建筑族群超高建筑节能的研究与应用

杨叶萌，程海峰，吴 军

（1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学设计研究总院，安徽 合肥 230601；3.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

在全球变暖的背景下，为营造良好的宜居环境，减少温室效应，国家提出要在2030年实现碳达峰，在2060年实现碳中和。为实现这一目标，如何减少建筑能耗逐渐成为行业研究重点。除使用清洁能源代替传统煤炭能源，建筑围护结构材料以及遮阳通风，周边环境对建筑能耗也会产生一定的影响。刘东升等[1]总结了适宜温和地区公共建筑群的净零能耗设计方法；路作龙等[2]就建筑群提出不同阶段能源规划方案，开展区域负荷预测分析并且剖析了负荷预测模型；杨柳等[3]针对建筑外表面换热系数取定值及采用随风速和粗糙度变化的SimpleCombined算法计算2种情况，应用EnergyPlus对建筑负荷进行了数值模拟和对比分析，得到不同类别、地区外表面换热系数对建筑负荷预测的影响。赵福松等[4]研究得出玻璃幕墙的热工性能和朝向均对建筑能耗产生一定的影响，设置双层幕墙能耗减少21.1%，并且当双层幕墙设置在南向时能耗最小。杨旭冬等[5]使用DeST模拟通风时段对酒店建筑能耗影响。庞博等[6]使用DesignBuilder针对高层建筑外墙材料进行能耗模拟，得到能耗最小的材料是聚氨酯板，能耗最大的材料是岩棉板。

DesignBuilder是一款针对建筑能耗动态模拟程序软件，模拟类别涵盖建筑采暖、制冷、照明、通风、采光等，并且可以实现全能耗模拟分析和经济分析功能。Design－Builder功能强大，应用广泛，目前多用于建筑节能改造设计，武进雷等[7]使用DesignBuilder软件对北京某5A写字楼就复合冷热源进行能耗模拟和经济型分析；胡攀[8]对使用DesignBuilder软件对湖南某医院进行了能耗模拟和节能改造。由于周边建筑朝向对建筑能耗有一定的影响，李奇瀚等[9]使用DesignBuilder软件模拟分析得出在不同朝向不同窗墙比的面积对昆明某宾馆年度能耗影响；乔正珺[10]研究了不同中庭平面布局和朝向对不同气候区建筑全年冷热负荷、全年冷热能耗影响，但目前就周围建筑朝向对超高层建筑能耗影响的研究甚少。本文运用DesignBuilder软件探究周围建筑群不同朝向对超高层建筑全年能耗的影响，为以后超高层建筑节能设计以及再改造作为参考。

1 模型建立

1.1 理论模型建立

DesignBuilder是采用动态负荷理论和反应系数法相结合的方法，实现能源分析的软件，并使用导热传递函数（CFTs）来计算反应系数。导热传递函数基本方程如下：

t时刻围护结构内表面的传热量：

t时刻围护结构外表面的传热量：

式中：qki为内表传导热量，kJ；qk0为外表传导热量，kJ；Xj为墙体外侧CTF系数，j=0，1……nz；Yj为墙体CTF系数，j=0，1……nz；Zj为墙体外侧CTF系数，j=0，1……nz；Øj为热流CTF系数，j=0，1……nz；T0为墙体外表面温度，℃；Ti为墙体内表面温度，℃；δ为时间布长，s。

1.2 物理模型建立

模拟建筑地点在合肥，共44层，1层4.5 m，2层4.2 m，3~5层3.8 m，7~11层、13~21层4.5 m，23层4.2 m，24~33层、35~41层3.9 m，42、43层3.75 m，44层6.3 m，6、12、22、34层是设备层，高分别为2.1、4.2、4.5 m，建筑面积为85 290.66 m2。

使用DesignBuilder软件，在建筑底图基础上，根据建筑围护结构热工参数建立模型，见表1，房间功能、人员作息、设备照明、空调系统、通风系统见表2，得到的模型如图1所示，再按以下步骤模拟运行。

表1 维护结构材料及热工参数

表2 室内设计参数

图1 超高层建筑模型

（1）在距离超高层40 m东方放置一栋层高为100 m的外部建筑，进行全年能耗及单日负荷模拟运行。再将东边的外部建筑移动到建筑西边40 m处，进行模拟运行，重复以上操作完成南边和北边的外部建筑，进行全年能耗及单日负荷模拟计算，得到负荷计算书。

（2）依次在距离超高层40 m的东边和西边（下文简称东西）、西边和南边（下文简称西南）、南边和北边（下文简称南北）、东边和北边（下文简称东北）、南边和北边（下文简称南北）、东边和西边（下文简称东西）、东边、西边和南边（下文简称东南西）、西边、南边和北边（下文简称西南北）、东边、南边和北边（下文简称东南北）放置100 m高的外部建筑，按照顺序依次进行全年能耗及单日负荷模拟计算，得到负荷计算书。

1.3 边界条件设立

合肥地处夏热冬冷地区，且因超高层自身建筑特点，围护结构材料和参数的选择以及窗墙比都会影响其负荷特性，维护结构材料及热工参数、不同朝向窗墙比见表1和表3，室内设计参数见表2。

表3 不同朝向窗墙比

2 模拟结果与分析

本文模拟结果从不同朝向超高建筑全年能耗节能率以及最不利朝向夏季及冬季典型日，即以典型气象年最热月（或最冷月）中的温度、日较差、湿度、太阳辐射照度的日平均值与该月平均值最接近的一日，此处选取2020年7月19日以及2020年1月19日，一天的负荷变化以及负荷变化平滑曲线，即每两小时负荷差值连成的曲线进行分析。

2.1 周边建筑方位对超高层全年累计运行负荷影响对比

在超高层不同朝向放置单个或多个周边建筑时全年累计冷/热负荷及节能率对比见表4。显而易见，超高层周围建筑越多，节能率越高，当超高层周围有3栋建筑时，冷负荷节能率高于3%的方位有东南西和西南北，分别为3.88%，3.01%，高于2%的方位有东南北，为2.54%。当超高层周围有2栋建筑时，节能率高于2%的方位有东西、西南和西北，分别2.25%，2.53%和2.25%，高于1%的方位有东南、东北和南北，分别为1.98%、1.70%和1.10%。当超高层周围只有1栋建筑时，节能率高于1%的方位有东，1%以下的有南、西和北，分别为0.64%、0.48%和0.46%。

表4 不同朝向周边建筑对超高层负荷及节能率影响比较

当超高层周围有3栋建筑时，东南西、西南北、东南北热负荷节能率均高于3%，分别为3.63%、3.05%和3.15%。当超高层周围有2栋建筑时，节能率高于2%的方位有东南和西南，分别2.51%和2.46%，高于1%的方位有东北、东西、南北和西北，分别为1.48%、1.39%、1.97%和1.39%。当超高层周围只有1栋建筑时，节能率高于1%的方位有东和南，分别为1.13%和1.43%，1%以下的有西和北，分别为0.54%、0.63%。

以上分析可以得出，在超高层周围分别放置1、2、3栋建筑时冷负荷节能率最低的方位为北、南北、东南北，热负荷节能率最低的方位为西、东西和西北、东南北，显然北为最不利朝向。

2.2 最不利朝向夏季典型日负荷分析

夏季选取超高层建筑最不利朝向有建筑和无建筑时夏季典型日每小时冷负荷变化对比，如图2所示，明显，超高层建筑最不利朝向放置建筑与不放建筑单日负荷变化趋势基本相同，早上7时太阳升起，超高层东边大面积接收太阳辐射故在7时至11时负荷持续上升，11时到13时，太阳接近最高点，超高层接收太阳辐射面积逐渐减小至最低，所以从11时起超高层负荷缓慢升高，12时后缓慢下降，下午13时后，随超高层接收太阳光辐射面积增大，负荷随之升高至最高点，17时后，太阳落山同时人员作息减少，故超高层负荷在2小时内迅速下降。

图2 夏季典型日每小时负荷变化对比

超高层建筑最不利朝向有建筑物时冷负荷每小时变化平滑曲线如图3所示，负荷增长较大的时间段为7时至10时以及14时至15时，比较稳定的时间段为10时至12时以及15时至17时，下降最多时间段12时至13时。一日的波动趋势为上午、下午在上升至最高点出后开始下降再区域稳定，不难得出超高层建筑每小时负荷变化随太阳辐射到建筑面上的面积的变化影响较大。

图3 夏季典型日每小时负荷变化平滑曲线

2.3 最不利朝向冬季典型日负荷分析

超高层最不利朝向有建筑和无建筑时冬季典型日热负荷变化基本相同，如图4所示，因办公楼作息和冬季太阳升起时间较晚，8时、9时超高层热负荷基本无波动，9时后随太阳轨迹运动，上午超高层接收太阳光辐射面积逐渐减小至午时，下午接收面积开始逐渐增大，故建筑热负荷在10时上升至最高点，之后逐渐下降直至14时，14时-19时负荷呈动态下降直至19时达到最低点。且从图中可以看出，在冬季，超高层最不利朝向有无建筑负荷差最大的时间段在13时至14时，一天的负荷差随时间变化为开口向下的抛物线。

图4 冬季典型日每小时负荷变化对比

超高层最不利朝向有建筑物时热负荷每小时变化平滑曲线如图5所示，增长较大的时间段在7时到10时以及13时到15时，下降较多的时间段在10时至13时以及15至18时，在中午12时至13时负荷变化最小，一天的负荷增减变化为上午迅速上升中午开始减小至最低下午逐渐升高，升高至高点后波动下降。结合几项数据对比分析，说明在冬季除了太阳辐射，建筑蓄热和人员作息对超高层负荷影响也很大。

图5 冬季典型日每小时负荷变化平滑曲线

3 工程应用与分析

3.1 工程背景

奥福时代广场位于中国安徽省合肥市，是一栋超100 m的甲一级办公建筑，高度为182.4 m，共计44层，1至3层包含商业部分，6、12、22、34层是设备层，其余楼层均为办公用，建筑面积为85 290.66 m2。建筑周围厂房居多，东北方为合肥高铁南站，西边马路之隔有工业厂区和一所医院，东边建筑为车管所和厂房。

3.2 工程应用节能分析

奥福时代广场设计计算能耗结果与模拟能耗结果对比如图6所示，附近有建筑群能耗大大减低，且节能效果随着超高层周边建筑数量的增多呈正相关。当超高层1个、2个或3个朝向有建筑时，东边、西南以及东南西节能效率最佳，分别为0.98075、0.9725以及0.96295。

图6 设计结果与模拟结果对比

4 结束语

通过DesignBuilder对超高层周围有建筑群进行全年能耗模拟分析，得到最不利朝向，通过分析最不利朝向夏季、冬季典型日负荷变化以及对比设计结果与模拟结果得到以下结论：

（1）在超高层周围分别放置1、2、3栋建筑时冷负荷节能率最低的方位为北、南北、东南北，分别为0.46%、1.10%、2.54%。热负荷节能率最低的方位为西、东西和西北、东南北，分别为0.54%、1.39%、3.05%，得出北为最不利朝向。

（2）夏季典型日超高层每小时负荷在12：00时小幅降低但不影响整体增长趋势，两者差值最大的时间段在15：00-17：00，此时太阳辐射逐渐减少。冬季超高层每小时负荷在下午有小幅波动，但整体呈降低趋势，两者差值最小的时间段在上午8：00-10：00以及下午15：00-17：00，均为冬季一天中太阳辐射最小的时间段。

（3）夏季、冬季典型日每小时负荷变化平滑曲线在8：00-10：00增长，10：00-13：00下降，13：00-16：00增长，16：00后下降，说明超高层负荷受太阳辐射影响较大，在中午接收太阳辐射面积最小时，负荷增长量最小。

（4）奥福时代广场办公楼设计能耗与模拟能耗对比可知，附近有建筑群时能耗会大大降低。

本文通过依次在超高层周围放置不同数量建筑进行能耗模拟，得出最不利朝向以及太阳辐射对其日负荷特性影响结果，最后对合肥奥福时代广场进行工程应用测算，得到结果显示周围有建筑群时超高建筑能耗会大大降低。本文结论对夏热冬冷地区超高层办公楼位置选址以及超高层建筑节能设计、改造具有重要参考作用。