性能导向的设计初期能耗优化方法研究

蒋璋

1 中国建筑科学研究院有限公司

2 国家建筑工程技术研究中心

3 北京市绿色建筑设计工程技术研究中心

建筑能耗模型是预测性能和比选设计方案的有效工具，研究表明，建筑能耗模拟可以帮助项目较参照建筑获得40%以上的性能提升[1]。然而在传统设计过程中，大部分能耗模拟不是在设计早期阶段开展的。通常能耗模拟由专门的能源工程师执行，且在建筑师完成初步设计后。随着计算机辅助设计方法、绿色建筑性能仿真技术、参数化设计方法和工具的快速发展，越来越多的学者和设计师利用计算机强大的计算能力，将性能导向的设计方法纳入建筑设计的初期阶段。

1 模型简化方法

美国LEED 标准提出在方案设计结束前，开展初步的“简易盒”能耗模型分析，确定能源使用目标，有助于制定能效高的策略，整合各个系统，降低初投资，提高建筑性能[2]。潘毅群等人提出实际建筑和系统是复杂、不确定和非线性的，因此不得不在建模过程中采用假设、简化和近似等方法，才能获得计算结果[3]。Marco 等人通过对比简化模型模拟和详细模型模拟之间的差异，证实了几个研究案例的简化模型模拟结果差异均控制在20%以内，比传统使用安全系数的方式，更利于获得可行适用的信息[4]。详细的模型简化步骤和应用条件归纳如下：

1）清除外部障碍

建筑物的相互遮挡对空调负荷会产生影响，因此能耗模拟分析时建筑物太阳辐射得热部分必须考虑这一因素的影响[5]。应保留对能耗模拟产生遮挡的障碍物，特别是在门窗上产生阴影投影的建筑物或构筑物，清除其他的建筑物和外部元素。

2）简化建筑分区

在初期建筑设计阶段，建筑每个区域的功能、大小和空调形式都是不稳定的，这一阶段的能耗模拟应尽可能少的定义分区。标准能耗分析模型的建筑分区简化，可参考的因素包括：空调热区和非空调热区、使用功能、是否有相似的太阳辐射强度、内区和外区和末端空调形式。而对于设计初期的项目，最可行的建模方法为单一热区建模，即每个楼层由单个分区表示，此建模方法适用于项目自身的横向对比、寻优分析，可快速求得总负荷值。

3）简化围护结构

简化模型对围护结构的表面构造类型进行识别后，可划分为外墙、屋面、架空或外挑楼板、门窗、内墙和室内楼板六项。前三项是能耗模拟分析的重要优化内容，内墙和室内楼板不作为优化内容。

外墙的传热系数采用平均传热系数，考虑围护结构周边混凝土梁、柱、剪力墙等“热桥”的影响。

门窗的输入方法可采用从数据库选取或简化输入，简化输入的传热系数按下式（1）计算[6]：

式中：K 是幕墙单元、门窗的传热系数，W/(m2·K)；Ag是透光面板面积，m2；lg是透光面板边缘长度，m；Kgc是透光面板中心的传热系数，W/(m2·K)；φ 是透光面板边缘的线传热系数，W/(m·K)；Ap是非透光面板面积，m2；lp是非透光面板边缘长度，m；Kpc是非透光面板中心的传热系数，W/(m2·K)；φp是非透过面板边缘的线传热系数，W/ (m·K)；Af是框面积，m2；Kf是框的传热系数，W/(m2·K)。

4）简化透明表面

此简化步骤旨在减少对整个建筑物的透明表面进行完全建模。简化方法为对单个表面进行透明表面建模，并参考开窗高度，即每个表面输入透明部分面积和高度两个数据。实际项目中，每个楼层的外窗面积和位置可能都是不同的，可以采取求得建筑单一立面透明表面总面积后，平均分配到各个楼层的方式进行简化。

5）输入空调系统

空调系统可按照实际设计进行输入，当具有多个空调系统形式时，建筑分区应当与空调系统形式保持一致。

对于设计初期的项目，空调系统方案往往没有确定，此时可只对建筑的全年累计耗热量和耗冷量进行模拟计算，供暖和供冷的能耗量可按照综合效率折算的方式求得[7]。本文中分析的案例采用这一方式计算建筑全年供暖供冷综合能耗量。

6）模型组装与检查

完整的能耗模型由多个标准层组装而成，通常至少包括三种标准层，即底层、中间层和楼顶层。当楼层的层高、表面的朝向、表面的几何位置、表面的构造和类型等发生变化时，则需要建立更多的标准层。

模型的检查通常包括表面检查、输入条件检查和输出结果检查。许多模拟软件具备三维模型预览功能，可以帮助工程师快速查看模型表面设置是否与设计一致。输入条件和计算结果检查都可以通过检查输出文件实现，包括检查不同围护结构的传热系数是否和项目一致、计算出的单位建筑面积负荷是否在合理范围之内等。

2 分析方法

2.1 采用软件

ASHRAE140 标准是全世界建筑能耗模拟软件进行自我程序检查与准确性验证的权威标准。目前国际上主流的建筑能耗模拟软件如Energyplus、DOE-2、TRNSYS 等，均参与此项验证工作，并获得国际认证。本文能耗模拟计算软件为以DOE-2 作为计算引擎的eQUEST。

2.2 设计参数变量

龚新智等人通过正交法和列表法以节能优化为目标，总结出七类设计参数敏感性的优先排序，包括外墙厚度、外墙保温、屋面保温厚度、窗户朝向、窗墙比、玻璃类型、日光温室深度宽度[8]。张时聪等人通过对64 栋超低能耗建筑的技术路径研究，除了高性能外墙和外窗外，促进自然通风和自然采光，设置外遮阳，都是减少空调负荷和照明负荷的有效途径[9]。通过对朝向窗墙比、墙体传热系数、窗户传热系数、窗户太阳得热系数（SHGC）、外区进深等参数变化对能耗影响的敏感性分析可知，敏感性最高的参数为窗墙比和窗户太阳得热系数（SHGC）[10]。

本文影响能耗优化的设计参数可归纳为周边场地相邻建筑遮挡和围护结构基本物理属性，包括热工性能，窗墙比和遮阳。

2.3 分析方法

节能正向优化指预设拟评价的指标，在能耗模型中对预设指标后的建筑能耗进行计算，计算结果用于对预设指标进行评价，设计师可以根据评价结果对评价指标进行调整和再验证，直到达到性能优化目标，完成设计方案调整。本文采用正向优化流程对案例进行节能优化。

节能反向优化指已获得项目能耗的优化结果目标，以单一或多个性能指标做为变量，使用计算机辅助设计方法，如遗传算法工具，求解性能最优的建筑方法。如《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350 中明确提出采用性能化设计方法，即以能效指标为约束性指标，不对围护结构、能源设备和系统等性能参数做强制要求[11]。

3 优化分析

3.1 基准模型

本文以北京市怀柔区一办公建筑为具体优化案例，建立基准模型。项目总建筑面积1 万m2,建筑高度匀为12.9 m。本项目在方案阶段即开展以供暖空调能耗降低为目标的优化分析，分析模型采用围护结构热工性能按照《公共建筑节能设计标准》限值进行选取。

3.2 计算方法

供暖供冷综合能耗量应按下列公式计算：

式中：Ebld是建筑全年供暖供冷综合能耗量，kWh；EH,bld是建筑全年供暖能耗量，kWh；EC,bld是建筑全年供冷能耗量，kWh；QH,bld建筑全年累计耗热量，kWh；QC,bld是建筑全年累计耗冷量，kWh，DOE-2 采用传递函数法模拟计算建筑围护结构对室外天气的时变相应和内部负荷，通过围护结构的热传递所形成的逐时冷、热负荷采用反应系数法计算；Θ1是供暖系统综合效率折算权重，寒冷地区取1.6；Θ2是供冷系统综合效率折算权重，寒冷地区取2.5。

3.3 结果分析

3.3.1 遮挡对能耗影响分析

本工程南侧水平距离25 m 拟规划建设其他建筑物，建立无遮挡和不同建筑高度（匀=12.9 m）的模型，分析建筑物遮挡对建筑能耗的影响。图1 结果表明：随着南侧建筑物高度的增加，本工程的冬季采暖热负荷明显增加，而夏季的空调冷负荷减少，综合能耗出现增加。在建筑间距条件不变的条件下，南侧遮挡建筑的高度宜控制在12.9 m 以下，随着高度的进一步增加，建筑综合能耗明显增加。

图1 遮挡对能耗指标影响分析

图2 结果表明：东、西和北立面窗墙比增加导致综合能耗的增加，北立面变化影响大于东立面和西立面。相反，南立面窗墙比增加导致综合能耗的降低。南立面窗墙比的增加，在增加夏季空调冷负荷的同时，也使建筑在冬季可以获得更多的太阳辐射，从而减少冬季采暖热负荷。因为供暖系统能源转换效率低于供冷系统，所以冬季采暖热负荷低的方案，供暖空调的综合能耗更低。

图2 窗墙比对综合能耗影响分析

图3 结果表明：北立面窗户太阳得热系数变化对综合能耗基本无影响，而综合能耗随东、西和南立面窗户太阳得热系数（SHGC）的增大而降低，南立面窗户这一特征最为明显。

图3 太阳得热系数对综合能耗影响分析

3.3.2 考虑设置活动遮阳

活动遮阳供暖季遮阳系数SC 取0.8，供冷季遮阳系数SC 取0.4。南立面设置活动遮阳时综合能耗降低-0.87%；东西立面设置活动遮阳时综合能耗降低0.61%。北京地区在东西立面设置活动遮阳有利于综合能耗降低。

图4 结果表明：供暖空调综合能耗随窗户传热系数的增加而递增，南北朝向的影响大于东西朝向。不论哪个朝向，提高窗户热工性能，都是利于降低建筑能耗的。

图4 窗户传热系数对综合能耗影响分析

图5 结果表明：供暖空调综合能耗随外墙和屋面传热系数的增加而递增，北立面外墙的影响大于东、西和南立面外墙，屋面传热系数对于综合能耗的影响大于四个立面。需要注意的是，本项目楼层较低，屋面面积占建筑外表面比重较大，随着楼层数增加，屋面传热系数对综合能耗的影响会降低。不论外墙还是屋面，提高热工性能，都是利于降低建筑能耗的。

图5 外墙和屋面传热系数对综合能耗影响分析

4 结论

设计初期能耗模拟优化可获得较高的能耗性能提升。为解决能耗模拟工具和所需技术知识较复杂的问题，提出简化模型方法和设计参数分析方法来进行能耗模拟，在保证足够精度水平的条件下，为设计人员提供方案分析和决策的依据。

受不同气候条件、周边场地环境和建筑形体的影响，影响具体项目能耗指标的设计参数的敏感性是不同的。以北京地区为例，通过对朝向窗墙比、太阳得热系数、窗户传热系数、墙体和屋面传热系数等参数变化对综合能耗影响的敏感性分析可知，本文分析案例各设计参数敏感性由高至低依次为窗户太阳得热系数、墙和屋面传热系数、窗户传热系数和窗墙比。只有获得了具体项目的不同设计参数的敏感性分析结果，才能帮助设计师确定同时满足性能优化和技术经济目标的优化方案。