基于光環境與節能的優化方案設計

丁娜 馬小寶 柯德

【摘 ? 要】 ? 探討合肥地區的教學建筑設計，運用PHPP軟件模擬分析教學建筑冷負荷和熱負荷，運用Ecotect軟件模擬分析教學建筑的光舒適度，以此為基礎，綜合考慮教學建筑的光舒適度和節能效果，調整墻體厚度、屋頂厚度、地面厚度、窗戶類型等設計參數，使建筑光環境與建筑能耗達到最優組合，為合肥地區的教學建筑設計提供參考。

【關鍵詞】 ? 節能;光舒適度;PHPP;教學建筑

Optimal Scheme Design Based on Light Environment and Energy Saving

Ding Na1，Ma Xiaobao2， Ke De3

（1. Hefei University， Hefei 230601， China;2.China Northeast Architectural Design & Research Institute Co.，Ltd.， Shenyang 110006， China;3. Hefei Warm Passivehause Consultation CO.，Ltd.， Hefei 230601， China ）

Abstract： To discuss the design of teaching buildings in Hefei， PHPP software is used to simulate and analyze the cooling load and heating load of teaching buildings， and Ecotect software is used to simulate and analyze the light comfort of teaching buildings. Based on the previous researches， the design parameters such as wall thickness， roof thickness， ground thickness and window type are adjusted to achieve the optimal combination of building light environment and building energy consumption by comprehensively considering the light comfort and energy saving effect of teaching buildings in Hefei， which provides a reference for the design of teaching buildings in Hefei.

Key words： energy saving; light comfort; PHPP; teaching buildings

〔中圖分類號〕 ?TU2 ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕 ?A ? ? ? ? ? ? 〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

0 ? ? 引言

隨著城市化進程的不斷加快，節能環保成為當前建筑發展的重要課題。如何在提高教室光環境舒適度的同時節約能源和保護環境，是當前教學建筑設計的焦點。設計師在方案初期通過調整建筑布局模式與體型系數等方式在創造空間趣味性的同時，減少可能產生的建筑能耗，在方案后期，設計師可以優化建筑設計參數，利用軟件模型尋找最優的設計方案。其中外窗的設計參數對室內光環境有很大的影響，大面積的玻璃窗允許較多的光線進入室內，雖然提高了室內的視覺舒適度，但可能導致過多的熱量增加或流失，從而增加建筑能耗。影響外窗性能的主要參數有窗戶面積、玻璃材質和遮陽形式等。

本文探討合肥地區的教學建筑，目的是在滿足光環境要求的基礎上，通過調整建筑墻體厚度、屋頂厚度、地面厚度、窗戶類型等設計參數，盡量降低能耗，使建筑光環境與建筑能耗達到最優組合。

1 ? ? 設計任務概述

擬在合肥市新站區淮海大道與大眾路交口東南角，君山路以西，臨渙路以北新建合肥市第九中學新校區，總用地面積214.35畝（142900平方米），地塊呈矩形，用地現狀為空地，內部西側有一處池塘。區域市政基礎設施基本齊備，建設條件基本成熟。本項目為合肥市第九中學的一棟教學建筑，方案設計見圖1。

1.1 ? 整體布局

整棟教學樓以院落為主題進行空間組織，教學區建筑分為普通教學區、公共教學區、實驗樓區和風雨操場四個主要組成部分。本方案在南北向設置中心主軸，并且將主入口設置在西側。普通教學區和實驗區均采用單廊合院式布局，結合局部架空，創造出開放的內部空間。合院式的教學空間布局，即能獨立使用，又緊密聯系各教學用房之間的布置，底層架空區域更為建筑軸線兩側提供了良好的視覺景觀。

中軸以東，在南邊設置風雨操場，北邊放置綜合圖書室。進一步降低了噪聲給教學區和試驗區帶來的干擾，給教學和試驗提供了一個安靜舒適的內部環境。

1.2 ? 底層架空與連廊

底層架空使得公共空間、綠化景觀、內院相互融合、貫通，將自然景觀較好地融入校園內部，建筑與建筑之間的連廊使師生在通行之時也能獲得良好的視覺體驗，創造出自然、開放的交流空間，如圖2所示。

1.3 ? 立面造型

建筑形體較為端莊，建筑細節部分處理精細。從建筑外立面的開窗形式，到建筑細部的肌理都延用到相同的建筑語言和母題。通過簡單的形體和局部細節處理的對比，表現出一種較為簡約內斂的建筑氣質。

建筑裝飾面主要采用偏灰色系建筑材料，如石材、灰磚等，整體色調偏深藍灰，意在營造出一種清新淡雅、簡約靜謐的校園氛圍。借用現代的建筑設計手法來表現傳統校園的文化底蘊，從而實現現代建筑設計和傳統校園的碰撞與結合，表達出校園的歷史文化性和時代感，如圖3所示。

在方案設計后期，通過Ecotect和PHPP專業軟件的模擬計算，綜合考慮建筑光環境與節約建筑整體能耗，對具體多個設計參數進行優化分析，以選擇能耗最低的設計解決方案。

2 ? ? 基于PHPP和Design PH的建筑整體能耗分析

通過專業軟件模擬計算，實現對建筑整體負荷及能耗的綜合把控和具體參數的優化分析。

（1）通過Design PH插件將Sketchup模型標記上熱工特性，在3D建模環境下進行能耗平衡計算

通過模擬分析，獲得建筑能效信息，并剔除性能不佳的設計方案，在規劃及建筑設計初期階段的優化，主要有以下幾個方面：①規劃布局上，盡量減少周邊建筑和其他物體對本建筑的遮擋;②平面設計時，控制建筑體形系數，減少散熱面，降低熱負荷;③在建筑立面上，對各立面的窗墻比進行優化。

同時將模型中的對外熱損失面積、使用面積、窗戶面積以及遮陽數據采集并轉化為可導入到PHPP中的格式，進行再設計調整和最終的確認。

（2）基于 PHPP的參數模擬分析

在 PHPP 計算過程中，對建筑熱工及設備的各項參數（如高性能的保溫材料選型和厚度、窗戶的整體傳熱系數、外遮陽的遮陽系數和氣密性等）進行優化，從而使建筑在技術和經濟指標上都能達到最優，并通過有效的運算方法計算供暖需求及負荷、制冷需求及負荷、建筑一次性能源需求。PHPP界面如圖4所示。

通過軟件模擬調節外墻厚度，計算供暖負荷和制冷負荷的變化，數據顯示，隨著外墻厚度的增加，供暖負荷和制冷負荷逐漸降低，在外墻厚度達到250毫米以后，供暖負荷和制冷負荷降低量幅度下降，因此選擇外墻厚度為250毫米。

通過軟件模擬調節地面厚度，計算供暖負荷和制冷負荷的變化，數據顯示，隨著地面厚度的增加，供暖負荷和制冷負荷逐漸降低，但是在地面厚度增加到100毫米之后，供暖負荷和制冷負荷降低量幅度下降，因此選擇地面厚度為100毫米。

通過軟件模擬調節屋頂厚度，計算供暖負荷和制冷負荷的變化，數據顯示，隨著屋頂厚度下降，供暖負荷和制冷負荷需求下降，但是在屋頂厚度達到150毫米以后，供暖負荷和制冷負荷變化幅度下降，因此屋頂厚度選擇為125毫米。

通過對比供暖、供冷負荷和供暖、制冷需求的變化，在考慮經濟性的前提下選取最合適的外圍護結構的保溫層厚度。運用同樣的方式模擬出外墻選擇 250mm 厚石墨聚苯板、地面選擇 100mm 厚擠塑聚苯板、屋頂選擇 125mm 厚擠塑聚苯板。

3 ? ? 基于Ecotect的光環境分析

3.1 ? 天然采光和人工照明

分析室內平均采光系數和平均照度。調整建筑布局、窗墻比、高性能的保溫材料厚度、窗戶的整體傳熱系數（玻璃厚度 、空腔的厚度、稀有氣體的選擇、窗框的傳熱系數、玻璃透光率、玻璃得熱系數）、外遮陽裝置遮陽系數參數，分析方案參數變化給建筑光環境帶來的影響。

3.2 ? 光控照明節能與全自然采光百分比

通過 PHPP 模擬出最優的保溫厚度后，在 Ecotect 中建模并設定選定好的外圍護結構，同時選出幾組不同窗戶的類型 （ 玻璃厚度 、空腔的厚度、稀有氣體的選擇、窗框的傳熱系數、玻璃透光率、玻璃得熱系數 ），通過 Ecotect 進行光環境模擬出的平均采光系數和照度均勻度等參數的對比選出最優的窗戶類型。

玻璃類型是6Low-E+12Ar+6+12Ar+6LowE，具體選擇5種不同的玻璃模擬，計算采光系數和光照均勻度。

經過模擬和比較，第3種玻璃光照均勻度最高，平均采光系數也最高，所以選擇第3種窗戶玻璃。如表1所示。

將使用每種類型的玻璃時每層的平均采光系數和平均光照度進行模擬計算，并進行比較。每層的平均采光系數如表2所示。從平均采光系數數值來看，第3種玻璃第1層、第3層平均采光系數數值最大。第1種玻璃在第2層、第4層平均采光系數數值最大，每層的平均光照度如表3所示。從平均光照度數值來看，第3種玻璃在第1層、第4層平均光照度數值最大。第1種玻璃在第2層、第4種玻璃在第3層平均光照度數值最大。

根據采光系數和照度均勻度選擇最適合本項目的窗戶類型是三玻兩腔雙 Low-E 中空充氬氣 Low-E：單銀 + 單銀。

經過Ecotect軟件模擬，建筑底層采光系數為2.8% - 62.8 %，高于教學建筑采光系數最低要求。平均采光系數9.00 %，可見節點8528個。

4 ? ? 基于 PHPP 的能耗模擬對比分析

默認的設計參數值：外墻 100mm 厚 EPS、地面 100mm 厚 XPS、屋頂 100 厚 XPS、窗戶 g 值 0.5、玻璃傳熱系數 0.8 W/（m2*k）、遮陽系數 0%。

經過優化設計和分析后，選定設計參數值：外墻 250mm 厚 EPS、地面 100mm 厚 XPS、屋頂 125mm 厚 XPS、窗戶 g 值 0.51、玻璃傳熱系數 0.78 W/（m2*k）、遮陽系數 12%、外表面吸收率 0.6、外表面輻射系數 0.9。

經過模擬和設計重新選擇參數值，和默認參數值相比可見，供暖負荷、制冷負荷和一次能源需求都下降了，如表4所示。

5 ? ? 結論

通過專業軟件模擬計算，得出不同外墻厚度、屋頂厚度和地面厚度所對應的建筑負荷，然后利用PHPP軟件模擬出最優的保溫厚度后，選擇比較5種不同玻璃類型所對應的平均采光系數和平均光照度。綜合考慮光環境和建筑節能，實現了建筑整體負荷及能耗的綜合把控和具體參數的優化分析，提出了節能又經濟的建筑設計解決方案。

建筑設計方案優化之后，建筑的供暖負荷、制冷負荷、一次能源需求和可再生一次能源需求均明顯下降，與此同時，還可以使用其他技術路徑，如高性能外墻保溫系統、節能門窗系統、熱回收新風系統、良好的氣密性等來進一步提高節能效果。

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[收稿日期] ? 2021-03-24

[基金項目] ? 2020年度合肥學院科學研究發展基金重大項目（自然科學） （20ZR06ZDA）

[作者簡介] ? 丁娜（1988- ），女，碩士，合肥學院城市建設與交通學院講師，研究方向：建筑設計及其理論。