基于節能潛力的辦公建筑外窗設計優化策略
——以鄭州市主城區為例

韋 峰,郭亞婷

(鄭州大學 建筑學院,河南 鄭州 450001;鄭州大學綜合設計研究院有限公司,河南 鄭州 450002)

辦公建筑是建筑節能技術應用的對象之一,其節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],通過改進辦公建筑外窗的熱工特性,可以取得顯著的節能效果[3]。發掘辦公建筑外窗節能潛力,提出針對辦公建筑外窗設計的優化策略,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,運用建筑性能模擬軟件EnergyPlus和參數化編程軟件Grasshopper等對建筑能耗和采光進行分析,實現了4個朝向窗墻比等設計參量的優化。Pilechiha等[5]以標準辦公模型為研究對象,運用參數化編程軟件Grasshopper及其插件Ladybug 、Honeybee和Octopus對建筑能耗進行分析,實現了窗戶寬度、窗戶高度以及窗戶邊緣距離立面邊緣的距離等設計參量的優化。Hiyama等[6]以辦公建筑為研究對象,運用DAYSIM和EnergyPlus結合響應面分析方法(RSM)對建筑能耗、采光以及耗電量進行分析,實現了窗墻比和窗戶幾何特性相關設計參量的優化。本文基于Grasshopper 參數化平臺,以鄭州市主城區多層辦公建筑為例構建典型模型,針對外窗設計尺度參數、外窗設計性能參數、遮陽設計參數等3個層級,對11個影響建筑能耗的設計參量進行能耗模擬,為鄭州市主城區的辦公建筑外窗設計提供參考依據。

1 典型模型與標準模擬方法

采取分層隨機取樣的方式對鄭州市中原區、二七區、惠濟區、金水區以及管城回族區等5個區域進行隨機抽樣調研。選取鄭州大學土木工程學院樓、鄭州市機械研究所9號樓、河南工業大學食品添加劑應用技術研究所樓、國家稅務總局鄭州市稅務局隴海路辦公樓、鄭州師范學院信息科學與技術學院樓和鄭州師范學院生命科學學院樓等17個多層辦公建筑[7]進行實地調研和參數信息統計。結合《建筑節能與可再生能源利用通用規范》(GB 55015—2021)以及防火疏散要求[8],確定建筑幾何參數為:建筑朝向,南向;標準層面積,1 200 m2;建筑長寬比,41;建筑層高,3.9 m;建筑層數,6層;柱網尺寸,8.4 m×7.2 m;房間進深,7.2 m;內廊寬度,2.7 m;建筑空間布局,內廊式、交通盒北向兩端+中間;建筑窗墻比,0.4;體形系數,0.19。根據以上參數繪制典型模型標準層平面圖如圖1所示。

圖1 標準層平面圖

在典型模型幾何形體基礎上,根據《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2015)《建筑節能與可再生能源利用通用規范》(GB 55015—2021)《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB 50736—2012)《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》(GB/T 7106—2008)等規范以及圖紙信息與調研數據確定典型模型熱工參數和運行參數。熱工參數分別為:外墻傳熱系數Kw=0.55 W/(m·K);屋面傳熱系數Kr=0.4 W/(m·K);外窗傳熱系數U=2.7 W/(m·K);外窗氣密性,6級;氣象參數,epw氣象文件。運行參數分別為:空調系統類型,理想空調系統;供暖期,當年11月15日至次年3月15日;制冷期,6月16日至9月30日;空調系統溫度設定,夏季26 ℃、冬季20 ℃;空調運行時間,600—2000(供暖)、700—1800(制冷),節假日不進行溫度控制;新風量,30 m3/(h·人);人員密度,辦公10 m2/人;照明功率密度,8 w/m2;設備功率密度,15 w/m2;新風、人員、照明、設備時間表,工作日700—1900、節假日不開。

確定幾何參數、熱工參數、運行參數后,首先建立鄭州地區多層辦公建筑典型模型,并根據使用功能和參數,將典型模型分為空調熱區和非空調熱區等2個熱工分區(見圖2)。其次,應用Rhinoceros的圖形算法編輯器Grasshopper進行參數化建模,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能耗的具體數據,將其作為建筑基準能耗值。通過控制變量法分別修改各設計變量參數,將修改參數后的能耗模擬結果與能耗基準值的差值除以能耗基準值,進而分析各要素的節能潛力。

圖2 標準層熱工分區圖

2 確定設計參量

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

2.1 外窗設計尺度參數

(1)窗墻比。根據《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2015)[10]中對于窗墻比的規定以及鄭州市的氣候分區可以設定建筑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,根據結合模數的設置情況,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致窗墻比改變,從而影響建筑能耗。根據參考案例并結合《建筑門窗洞口尺寸系列》(GBT 5824—2021)得出大部分室內開啟空調的辦公建筑窗口高度大于2.4 m,綜合模擬建筑層高和設定的窗臺高度(建筑梁高設置為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 外窗設計性能參數

(1)窗戶開啟扇。窗戶開啟扇以百分比的形式表示,窗戶的形式設置為平開窗,變量的取值范圍為0～0.5。(2)玻璃的關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等,結合《建筑采光設計標準》(GB 50033—2013)和《民用建筑熱工設計規范》(GB 50176—2016)對于常見玻璃種類的關鍵性能參數進行整理,得出相關參數的取值范圍,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;傳熱系數為1～6,步長取1。

2.3 遮陽設計參數

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

3 能耗模擬結果分析

計算節能優化設計后的建筑能耗值與基準建筑能耗值的差值,再將差值除以基準建筑能耗值,得到一個比值,即節能貢獻率。可以用其表征節能潛力的大小,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能貢獻率更大。

(a)不同窗墻比的能耗

(b)不同窗墻比的節能貢獻率

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,窗臺高度對于各項能耗節能貢獻率不大。

(a)不同窗臺高度的能耗

(b)不同窗臺高度的節能貢獻率

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,窗口高度對于各項能耗的節能貢獻率不大。

(a)不同窗口高度的能耗

(b)不同窗口高度的節能貢獻率

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能貢獻率較大。

(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能貢獻率

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,應該充分利用自然通風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能貢獻率較大。

(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能貢獻率

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能耗的節能貢獻率不大。

(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能貢獻率

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能貢獻率較大。

(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能貢獻率

由圖10(a)可以看出,隨著玻璃傳熱系數的增加,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,玻璃傳熱系數對建筑的采暖能耗節能貢獻率較大。

(a)不同玻璃傳熱系數的能耗

(b)不同玻璃傳熱系數的節能貢獻率

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能潛力較小,無需優先考慮。

(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能貢獻率

(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能貢獻率

(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能貢獻率

3.2 不同設計層級和設計參量的能耗節能潛力分析

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

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,在閾值變化范圍內對建筑總能耗的節能貢獻率為-8.85%～9.33%;玻璃傳熱系數對鄭州市主城區多層辦公建筑的全年單位面積采暖能耗影響最為顯著,在閾值變化范圍內對采暖能耗的節能貢獻率的變化范圍為-76.37%～59.99%;窗墻比對鄭州市主城區多層辦公建筑的全年單位面積制冷能耗影響最為顯著,在閾值變化范圍內對制冷能耗的節能貢獻率變化范圍為-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能潛力最大;玻璃傳熱系數在減少供暖量方面的節能潛力最大。

(a)3個設計層級能耗節能貢獻率

(b)11個設計參量的全年單位面積總能耗節能貢獻率

(c)11個設計參量的全年單位面積采暖能耗節能貢獻率

(d)11個設計參量的全年單位面積制冷能耗節能貢獻率

因此,應結合各設計參量的節能潛力,有側重地設計鄭州市主城區的多層辦公建筑。在第一層級中,外窗設計尺度各參數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,外窗設計性能各參數中對全年總能耗值影響最大的是玻璃傳熱系數。在選擇玻璃材料時,應重點考慮玻璃傳熱系數。在第三層級中,遮陽設計各參數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 結論

通過控制變量法改變不同參數進行能耗模擬及數據分析,得到如下結論:首先,鄭州市主城區多層辦公建筑的外窗節能設計應在滿足相關規范等基本條件下設置合適的窗墻比;其次,綜合考慮節能和美學因素,選擇合適的窗口中心線;最后,在選擇玻璃種類時,優先考慮玻璃傳熱系數。