办公空间综合节能研究

邴赫亮

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

引言

随着科技的发展、社会的进步，人们对于空间舒适度的期望越来越高，同时，人们的环保节能意识也越来越强。因此，单独探讨使用空间的舒适度或仅仅关注于使用空间的节能情况是并不全面的，有必要将二者相结合，在保证空间舒适度的情况下有效地降低能耗。

采光设计作为建筑设计中不可或缺的一部分直接影响着整个空间光环境的舒适度，采光设计的合理与否影响着人的心理状态和生理健康[1-5]。 同时，自然采光作为绿色的、无能耗的照明手段其节能方面的应用也越来越受到人们的重视。据统计，照明能耗占整个建筑能耗的25%～35%，占全国电力总消耗的13%，可见照明节能有很大的潜力和空间[6]。

由于采光设计影响着维护结构的设计和参数，因此其不但影响着空间内的光环境，还影响着空间内的热环境。光环境与热环境对于空间的舒适度都具有很大影响，在我国和国际上的设计规范中对于光环境和热环境的设计参数有一系列相应的范围限定及推荐，以保证所设计空间的舒适度和节能性的下限。在很多地区，为给空间提供良好的热环境，暖通系统是必不可少的，而暖通负荷也是建筑能耗中所占比例较大的一项。因此，有必要探究采光设计在提高光环境舒适度和照明节能性的同时，对于热环境的影响、以及综合条件下怎样才是更节能的。

由办公空间自身的性质及功能性要求所决定，办公空间具有照明时间长、照度要求高、照明能耗大等特点；同时，办公空间具有相对统一的照明设计要求和较强的可推广性。因此，选择办公空间为对象，针对办公空间的采光设计进行研究，探究其对于照明及暖通负荷的能耗影响。

1 能耗模型分析

1.1 模型参数分析

建筑物所在的地理位置及建筑朝向对于建筑的采光及热环境影响非常重要，这是模拟分析之初需要首先确定的。在本次研究中选取上海作为研究对象的地理位置，并利用建筑环境模拟软件Ecotect对上海地区的建筑最佳朝向进行计算与确定，其计算结果为正南向，与《民用建筑绿色设计规范》中上海的最佳朝向为正南至南偏东15°相吻合，故本次研究中取正南朝向进行模拟分析[7]。

采光设计的不同，会直接影响到室内的自然光分布，进而影响照明能耗的大小。经过查阅资料、设计手册及相关规范，分析得到主要的影响因素如下：

(1)窗墙比，改变窗墙比会直接影响室内的采光量，进而显著地影响室内的采光情况和自然光照度，由此对于室内的照明能耗造成显著的影响，一般来说这是对于采光情况及照明能耗影响最大的因素。

(2)可见光透射比，指透过透明材料的可见光光通量与投射在其表面可见光光通量之比。一般人们习惯于用透光率来代替可见光透射比，描述玻璃的透光性能。可见光透射比的改变对于采光效果、照明能耗有着直接的影响，但一般情况下可见光透射比的取值范围不会相差太大。

(3)窗高，窗的高度会直接影响自然光在室内的分布情况，进而对人工照明的需求产生影响。因此，窗高会对照明能耗产生影响。

(4)窗的形状，在窗的面积确定的情况下，改变窗的形状会影响室内的采光分布，进而对照明能耗造成一定的影响。

1.2 能耗模型建立

采光设计涉及到许多的相关参数，每一个参数的变化都可能影响到照明及暖通负荷能耗的变化。虽然，每个参数在相应变化趋势下对于能耗的影响趋势是可知的，但是由于参数较多且每个参数相关的计算公式都非常复杂，这导致所有参数混合在一起之后整体情况的计算更为复杂，因而导致使用公式进行理论推导计算获得多种参数下的最优解几乎不可能完成。

在不便利用公式计算获得影响因素与能耗关系的情况下，可将该问题转化为灰箱模型，通过仿真软件对确定的输入参数进行条件仿真获得相应的能耗结果，并利用大量的仿真结果建立系统的输入与输出之间的数学关系。由模型参数分析可知系统的相关输入参数，并根据根据《办公建筑设计规范》、《建筑采光设计标准》、《建筑照明设计标准》等国家规范及实际工程和材料性能对各参数的模拟值进行了限定，具体如下：

(1)窗墙比x，根据《公共建筑节能设计标准》及《建筑采光设计标准》的要求，窗墙比x为0.2～0.7，从实际工程中玻璃幕墙的支撑材料占比、满足防火要求及保温隔热要求导致实际情况下窗墙比不会超过0.7。

(2)可见光透射比(透光率)y，综合《建筑采光设计标准》中各种建筑玻璃的透光率参数值以及《公共建筑节能设计标准》中对于透光率y的要求综合考虑，将透光率的模拟边界选定在0.6～0.8，该取值符合多数现有工程和实计工程设计取值的要求[8-10]。

(3)窗高h，窗高h为每种窗墙比下的每个可能情况，非玻璃幕墙情况下窗高不低于0.8 m，且窗底高度不高于1.4 m。

(4)窗的形状k的影响，在模拟分析中对每种窗墙比下对不同的窗的形状进行模拟，取采光效果最佳的形状计入数据。

(5)传热系数z，通过查询样本及规范中各种窗的传热系数值确定目前技术条件下窗的传热系数范围在1～4 W/(m2·K)[11]。

(6)遮阳系数s，规范中要求的遮阳系数s的取值受多种因素的影响，如窗、遮阳棚、窗帘的材质和设置情况，本次研究及模拟中仅考虑窗本身的材质及参数对于遮阳系数的影响，结合各种窗的材质情况，将遮阳系数的模拟值范围确定在0.4～0.8[12]。

通过不断改变灰箱模型的输入参数，仿真获取能耗计算结果，并利用数据处理软件对所得数据进行分析，最终可获得模型的输入参数与系统输出之间的函数关系式。通过灰箱模型建立的，各参数对综合能耗进行影响的能耗模型系统结构图如图1所示。

图1 能耗模型系统结构图Fig.1 System structure diagram of energy consumption model

2 照明能耗的分析与计算

通过良好的采光设计可以达到降低照明能耗的效果，那么在对照明能耗的分析中寻找自然采光和人工照明之间的联系则尤为重要。照度作为照明最为重要的评价指标为二者的联系提供了桥梁。规范及设计手册中规定，高级办公室工作面照度为500 lx，普通办公室工作面照度为300 lx[13，14]。为保证办公空间人员的舒适性及人们生活水平、要求的提升，按照较高等级的办公空间照度要求500 lx进行研究，在暖通能耗的研究中同样按照较高等级办公空间的要求进行能耗模拟。

首先，在仅考虑人工照明的情况下，设计满足相关照明设计规范的人工照明方案。选择办公照明常用的高效节能灯具T5直管荧光灯，技术参数参考飞利浦公司的TL5 HE28 W/840，光源光通量为2 800 lm功率为28 W，配电子镇流器(功率损耗按2 W另计)。通过查询本人所在设计院近年设计的新建办公建筑数据，上海地区的一类办公建筑层高大致在4.5～4.9 m，若考虑办公区域进行吊顶，净高一般不低于3 m(规范要求最低值为2.7 m)[15]，近年来办公空间也有不设置吊顶采用工业风设计的情况。综合上述情况，在后续采光及暖通能耗的模拟中按照4 m高度进行建模。以长8 m、宽5 m、高4 m作为空间模型的尺寸进行计算时，在所建模型中均匀布置16盏荧光灯即可满足要求。计算公式如下：

(1)

其中K1为利用系数，K2为维护系数，根据规范分别取值为0.6和0.8。计算结果在规范要求的500 lx偏差范围10%以内，满足规范要求。同时，对该照明设计的LPD值(建筑房间中单位面积的照明安装功率)进行计算，以核查该设计是否符合节能标准。计算公式如下：

(2)

计算所得LPD值为12 W/m2，不但小于节能规范的现行值15 W/m2，还小于其规定的目标值13.5 W/m2，可见该照明设计不仅是符合标准要求的，还是具有节能效果的照明设计。

将房间均分为4行4列共计16个区域，每个灯具对应其中一个区域，计算每种工况下小块区域的自然采光照度，以是否达到500 lx为条件决定是否开启该区域的人工照明进行补光。

根据《上海通志》中的数据，上海晴天约占41%、阴天约占15%、昙天(即云量为2～8层，大于8层为阴天，小于2层为晴天)约占44%。在此次研究中，利用建筑环境模拟软件Ecotect进行了共计44组工况下的仿真，对每组工况分别采用晴天模型及全阴天模型进行模拟。其中，将昙天以晴天及阴天进行代替，按照全年60%的工作时间以晴天模型进行模拟，全年40%的工作时间以全阴天模型进行模拟，并将两种情况的照明节约能耗折算至该工况下的总照明节约能耗中。鉴于篇幅所限仅列出在全阴天条件下窗高0.8 m、透光率为0.6、窗墙比0.2时的仿真结果，如图2所示。

图2 Ecotect采光仿真结果Fig.2 The daylighting simulation result of Ecotect

经过对模拟结果进行分析和计算，获得了不同工况下的照明节约能耗。在进行节能性计算时，所提供的自然光照明有效节能时间按照8小时日间工作时间进行统计，且不计休息日的照明节约能耗。再利用数据处理软件SPSS对每种工况下照明节约的能耗数据进行计算和分析，获得了不同透光率下的系统输入输出关系图，通过关系图可以直观地看到三者之间的关系，以及不同因素变化时，能耗情况的变化趋势。其中透光率为0.6和0.8时的窗高、窗墙比及照明节约能耗关系表如表1所示，关系图(系统输入输出关系图)如图3所示，其中左侧三位点状图为0.6透光率计算结果，右侧为0.8透光率计算结果。

表1 不同工况下的照明节能情况

图3 系统输入输出关系图Fig.3 Diagram of system input and output relationships

从图3可以看出，窗墙比对于照明能耗具有显著的影响，窗高由于可以改变室内采光的照度分布，在一定程度上对照明能耗同样具有影响。但由于窗高不会改变总光通量，因此对于照明的能耗的影响没有窗墙比显著。利用数学分析软件SPSS对三者的关系进行求解，可以获得三者之间的函数关系式，具体关系如下。

(3)

式中f1为透光率为0.6情况下的照明节约能耗，单位kWh；f2为透光率为0.8情况下的照明节约能耗，单位kWh；x1为窗墙比；x2为窗的高度，单位m。

经过调查研究表明，一般情况下人们所能接受的非玻璃幕墙形式的合理窗高在0.8～1.2 m之间[16]。再对不同工况下，不同窗高的照明能耗进行分析可知，在相同透光率和窗墙比的条件下，窗高为1.2 m时的照明节约能耗较高。与窗高1.4 m时的情况相比较，窗高为1.2 m时室内采光分布在大部分工况下具有相同的照明能耗节约值，同时室内的采光均匀度明显优于窗高为1.4 m的工况。因此，综合主观需求和客观分析结果可知，在窗高为1.2 m时采光设计具有最高的合理性。这样便可将上述函数关系进一步简化，如下：

(4)

3 暖通能耗的分析与计算

对于同样的暖通系统，不同的建筑工况有着不同的暖通能耗。在模型的建立中，选用了与照明能耗分析中相同的各种工况，并对建筑空间的功用以及室内的各项参数进行定义，以便为建筑的热工性能计算提供依据。其中，需要定义的参数有：房间类型、最低照度设定、人员作息情况、人均发热量、人均产湿量、人均最低新风、灯光热扰、设备热扰等情况。各项参数的设定值均依据相关热工规范及设计手册确定及选取。

在建筑的各个结构及维护系数确定后，便可根据需要调节与窗相关的各项参数，模拟不同工况下的能耗情况。在采光分析中确定了一些与照明能耗相关的窗参数，如窗墙比、窗高及透光率。在暖通能耗分析中，窗墙比的改变会显著地改变围护结构的热工性能，对室内外的热传递情况以及自然光照射引入的热量情况产生显著的影响。窗高在采光分析中会改变自然光的分布，进而影响室内照明能耗，但对于暖通能耗而言，窗高的改变并不会改变引入室内的自然光的总光通量，因此不会改变自然光照射所引入室内的总热量，在暖通能耗分析中无需考虑窗高的影响。

通过利用建筑环境及HVAC系统模拟软件DeST对各个工况(共计110个不同工况)的能耗情况进行仿真计算后，得到了不同工况下的全年热负荷能耗、全年制冷能耗以及总能耗。将各个工况下的能耗情况按照一定的规律进行整理，得到了不同窗墙比下的能耗情况。鉴于篇幅受限，仅列出窗墙比为0.2时模拟软件DeST的能耗模拟结果，具体数据如表2所示。

通过利用数学分析软件SPSS对各种工况下照明能耗以及暖通能耗数据的进行计算分析，可确定对于综合能耗影响最大的参数为窗墙比，并获得如下参数：最佳窗高h为1.2 m、透光率y为0.8、遮阳系数s为0.8、传热系数z为1～2之间。窗墙比与总体能耗的函数关系如式(5)所示。增加窗墙比0.25及0.35条件下4种照明节能情况及4种暖通能耗情况的进一步的模拟和计算，结果如表3所示，最终获得该区间内更为精细的能耗关系图，如图4所示(以传热系数为2为例)。

W(x,0.8,1,0.8,1.2)=

1611.719x2-764.634x+3210.828

W(x,0.8,2,0.8,1.2)=

1611.719x2-738.005x+3220.645

(5)

表2 窗墙比为0.2时各工况的能耗情况

表3 窗墙比为0.25和0.35时各工况的能耗情况

图4 窗墙比与总体能耗关系图(传热系数为2)Fig.4 Relationship diagram of window-wall ratio and total energy consumption

经过计算分析可知，在窗墙比为0.25～0.3之间时总体能耗最低，节能性最佳。结合采光设计主观舒适性的研究，在上海地区的办公空间最佳窗墙比为0.3，在实际工程中建议窗墙比取值在0.3～0.4之间。最终确定上海地区办公建筑的采光节能模型各参数的最优值，具体取值如下：窗墙比x为0.3，透光率y为0.8，传热系数z为1～2 W/(m2·K)，窗高h为1.2 m，遮阳系数s为0.8。其中传热系数的取值，满足上海《公共建筑节能设计标准》中对于该窗墙比0.3～0.4时的限值不超过2 W/(m2·K)要求。

4 总结及展望

本文结合国家规范和产品性能手册等相关资料，从办公空间的功能性和需要出发，分析光环境的各项指标需求。各种工况的输入参数边界条件均在国家规范对采光设计、照明设计以及各种维护结构性能的限定下进行选取，同时紧密结合工程实际，各种材料及输入参数的选取范围也在实际工程中可能达到的值作为限定标准。分析了采光设计中对照明能耗及暖通负荷产生影响的设计因素，在确定最佳朝向以及建筑所在位置的气象信息后，利用建筑环境模拟软件Ecotect对不同参数下的采光效果进行了模拟分析，共获得48种不同工况下的模拟结果；利用建筑环境及HVAC系统模拟软件DeST对不同参数下的能耗情况进行了模拟分析，共获得114种不同工况下的模拟结果。利用数学分析软件SPSS对162组模拟数据进行分析，进而获得了采光设计参数变化时，对应年总照明节能量、暖通总能耗及综合能耗的函数变化关系式及函数曲线图。通过该关系式，可以清楚地了解在采光设计改变的情况下对应的能耗节约情况。

本文对今后的采光节能设计提供了一定的数据支持，也为综合节能的分析提供了一个可行的研究方向。同时，证明了在合理进行采光设计的前提下，照明的节能量是大于围护结构改变而导致暖通负荷的耗能量的，而且在今后不断涌现的新技术应用下，采光节能大有可为。

另外，国外已经有诸多天然光对人有利的研究结果，如提高人的工作积极性、工作效率、健康情况等。虽然目前人们都十分关心能耗的节约，但是人的需求更应当受到关注。国外有调查表明，一个工作人员一年的照明用电费用仅和他一小时的薪金相当。因此，有人提出天然采光的经济性主要表现在促进生产力、提高工作效率和增加出勤率等方面。在未来的研究中，可以尝试将采光设计对人的影响以函数关系式的方式进行表达，与客观的节能模型相关联，以获得不仅仅是在节能性上的最优模型。