辦公建筑被動式降溫設計策略探究

摘要：目的：本研究旨在探究寒冷地區辦公建筑的被動式降溫設計策略，以西安市為例，深入分析窗墻比和建筑遮陽對能耗的影響，并提出相應的優化措施。方法：本研究采用文獻綜述和實驗研究相結合的方法。首先，通過梳理國內外相關文獻，了解辦公建筑節能設計現狀和發展趨勢。其次，根據西安市的氣候特點和辦公建筑的實際情況，設計系列實驗，以定量評估窗墻比和建筑遮陽對能耗的影響。實驗采用先進的能耗模擬軟件和溫度監測設備，確保數據的準確性和可靠性。結果：在寒冷地區，窗墻比增大雖然能使建筑的視野更加開闊，提高外觀簡潔度，但會導致窗體保溫隔熱性能較弱，給建筑節能帶來挑戰。相比之下，建筑遮陽措施在降低能耗方面的影響更為顯著。合理的遮陽設計不僅可以有效降低夏季室內溫度，還能保證冬季室內光照充足。因此，設計辦公建筑應充分考慮遮陽措施的應用，以實現能耗降低和室內環境優化的雙重目標。結論：設計寒冷地區的辦公建筑，需要綜合考慮遮陽與采光需求。通過科學設計，在保證室內舒適度的同時，顯著降低建筑能耗。此外，綠色建筑技術的發展和應用對推動建筑行業節能減排、實現可持續發展具有重要意義。未來，應繼續深入探究辦公建筑的節能設計策略，為綠色建筑的發展提供更多的理論支持和實踐指導。

關鍵詞：辦公建筑；降溫；能耗；窗墻比；遮陽；西安

中圖分類號：TU111.4 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）09-00-03

0 引言

隨著我國經濟的迅猛發展和人民生活水平的持續提升，建筑能耗已占我國社會總能耗的20%～30%，成為實現節能減排目標的關鍵因素［1］。其中，建筑圍護結構的傳熱損失占建筑總能耗的57%～77%［2］，因此優化圍護結構十分重要。近年來，綠色建筑憑借其環保和可持續的特性，為解決建筑能耗問題提供了新的思路。在全球共同追求生態環境保護和可持續發展的背景下，大力發展綠色建筑已成為不可逆轉的趨勢。

目前，關于辦公建筑節能改造的研究已相當豐富。趙軍波等運用正交試驗法，深入研究了上海市辦公建筑的節能因素，結果顯示，外窗遮陽系數和傳熱系數、屋面傳熱系數以及外墻傳熱系數對能耗的影響程度依次遞減［3］。這一發現為上海市辦公建筑的節能改造提供了重要參考。黃倞［4］等運用先進的DesignBuilder軟件，對某一具有代表性的辦公建筑進行了全年能耗模擬分析。結果表明，在夏熱冬冷的氣候條件下，減小外窗的太陽得熱系數，能夠顯著增強辦公建筑的節能效果。這一重要發現不僅為夏熱冬冷地區的建筑節能改造提供了科學依據，還進一步強調了在外窗設計中精準控制太陽得熱系數的關鍵性，對推動該地區的綠色建筑設計和可持續發展具有重要影響。

透明圍護結構在辦公建筑中有舉足輕重的地位，相關研究表明，建筑物高達50%的能耗是通過透明圍護結構損失的［5］。透明圍護結構對建筑室內采光環境具有顯著影響，關系到照明能耗的多少。同時，透明圍護結構是建筑外圍護結構中熱工性能較弱的部分，在辦公建筑設計過程中必須充分權衡其得熱與保溫隔熱兩方面的性能。

1 建筑研究測試

1.1 研究方法

本次測試從兩方面入手：一是調整立面窗墻比，二是實施有效的建筑遮陽措施。專項研究水平遮陽對建筑降溫效果的影響，以期通過科學手段降低建筑能耗，提高室內環境舒適度［6］。

本研究通過DesignBuilder平臺進行建筑主要功能空間和外遮陽建模，在不同窗地比和水平外遮陽的情況下，對其在寒冷地區的能耗變化情況進行模擬分析，力求揭示該大進深開放辦公建筑的窗墻比和水平外遮陽等關鍵設計參數對年各項能耗的影響規律。

1.2 既有建筑調研

本研究選擇陜西省西安市某大進深開放辦公建筑為案例（見圖1）。該建筑于20世紀90年代開始建設，于2002年建成，南北朝向，共2層，層高3.48 m，建筑高度為9.07 m。建筑面積為807 m2，一層面積420.3 m2，二層為386.5 m2，窗墻面積比南向約0.8，北、東、西向約0.4。樓層間的布局保持一致，屋面則采用傳統的處理方法，設備配置、面積標準、設計布局等均滿足當前使用要求。該辦公建筑為鋼混結構。

1.3 外遮陽改造

在建筑改造中，遮陽作為直觀簡便的節能措施至關重要?，F代商業建筑受多重因素影響，難以遵循傳統設計原則。因此，如何通過合理的遮陽設計解決東西曬問題，同時不影響商業效果，成為改造的核心問題（見圖2）。

建筑外遮陽在遮陽隔熱、節能環保、調節光線、裝飾美化以及保護室內物品等方面發揮著重要作用。同時，在設計和應用過程中，應綜合考慮不同季節的能耗需求、光環境調節需求以及立面設計等因素，以實現最佳的效果。

1.3.1 水平遮陽

水平遮陽板置于窗上，遮擋上方陽光，適用于朝南窗戶。它能遮擋高角度陽光，優化光環境，提升舒適度，節能降耗，美化建筑。

1.3.2 垂直遮陽

垂直遮陽即窗戶兩側設置遮光邊槽，以遮擋斜射陽光，有效降低室內光照強度，提升居住舒適度。

垂直遮陽對南、北偏東及偏西朝向的窗戶尤為適用，這些方向的窗戶常受斜射陽光影響。遮擋斜射陽光，可有效降低室內溫度，提升室內舒適度，并減少眩光以保護隱私。但需要注意的是，垂直遮陽可能無法完全遮擋高角度斜射陽光，尤其是在日出日落時分。因此，在選擇垂直遮陽方案時，可結合水平遮陽，以獲得更好的遮陽效果。

1.3.3 綜合遮陽

綜合遮陽是建筑外遮陽的重要形式，結合了水平遮陽與垂直遮陽的優點，能全方位遮擋陽光。適用于東南、西南等復合朝向窗戶，須考慮朝向、地理、氣候和使用需求。設計應與建筑風格協調，平衡遮陽與通風采光需求，提供舒適的室內環境。

2 測試模擬內容

2.1 建筑模型的建立

本實驗在尊重基準模型簡化原則［7］的前提下，對模型進行了適當的簡化處理。模擬所采用的軟件是以EnergyPlus為內核二次開發的建筑模擬分析軟件DesignBuilder，提取該辦公建筑原型并建模。

2.2 建筑模型參數設置

以西安市典型氣象年的氣候數據為基礎，建筑內部模擬設置時暫不考慮熱水系統和內部居住使用所產生的能耗，但在DesignBuilder中軟件設置要同時考慮供暖和供冷系統，建筑外窗屋頂等其他外部圍護結構根據現狀進行模擬。本次僅研究窗墻比和水平外遮陽對建筑能耗的影響。

2.3 環境參數設置

房間分區參數和時間表按照《民用建筑綠色性能計算標準》中的相關規定設置，空調系統COP取4.8。按表1確定建筑的照明功率密度、設備功率密度、人員密度及散熱量、夏季和冬季的設定溫度，并按照標準設置設備使用率、人員在室率、新風運行情況、供暖和空調系統運行時間［8］。

2.4 量化指標

在能耗評價中，本文重點研究建筑運行階段的狹義能耗，即常規使用下的能源消耗。通過深入分析照明、制冷和采暖能耗，了解建筑在不同使用場景下的能耗特點。同時，綜合考慮三者的總能耗，提供建筑整體能耗的宏觀視角。這種綜合性評價方法能更準確地揭示建筑能耗特性，為節能設計和優化提供科學、全面的依據。

3 模型模擬能耗結果

通過DesignBuilder軟件模擬及對應的數據和圖表分析，從東向窗墻比0.2、南向窗墻比0.5分別優化，在模擬實驗中主要對各窗墻比下建筑的照明能耗、制冷能耗和采暖能耗進行模擬，如圖3所示。

4 結論

根據圖表分析，調整窗墻比對建筑能耗的影響顯著。當保持東向窗墻比不變，僅調整南向窗墻比時，制冷負荷顯著下降約5.75%，總建筑能耗也相應降低約1%。相比之下，單獨調整東向窗墻比的效果并不明顯，制冷能耗和總能耗的降低幅度較小。當同時調整東向和南向的窗墻比時，節能效果更為顯著。具體來說，當東向窗墻比設為0.1，南向窗墻比設為0.4時，制冷能耗降低至6%，總能耗降低約1.15%；而東向窗墻比設為0.1，南向窗墻比設為0.3時，制冷能耗降低約7%，總能耗降低約1.05%。這表明，綜合考慮不同方向的窗墻比調整，可以實現更有效的節能。

進一步分析顯示，遮陽設計在節能方面同樣具有重要作用。在南向安裝固定水平遮陽板雖能大幅降低夏季空調負荷約30%，但會導致冬季采暖負荷上升，全年能耗并未實現實質性節約。因此，在遮陽設計時，應綜合考慮全年能耗的均衡，而非僅關注某一季節的能耗變化。

降低建筑能耗，應綜合考慮窗墻比和遮陽設計的協同作用。此外，針對不同功能空間對太陽光線的不同需求，應制定相應的遮陽策略。例如，在辦公建筑中，既要保證工作面的光照充足，又要防止夏季過熱現象的發生，因此需要在滿足采光需求的基礎上，采取適當的遮陽措施，以降低空調能耗，提高室內環境的熱舒適度。

5 結語

本文探討了西安市辦公建筑中被動式降溫設計策略的能效影響。研究發現，盡管增加窗墻比能優化建筑視覺和外觀，但會對窗體的隔熱性能造成不利影響，為節能設計帶來挑戰。相比之下，遮陽設計對降低能耗具有顯著效果，合理的遮陽措施不僅能降低夏季室內溫度，而且能保證冬季光照充足，優化室內環境。本文聚焦西安市的氣候條件，這可能限制策略在其他地區的適用性。因此，未來的研究應進一步探索不同氣候條件下的節能設計策略，以及如何在滿足采光需求的同時，通過科學的遮陽設計達到年度能耗的優化。

參考文獻：

［1］ 劉梓健，廖智強，陳延超，等.建筑圍護結構熱橋傳熱及改善研究現狀［J］.建筑熱能通風空調，2020（9）：52-57.

［2］ 戴紹斌，倪青榮，馬保國，等.自保溫體系外墻中柱熱橋影響區域分析［J］.建筑節能，2015（4）：49-53.

［3］ 趙軍波.基于DeST模擬的夏熱冬冷地區綠色公共建筑被動式節能設計研究［D］.成都：西南石油大學，2018．

［4］ 黃倞，劉士清，唐小虎，等.夏熱冬冷地區辦公建筑外窗熱工性能及節能效果分析［J］.建筑節能，2019（6）：88-92.

［5］ 李迪萌.基于天然采光和建筑能耗的寒冷地區被動房透明圍護結構研究：以山東建筑大學超低能耗教學實驗樓為例［D］.濟南：山東建筑大學，2022.

［6］ 宋碩.被動房在多層辦公建筑上的可行性設計研究：以大連生態科技創新城為例［D］.大連：大連理工大學，2017.

［7］ 歐科敏.區域建筑群冷熱負荷預測方法研究［D］.長沙：湖南大學，2014.

［8］ JGJ/T 449-2018.民用建筑綠色性能計算標準［S］.北京：中國建筑工業出版社，2018：39-42.

基金項目：本論文為2020年度國家自然科學基金青年基金項目“寒冷地區高大空間半透明光伏天窗光熱耦合平衡預測模型與優化設計策略研究”成果，項目編號：52008325（科技部）

作者簡介：裴福高 （1999—），男，研究方向：建筑技術與節能。