夏熱冬冷地區被動式低能耗辦公建筑設計優化研究

摘要：研究以夏熱冬冷的成都地區辦公建筑為例，從涉及建筑被動式設計的主要設計因素（朝向、窗墻比、外遮陽、透明圍護結構材質）入手，進行不同工況下建筑能耗模擬。能耗模擬過程充分考慮被動設計手法對于建筑空調、采暖、照明負荷的影響，并進行關鍵指標的量化對比與分析?；诮档徒ㄖ芎牡哪繕?，給出被動式優化設計要素的定量建議范圍。并結合圍護結構提升要求，以研究辦公建筑為例給出不同星級目標下，圍護結構性能提升的節能貢獻率。

關鍵詞：建筑節能； 被動式設計； 朝向； 窗墻比； 遮陽； 圍護結構； 節能貢獻率

中國分類號：TU201.5A

［定稿日期］2023-03-22

［作者簡介］付韻潮（1989—），男，碩士，高級工程師，研究方向為低碳城市規劃與綠色建筑設計。

0 引言

隨著城鎮化的不斷發展，全球的人口在不斷地向城市聚集。而建筑始終為城市的主體，大都市建筑能耗占社會總能耗的約1/3［1］。其中公共建筑的用能量相對較大，耗電量指標一般在40～150 kWh/（m2·a）。國家提出城市建設領域“碳達峰、碳中和”的相關行動方案、相關節能標準規范，意圖將能碳雙控作為新建項目合規、設計優化的參考與指引，以推動“節能”達成“降碳”目標。辦公建筑作為公共建筑的重要組成部分，是城市建設、使用需求最大的一種公共建筑類型?，F有規范多以給予指標、限值的方式進行節能設計控制，工程項目實踐時則多以節能模型試算、調整熱工參數并驗算的方式進行節能設計，其優化范圍一般局限于圍護結構熱工參數。而針對方案初期階段“被動優先”的建筑設計優化定量研究還不盡完善，對方案設計的直接指導性不強。有學者對成都市公共建筑能耗以及分項能耗進行過統計和調查研究［2］，辦公建筑照明與插座能耗占比高達53%，空調能耗占比約為34%［3］。

以成都為例的典型夏熱冬冷地區辦公建筑具有特別大的節能潛力。因此，本研究擬以夏熱冬冷地區的成都為例，針對辦公類型建筑，對被動式設計的主要參數：朝向、窗墻比、遮陽、玻璃選型、圍護結構等方面進行定量分析和優化研究。意圖給出各參數的優化區間結果，給予類似氣候區辦公建筑的方案相應的參考。

1 研究模型與基準建筑性能評價指標制定

國內外針對建筑性能單目標的研究多為根據節能標準制定的使用時間來統一設定邊界條件。本研究考慮將室內采光條件與照明能耗掛鉤，真實反映建筑被動式設計手法對于理想建筑室內冷、熱、照明負荷的影響。例如增大窗墻比后，建筑室內自然采光條件增強，可以減少部分照明能耗，從而整體減少相應的運行碳排放。

建筑朝向、窗墻比、遮陽、玻璃選型等因素的優化研究以6 m（長）×8 m（寬）×4 m（高）的辦公建筑空間模型為研究對象，后稱模型一（圖1）。圍護結構性能提升對比研究以一個實際工程辦公建筑項目為例，建筑高度27.6 m，體型系數0.21，各朝向窗墻比0.14～0.24，以各星級綠色建筑圍護結構提升標準設置圍護結構性能參數，后稱模型二（圖2）。研究均采用Ladybug調用成都地區典型氣候參數，根據《建筑節能與可再生能源利用通用規范》GB55015-2021設置建筑的運行與室內空氣調節參數，利用基于Grasshopper的開源工具Honeybee調用Energyplus模擬引擎，建立能耗模型將制冷能耗、供暖能耗、照明能耗與建筑總運行能耗作為研究對比的主要性能評價指標。

2.1 建筑朝向性能評價與結果分析

辦公建筑節能設計的關鍵點之一在于控制太陽輻射得熱來創造高質量的室內環境。模型一選擇開放辦公室為研究建筑類型，非透明外圍護結構為外保溫混凝土砌塊墻，透明圍護結構為雙層low-E金屬型材玻璃、無遮陽，各朝向窗墻比均為0.3。建筑朝向為單一模擬變量：朝向變化范圍為0°～360°、正北朝向為0°，每隔15°為變化。

從全年總能耗來看，研究建筑的總能耗正北向＞正東向＞正西向＞正南向；4個主要朝向相比較的過程中，西向制冷能耗最高，東、北的采暖能耗最高。拆分各個朝向的細致變化可以看出，相較于其他的能耗情況，采暖能耗的變化對于朝向變化是較為敏感的，采暖能耗較高的朝向區間為北偏東60°～北偏西30°。對于空調制冷能耗，東、西向高于南、北朝向。其中，最高的區間在西偏北45°～西偏南45°之間，最低的空調制冷能耗出現在北偏東15°（圖3、圖4）。

綜合全年能耗比較值，以成都為代表的夏熱冬冷氣候區的建筑節能設計最優朝向為南偏東30°～南偏西45°。

2.2 窗墻比性能評價與結果分析

窗墻比研究分4個朝向（正東、正西、正南、正北）進行，每個朝向的窗墻比從0.1～0.9依次進行序列比較，研究不同工況下的建筑能耗。無遮陽工況下的各朝向窗墻比為單一模擬變量：變化范圍為0.1～0.9、每隔0.1遞增。研究模型一的透明圍護結構為雙層low-E金屬型材玻璃，非透明外圍護結構為外保溫混凝土砌塊墻（圖5、圖6）。

對于建筑采暖能耗，隨窗墻比增加，建筑室內太陽得熱逐漸增大，導致制熱能耗都相應降低。單就制熱能耗來講，各個朝向能耗由高到低排序為：北向、南向、西向、東向。

對于建筑制冷能耗，當窗墻比在0.1～0.6之間時，建筑制冷能耗從高到低排序為：西向、東向、南向、北向，且彼此差距不大；當窗墻比大于0.6時，西向、南向、東向建筑的制冷能耗開始變化，南向透明圍護結構對于建筑能耗的影響開始大于東側透明圍護結構，所有朝向的制冷能耗都發生激增，其建筑制冷能耗排序從高到低為：西向、南向、東向、北向。當窗墻比達到0.9時，西向能耗比北向高出了近1.8倍。相較于北向、東向，南向和西向建筑制冷能耗的窗墻比拐點出現較早，最早的拐點在西向窗墻比為0.55～0.6時，南向的拐點在0.6～0.7，東向的拐點發生在0.7。

綜上所述，從建筑空調采暖能耗的角度上來看，公共建筑單一立面窗墻比宜不超過0.6。對于窗墻比變化引起的室內供暖、制冷能耗最為敏感的排序是：西向＞南向＞東向，北向幾乎無變化。

2.3 外遮陽性能評價與結果分析

對于夏熱冬冷地區，夏季太陽輻射得熱是形成建筑能耗的主要原因之一，建筑開口部位一般約占建筑表面積的25%～70%之間。無遮陽導致室內制冷能耗增加的情況尤為突出。建筑外遮陽是典型的通過被動建筑設計貢獻其室內熱環境質量的手段之一。

建筑外遮陽的形式主要有水平外遮陽、垂直外遮陽、擋板外遮陽3種形式。根據既有研究與地方相關節能標準規范要求，對于夏熱冬冷地區，甲類公共建筑南、東、西向外窗和透光幕墻應采取遮陽措施。其中東西向宜設置可調節外遮陽或可調節中置遮陽，南向宜設置固定水平外遮陽、可調節外遮陽或者可調節中置遮陽。

因此，該研究針對模型一，調整各朝向窗墻比均為0.3，分別就南向水平遮陽，東西向水平遮陽、豎向遮陽為研究對象。其中南、東、西向水平遮陽出檐工況從0.3～1.5 m，每300 mm遞增作為研究。東西向垂直遮陽從0.3～0.9 m，每增300 mm遞增作為研究（圖7）。

整體來看，南、東、西向水平遮陽隨著出檐深度的增加，建筑能耗降低水平為0.01～0.05 kWh/m2，建筑的空調制冷能耗均一定程度降低。其中對于南向水平遮陽，出檐深度從0～0.6 m時，遮陽減少建筑室內得熱、能耗有效降低，出檐超過1.5 m時，能耗降低趨于平緩。對于東西向水平遮陽，出檐深度在0～0.9 m時，遮陽效率顯著；東向水平遮陽效率在0～1.5 m時均有較好效果（圖8）。

相比水平遮陽，以成都為例的夏熱冬冷地區垂直遮陽的整體能耗降低能力偏弱。西向遮陽帶來的節能效率略微優于東向。研究出檐深度范圍內，東、西向能耗降低水平約在0.002～0.01 kWh/m2之間，主要遮檔的為太陽高度角較低的太陽入射光。遮陽的節能效力與出檐深度基本成線性增長關系。

2.4 外窗玻璃節能性能研究與分析

窗戶被認為是建筑圍護結構中熱工性能最薄弱的組成部分，也是導致建筑室內熱量增加的主要因素。尤其是通過窗戶獲得、散失的熱量是建筑冷熱負荷的重要組成部分，會造成巨大的制冷、供暖能耗。當自然采光與人工照明相結合時，窗戶有助于降低照明能耗。通過窗戶獲得的凈能量主要取決于玻璃材質的采光性能和熱性能，在夏熱冬冷地區，對建筑窗戶進行有效的節能設計，可以降低建筑能耗。

研究擬對模型一，附以幾種常用的窗戶玻璃材質：6 mm普通透明玻璃、6 mm單片Low-E玻璃、6+12A+6 mm中空Low-E玻璃、6+12Ar+6 mm中空Low-E玻璃，在無遮陽的情況下，進行模擬比較。

不同玻璃材質的總能耗的總趨勢是隨建筑窗墻比的增加增大，而窗墻比的增加使得引入室內自然光線量越充足，照明能耗小幅度平緩降低。在考慮日光集成的情況下，比較多種玻璃工況下，研究辦公建筑能耗情況。當研究辦公建筑窗墻比大于0.3時，雙層中空Low-E玻璃可以有效地降低建筑總能耗，并隨著窗墻比增加，節能效果越明顯，相比造價也是最優的工程選擇（圖9）。

同時也可以看出各類型典型的節能玻璃材質在不同窗墻比工況下效力的分布情況。對于單層Low-E玻璃在窗墻比在不超過0.6時效力最佳，中空low-E玻璃在窗墻比不超過0.7時效力最優，如果窗墻比超過0.7中空Low-E加氬氣的玻璃有最優的適用場景。

比較同一工況下，玻璃性能提升帶來的能耗降低的貢獻，如圖10、圖11所示。

從單層6 mm普通透明玻璃提升透明圍護結構性能到單層low-E玻璃時，窗墻比大于0.5時，能耗降低4.6 kWh/m2以上，特別是窗墻比大于0.6時，能耗降低水平在8 kWh/m2以上。而從單層6 mm普通透明玻璃提升到中空Low-E玻璃時，只有在窗墻比大于0.7時，能耗降低水平能達到4.5 kWh/m2以上。進一步提升至中空low-E加氬氣玻璃時，在窗墻比大于0.8時，玻璃性能提升才得以實現，平均能耗降低水平達4.5 kWh/m2。

因此對于設計階段的公共建筑，可以通過窗墻比來判定適宜的玻璃選型。中空low-E玻璃能大幅度降低0.7窗墻比以下的建筑能耗。但窗墻比大于0.7，或者建筑有更高的能耗需求時，則需要選擇更好熱工性能的玻璃。

2.5 圍護結構綜合性能提升評價與結果分析

測試目標為含完整建筑信息的模型二，提升其圍護結構熱工性能分別至5%、10%、15%、20%（以2015版公共建筑節能標準）和近零能耗建筑對應標準，比較其建筑空調、供暖負荷水平。在基于節能與可再生能源基線的基礎上，達到各圍護結構提升水平的節能貢獻率如表1所示。

根據統計，對于空調制冷負荷，總的來說各圍護結構的節能貢獻率：外窗＞外墻＞屋頂。其中，隨著圍護結構性能的提升水平不斷提高，外墻的空調負荷逐步減少，從節能基線到熱工性能提升20%之間，外墻節能貢獻率約在20%～23%之間，在提升到近零能耗的時候，外墻由于大幅度增加保溫層，提升K值要求，其外墻節能貢獻率約在30%以上。

相對外墻，透明圍護結構的外窗與幕墻從節能基線到熱工性能提升20%之間，節能貢獻率為73%～75%，另一方面也證明了窗戶作為整個外圍護結構的相對薄弱版塊，切實做好熱工提升，能極大的保障建筑具有良好的整體熱工性能。直到標準提升至近零建筑，外窗等透明構件的貢獻率才略有降低，貢獻率約在65%。

屋頂相對于其他圍護結構，面積相對較小（對于研究建筑這樣的高層來講），其對于空調負荷貢獻相對較于穩定，在3%左右（圖12）。

對于采暖負荷部分，各圍護結構的節能貢獻率：外墻＞外窗＞屋頂。其中外墻從節能基線到近零標準，外墻在整體圍護結構的節能貢獻率占比約為20%～25%；對于外窗的節能貢獻率占比為16%～18%；屋面同樣相對穩定，其熱負荷的節能貢獻率占比約為6%（圖13）。

3 結束語

本研究針對以成都為代表的夏熱東冷區域辦公建筑，分

別從其主要被動式設計手法的主要要素進行研究，主要結論有：

（1）最優的朝向為南偏東30°～南偏西45°，能最大程度獲取光照、減少室外得熱。

（2）辦公建筑單一立面窗墻比不宜超過0.6，窗墻比增加會造成室內得熱，空調制冷能耗增加，敏感的朝向排序為西向＞南向＞東向。

（3）水平遮陽主要遮擋太陽高度角較高的入射陽光，對于研究地區，水平遮陽的效力整體優于垂直遮陽。總的來說遮陽隨出檐深度增加，持續減少建筑內部得熱。南向水平遮陽出檐超過1.5 m，遮陽效率逐漸降低；東西向水平遮陽分別在1.5 m、0.9 m出檐深度以內，遮陽效率更優。東西向垂直遮陽主要遮陽太陽高度角較低的太陽光，其遮陽效率與出檐深度基本成正比線性增長關系。

（4）中空Low-E玻璃是窗墻比0.7以下建筑的最優透明圍護結構選擇。對于窗墻比大于0.7的公共建筑，需要選擇更優熱工性能的玻璃。

（5）對于一、二、三星級的建筑，圍護結構性能提升5%、10%、15%時，其圍護結構對于整個建筑的節能貢獻率分別為1%、2%、4%；當圍護結構性能提升至20%時，圍護結構性能提升約為6%；當圍護結構性能提升至近零建筑時，其圍護結構性能提升約為13%。

（6）對于空調制冷負荷，各圍護結構的節能貢獻率：外窗＞外墻＞屋頂。外墻占整個圍護結構貢獻率約在20%～30%之間，透明圍護結構為65%～75%之間，屋頂約為3%左右。

（7）對于采暖負荷，各圍護結構的節能貢獻率：外墻＞外窗＞屋頂。外墻占整個圍護結構貢獻率約在20%～25%之間，透明圍護結構為16%～18%之間，屋頂約為6%左右。

參考文獻

［1］ 中國建筑能耗研究報告2020［J］.建筑節能（中英文），2021，49（2）：1-6.

［2］ 劉中. 成都市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗調查與節能措施研究［D］.成都：西華大學，2014.

［3］ 董曉亞. 夏熱冬冷地區凈零能耗辦公建筑節能設計研究［D］.北京： 北京建筑大學，2020.