simplified model

通過模擬實驗結論來看，通過對建筑立面拉直處理，并將原本應該刪除的樓梯間面積也考慮在內，從而增加了模型采暖建筑面積，簡化模型能耗大于實際模型能耗，能耗隨著建筑高度的增加，趨勢是下降的。簡化模型和實際模型能耗走勢是相似的，由此可以得出結論，可以將簡化模型作為研究辦公建筑能耗與設計參數因素的基礎。

1.2 模擬方法

采用Design Builder軟件對高層辦公建筑平面形式、開間與進深、高度、體型系數等不同設計變量與其整體建筑能耗之間的定量關系進行研究，分別進行了四個實驗，模擬不同設計參數，分析各設計參數與能耗之間的關系。

2 主要設計參數和輔助參數

本文研究中除了考慮上述四個變量之外，還需要增加一個輔助變量，即高層辦公建筑的類型，用以研究不同參數影響下不同類型高層辦公建筑的能耗。高層辦公建筑分為點式和條式兩類，點式高層辦公樓平面布置形式以樓電梯核心筒為中心，四周布置其他功能房間，是目前非常常見的一種功能布置方式；而長條形高層辦公建筑大多數是中間設計走廊，兩側設置其他功能房間，建筑布局造型宛若長條形，屬于應用較少的一種形式。筆者主要從鄭州既有高層辦公建筑中選取典型案例，并結合自己專業背景進行現場實地調研和勘察，整理歸檔。

3 模擬變量設置

進行模擬研究時，要根據每個單項研究內容不同，來確定單個研究項目中的主變量、輔助變量等設置情況。例如：研究平面形狀時，平面形狀為主變量，建筑類型、建筑高度、進深與面寬比和體形系數為輔助變量。可以確保模擬過程的準確性、全面性和客觀性。其他以此類推（表2）。

表2 能耗模擬變量設置情況一覽表Table 2 List of energy consumption simulation variables

4 模擬過程排序

合理的建筑平面布置是建筑設計的首要工作，故首先研究平面形狀與能耗的關系。后面依次研究面寬與進深跟能耗的關系、高度與能耗的關系，最后研究體形系數與能耗的關系[4]。后期將研究成果繪制成變化曲線圖，并采用軟件分析不同設計參數對能耗影響的具體數值，得出定量結果。

4.1 不同參數下高層辦公建筑能耗模擬

在前期方案設計階段最大限度考慮到節能、環保、綠色、低碳設計理念，可以提前采取措施進行優化設計。在進行高層辦公建筑設計中，將不同空間設計要素進行分解，考慮到節能因素進行模擬分析。接著是建筑體量包括面寬和進深兩個方面，可以對應平面的長、寬等關系；而建筑高度則包括建筑層高和層數兩個方面因素。故可以提取高層辦公空間的四個要素：建筑平面形狀、面寬和進深、建筑高度、體形系數，采用Design builder軟件來模擬并輸出結果。

4.2 辦公建筑平面形狀與節能關系

高層辦公建筑受結構選型制約和消防要求，點式高層辦公建筑較多采用長方形、橢圓形、等形狀，根據不同地形和設計要求，進行空間設計。本文調研的鄭州地區50棟高層建筑平面形狀如表3所示。通過調查數據可以看出來，長方形的形狀占比34%，屬于應用最廣泛的平面形式。

表3 高層辦公建筑平面形狀分布表Table 3 Distribution of plane shape of high-rise office building

下面針對不同的平面形狀進行能耗模擬實驗，用Design Builder軟件從采暖能耗、制冷能耗和總能耗三個方面，來分析鄭州高層辦公建筑平面形狀的影響，并將研究結果繪制如圖1所示。

4.3 制冷能耗

圖1 平面形狀對高層辦公建筑能耗的影響Fig.1 Influence of plane shape on energy consumption of point-type high-rise office building

針對鄭州高層辦公建筑不同平面形狀的模擬分析，根據數據進行分析，平面形狀長寬比為1的高層辦公建筑總能耗數值最大，第二位的是矩形平面形狀長寬比為1.3,第三位是長寬比是1.5，接著是橢圓形，最低的是圓形。矩形平面長寬比增加，能耗比隨著降低，呈線性下降趨勢。根據模擬結果可以得出結論：隨著長寬比增加，采暖能耗不變，制冷能耗降低，總能耗降低。

4.4 建筑高度變化的能耗敏感性分析

建筑高度是由建筑層數和建筑層高兩個因素決定的，本實驗選擇了建筑層數為主要變量，建筑層高為輔助變量進行研究。根據現場實地調研數據，鄭州地區高層辦公建筑主要層高在3.6～4.2 m之間，因此設定3.6 m、3.7 m、3.8 m、3.9 m、4.0 m、4.1 m、4.2 m七個層高變量，裙房統一設定為5.1 m，共3F，每三層設一個層數變量。根據模擬原則，建筑朝向采用上北下南朝向，矩形平面，建筑長度采用鄭州光彩大廈的尺寸，建立模型數據如表所示，開窗尺寸均按照鄭州光彩大廈的尺寸進行模擬。在建筑平面形式、體型系數一致，當建筑高度發生變化時，建筑層高變化對能耗增長接近線性。冬季氣溫寒冷，太陽輻射熱量遠遠低于通過外窗流失的熱量，隨著建筑高度增加建筑通過外圍護結構散熱的熱損失進一步加大，故建筑層高是總能耗和采暖能耗增加的主要原因。

其中：其中：Y—單位高層辦公建筑能耗；X—高層辦公建筑高度；A、B、C、R為不同設計參數為變量，當高層辦公建筑的高度為x1時，假定其單位建筑能耗達到最低，定義為y1。得到公式（1）：

4.5 建筑平面長寬比系數能耗

矩形辦公建筑包括長和寬兩個方向的長度量度，假定建筑寬度不變，將長度增大，長寬比增加，根據圖3 單位建筑能耗是逐步降低的。進深越大越節能。矩形平面的辦公建筑節能效果優于正方形的辦公建筑，故辦公建筑平面長度大于平面寬度的建筑更節能[5]。因此確定建筑面積不變的前提下，對建筑平面長度和寬度與能耗關系進行如下論證。假定辦公建筑面積為S1，那么辦公建筑單層平面面積S 為S1/n，n-辦公建筑的層數，x-辦公建筑平面長度，y-辦公建筑平面寬度。那么可以得出：

且x＞y。假定辦公建筑平面的長寬比為z，則,那么可以得出：

根據上述公式，可以得出結論，假定高層辦公建筑面積S不變，建筑能耗隨著長寬比變化而變化，當建筑層數為N固定值時，可求出最低能耗對應的建筑長寬比Z的數值。辦公建筑平面尺寸與能耗的關系曲線為指數減函數。建筑能耗隨著長寬比z的增加而降低，且降低的幅度是從大到小，當建筑平面長寬比z高于0.8時，建筑能耗基本上不增加，反而有升高的趨勢。當建筑長寬比z值的增加時，建筑能耗水平隨著下降，當臨界點超過0.8時，建筑能耗降低速度趨緩，基本上不再降低,反而增加了。導致這一變化的原因是隨著平面長寬比增大，建筑體形系數也增加了，外圍護結構熱量損失進一步增加。以上數據均由鄭州市高層辦公建筑模擬得到的，誤差可控，結論也具有可參考性。

圖2 建筑平面長寬比系數對高層辦公建筑能耗的影響Fig.2 Influence of building plane aspect ratio coefficient on energy consumption of high-rise office buildings

通過對不同建筑平面長寬比辦公建筑的能耗研究，得出隨著辦公建筑寬度增加，能耗水平呈線性下降趨勢，得出結論當辦公建筑長度不變時，加大進深有利于降低建筑能耗，提高節能水平。

4.6 建筑體形系數能耗

建筑體形系數是衡量建筑節能水平高低的一個重要指標，通過建筑外圍護結構流失的熱量在建筑物整體能耗中占據較大比例。為了有較好的節能效果，建筑體形系數應該控制在合理范圍內，使得通過圍護結構散失的熱量處于較低的程度。在上文中，通過對辦公建筑平面形狀與建筑能耗關系研究，得出等面積、等體積的高層點式辦公建筑，采用長方形的能耗最低。進一步對不同平面形狀的高層辦公建筑體形系數與建筑能耗關系進一步數據分析，如表4所示。

表4 高層辦公建筑體形系數與能耗分析表Table 4 Form coefficient and energy consumption analysis table of high-rise office building

通過表4數據進行分析，得出高層辦公建筑體形系數與建筑能耗關系并不是線性增加或減少的關系，本實驗中考慮建筑外窗對采暖和制冷能耗的影響，對于表中前三種平面的辦公建筑，單位建筑能耗與體形系數成反比。重新對體形系數對建筑能耗影響進行模擬實驗，得到如下模擬數據。

表5 不同窗墻比高層辦公建筑能耗模擬分析表Table 5 Analysis of Energy consumption simulation on high-rise office buildings with different window-to-ground ratio

根據上述圖表所列數據可以看出，扣除外窗影響，高層辦公建筑能耗水平隨著體形系數增加而增加。而考慮外窗因素時候，卻看到不同結果。在節能設計時，不要片面考慮形體造型因素，要考慮外窗的自身熱工性能、獲得太陽能熱輻射高低、外窗遮陽系數等因素[6]。

5 結論

本文通過對鄭州地區高層辦公建筑實驗數據進行分析研究，從而得出：

1）通過分析研究不同平面形狀的高層辦公建筑，得出長方形的高層辦公建筑是最有利于節能的平面形式。因此在建筑設計前期，為了取得較好的保溫節能效果，建筑平面應該盡可能規整和簡潔；

2）通過對不同高度的高層辦公建筑研究，發現層高和建筑能耗成線性關系，隨著層高的增大，能耗增加；建筑層高變化對能耗增長接近線性，并得出建筑高度與能耗關系的一元方程式；

3）通過對高層辦公建筑平面長寬比研究，得出隨著辦公建筑寬度增加，能耗水平呈線性下降趨勢，得出結論當辦公建筑長度不變時，加大進深有利于降低建筑能耗，提高節能水平。在進行建筑節能設計時，優先考慮建筑高度權重，其次是考慮建筑平面長寬比系數；

4）通過對高層辦公建筑體形系數研究，得出：不考慮建筑外窗面積時，建筑體形系數與建筑能耗呈線性關系；當考慮建筑外窗面積時，建筑能耗隨著體形系數增加先減少后增大。因此我們研究要綜合太陽能輻射、窗墻比參數、建筑自身圍護結構狀況、外窗遮陽系數等統一綜合考慮。

對于鄭州高層辦公建筑節能研究，是一個具體而具有重要參考意義的課題項目，本文重點側重研究基于Design Builder軟件，對調研對象進行數據模擬整理，重構模型，得出結論，以期對鄭州中心城市建設發展提供理論基礎和數據支撐。