基于Grasshopper参数化设计的大连地区窗墙比对建筑能耗的影响研究

杨甄莲,安泓达,李姗姗

(大连民族大学 土木工程学院,辽宁 大连 116650)

外窗作为重要的围护结构之一,对建筑能耗有着非常大的影响。为了实现建筑节能目标,必须根据不同地区的气候条件,准确分析窗墙比对建筑物能耗的影响,以便确定合理的窗墙面积比[1]。窗墙面积比是指某一朝向的外窗(包括透明幕墙)总面积,与同朝向墙总面积(包括窗面积在内)之比,简称窗墙比[2]。

FENG等[3]以严寒地区沈阳市一个典型的近零能耗建筑为例,利用EnergyPlus仿真软件,研究了窗墙比对能耗的影响,结果表明:不同方位窗墙比对能耗影响是东(西)>南>北;黄婷等[4]以重庆地区某办公楼为研究对象,研究了窗墙比与遮阳对公共建筑的能耗影响,得出在窗墙比小于0.5时,西向窗墙比的影响最为显著,而在窗墙比大于0.5时,东南向的影响更为显著。综合来看,对于重庆地区而言,东、西向的窗墙比越小越有利于办公建筑节能。ALGHOUL等[5]以利比亚的黎波里市一办公室建筑为研究案例,探讨了窗墙面积比和朝向对供冷、供暖和总能耗的影响,结果表明,窗墙面积比的增加时供冷能耗增加,而供暖能耗则减少,且供冷能耗远远高于供暖能耗,南墙窗墙面积比增大后,供冷能耗增加尤为明显,而供暖能耗则因被动式太阳能采暖而降至零。曹静怡等[6]以皖南地区安庆市某办公建筑为研究对象,模拟研究建筑窗墙比与外窗类型对建筑负荷的影响,研究结果表明,皖南地区东西向窗墙比的设置应介于0.341～0.351 之间为优;北向窗墙比的设置应当介于0.406～0.416之间为优;南向窗墙比的设置应当介于0.439～0.449之间为优。GOIA等[7]在欧洲不同气候条件下研究分析办公室建筑最佳窗墙比,结果表明,在不同气候和朝向下,虽然存在一个最优的窗墙比,但大多数理想值的范围相对较窄(0.30 <窗墙比< 0.45)。窗墙面积比对于建筑能耗的影响已有一定的研究,但上述研究采用的能耗模拟软件多操作复杂,运行速度慢,数据处理难度大,并且缺少大连地区的相关数据。与其他能耗模拟软件相比,Grasshopper更趋向自动化、智能化,拥有出色的性能运算速度,而且参数设置简化,可基于同一形态模型,同时进行多种性能优化计算,以综合性的评价数据提供多样化的优选方案。基于此,本文提出了基于Grasshopper的建筑能耗模拟流程,并基于该流程开展大连地区不同窗墙面积比对建筑能耗影响的模拟研究。

Grasshopper作为Rhino的内置插件,又拥有不同功能的插件,此次研究将用到GH插件之一的Ladybug Tool工具,该工具常用于建筑性能的分析,由Ladybug、Honeybee、Butterfly和Dragonfly四部分组成,完美整合了EnergyPlus、Therma、Radiance、Daysim、OpenCFD-OpenFOAM等性能模拟软件计算内核,实现了跨平台的数据交互,通过设定控制逻辑让计算机自动完成复杂的计算和寻优的过程[8],能在较短的时间内得到特定逻辑下的最优结果。

1 基于Grasshopper的参数化建模

1.1 参数化模型构建

参数化设计是一种基于算法思维的设计过程,算法思维由参数和规则协同定义,通过编码阐明设计意图和设计响应之间的关系[9]。本研究建模所用到的建模工具Grasshopper(简称“GH”)是最具代表性的参数化设计平台,其运行在Rhinocreos(简称“Rhino”)平台下的一款可视化编程插件,特点是在建模原理上生成三维模型,GH将记录从点、线、面再到立体空间的建模过程,此次模拟将用到GH插件之一的Ladybug Tool工具,该工具常用于建筑性能的分析,由Ladybug、Honeybee、Butterfly和Dragonfly四部分组成,完美整合了EnergyPlus、Therma、Radiance、Daysim、OpenCFD-OpenFOAM等性能模拟软件计算内核,实现了跨平台的数据交互,通过设定控制逻辑让计算机自动完成复杂的计算和寻优的过程,能在较短的时间内得到特定逻辑下的最优结果[10]。

大连地处辽东半岛南端,位于北纬38°43′～40°12′,东经120°58′～123°31′之间,气候区为寒冷A区,具有海洋性特点的暖温带大陆性季风气候,年总太阳辐照强度为5 069.54(MJ·m-2),基于此本文构建海拔高度为50m,建筑长度为10 m、宽度为8 m、高度为4 m,总面积为80 m2的房间简化模型如图1。考虑到大连地区办公建筑内房间多为单侧窗,且在其他壁面为绝热壁面情况下,本文分析不同朝向单一立面窗墙面积比对大连地区建筑单位面积的供暖、供冷以及平均能耗的影响规律,研究结果可用于指导大连地区办公建筑不同朝向窗墙面积比的合理选择。

图1 建筑房间模型图

1.2 气象参数及围护结构热工参数选择

对于气象参数的选取,通过Ladybug下载大连典型气象年EPW气象数据,该数据是由美国能源部发布的用于建筑性能模拟分析的一种标准化数据库,包括了全年8 760 h的风速、风向、干球温度、湿球温度、太阳辐射、太阳路径等数据。这些信息通过运算器分类导出,最后连接到对应的运算器端口上参与模拟及运算。

关于大连的围护结构参数选取,中国现行的GB 55015-2021《建筑节能和可再生能源利用通用规范》指出:进行热工性能权衡判断时,透光围护结构0.4<窗墙面积比≤0.7时,传热系数应≤2.0 W·(m2·K)-1;窗墙面积比>0.7时,传热系数需≤1.7 W·(m2·K)-1,因此窗墙面积比的设计需与透光围护结构的传热系数关联讨论。在大窗墙面积下,窗传热系数上限值为2.0 W·(m2·K)-1,在此本研究将选取五种不同传热系数的中空玻璃作为研究对象,窗传热系数分别为0.8、1.1、1.4、1.7和2.0 W·(m2·K)-1,外窗均采用PA隔热铝合金窗框,外墙的传热系数为0.55 W·(m2·K)-1,建筑室内外温差为6 ℃。此外,供暖、供冷机组性能系数均满足《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015-2021)要求。

1.3 计算流程

在基于Grasshopper软件完成建模及相关参数设置后,通过Ladybug Tools工具分析不同朝向窗墙比对建筑全年单位面积供冷、供暖以及平均能耗的影响,能耗计算流程图如图2。主要分为以下几步:

图2 能耗计算流程图

(1)生成模型。根据《建筑节能与可再生能源利用通用规范》设定围护结构参数,设置窗墙比允许变化范围;

(2)Ladybug下载大连气象参数;

(3)利用Honeybee的EnergyPlus运算器开始能耗的计算,EnergyPlus为建筑能耗模拟主流软件,具有高的准确性。该流程不仅可用于模拟不同窗墙面积比对于建筑能耗的影响,同时也可基于该流程更改不同的参数设置,研究其他参数对建筑能耗的影响规律。

2 模拟结果及分析

2.1 窗墙面积比对供冷能耗的影响

建筑能耗专指民用建筑(包括居住建筑和公共建筑)在使用过程中对能源的消耗,主要包括供暖、供冷、通风、照明等方面能耗,其中以供暖和供冷能耗为主[11]。窗墙比对建筑供冷能耗的影响如图3～6。从图中可见,窗墙比增大以及传热系数的减小均不利于供冷能耗的降低,主要原因在于,一方面,随着窗墙面积比增加,夏季太阳辐射通过窗户进入室内,构成太阳得热[12],窗墙比增加透过玻璃的太阳得热量增加,从而供冷能耗增加;另一方面,提高窗的保温性能,能减少室外向室内的传热量,但同时也抑制了室内热量向室外的散失,外窗关闭模式下,夏季供冷能耗随窗传热系数的减小而增大[13]。为了降低夏季建筑能耗,应该限制四个方向窗墙比大小,此外,夏季可适当开窗通风改善建筑热环境、降低供冷能耗。

图3 南向窗墙比对供冷能耗的影响

图4 东向窗墙比对供冷能耗的影响

图5 北向窗墙比对供冷能耗的影响

图6 西向窗墙比对供冷能耗的影响

2.2 窗墙面积比对供暖能耗的影响

南向窗墙比对建筑供暖能耗的影响情况如图7。在不同的传热系数下,供暖能耗均随着南向窗墙比增大而减小,传热系数越小,下降趋势越明显。原因在于,一方面,传热系数越小,抑制了室内热量向室外散失;另一方面,大连地区冬季晴天多,日照时间长,太阳入射角低,太阳辐射度大,南向窗户阳光射入深度大,可提高室内温度,降低供暖能耗[14],在供暖季南向窗墙比的设计是节约供暖能耗的关键环节。对于南向窗户,大的窗墙面积比有利于供暖能耗的降低。东、北及西向窗墙比对供暖能耗的影响分别为8～10。从图中可见,在传热系数相对较小时,供暖能耗随着东、西、北向窗墙面积比的增加而减小;在传热系数相对较大时,供暖能耗随着东、西、北向窗墙面积比的增加而增加。东、西向窗传热系数小于1.7W·(m2·K)-1,北向窗传热系数小于1.1W·(m2·K)-1,窗墙比可取较大值且有利于供暖能耗的降低。

图7 南向窗墙比对供暖能耗的影响

图8 东向窗墙比对供暖能耗的影响

图9 北向窗墙比对供暖能耗的影响

图10 西向窗墙比对供暖能耗的影响

2.3 窗墙比对建筑平均能耗的影响

建筑平均能耗指标是指公共建筑单位面积供冷、供暖与照明能耗[15]。《建筑节能和可再生能源利用通用规范》(GB 55015-2021)中指出:在标准工况下,寒冷地区(大连为寒冷A区)面积小于20 000m2的办公类新建建筑,其供冷、供暖与照明的平均能耗指标为39 kWh·(m2·a)-1,本小节也以39 kWh·(m2·a)-1作为平均能耗指标限值。图11为南向窗墙比对平均能耗的影响,由图可见,随着南向窗墙比增大,平均能耗整体呈上升趋势,但均未超过39 kWh·(m2·a)-1,当窗传热系数取值小于等于2.0 kWh·(m2·a)-1时,窗墙比可取较大值。图12～14分别为东向、西向窗墙比对平均能耗的影响,当传热系数小于2.0 kWh·(m2·a)-1时,窗墙比可大于0.7。图13为北向窗墙比对平均能耗的影响,平均能耗随着窗墙比的增加而显著增加,传热系数等于2.0 kWh·(m2·a)-1时,北向窗墙面积比需小于0.4,以满足能耗指标限值的要求。如果选择大的北向窗墙面积比,需显著减小玻璃的传热系数以达到节能的要求。

图11 南向窗墙比对平均能耗的影响

图12 东向窗墙比对平均能耗的影响

图13 北向窗墙比对平均能耗的影响

图14 西向窗墙比对平均能耗的影响

北向窗墙比对于平均能耗的影响最大,其次为东向、西向,南向的影响最小,如图11～14。从图3～10可见,增加南向的窗墙面积比,冬季供暖能耗减小、夏季供冷能耗增加,年平均能耗小幅增加。在第2部分研究中给出了进行热工性能权衡判断时透光围护结构传热系数的要求,当传热系数在上述范围内时,均可增加南向主采光窗的窗墙面积比,提高天然采光的同时平均能耗不会大幅增加。如果房间的主采光窗在东向或者西向,在满足规范要求的传热系数范围内,也可适当增加东、西向窗墙面积比。对于北向,过大的窗墙面积比将显著增加平均能耗,窗墙面积比不建议超过0.4,窗墙面积比在0.4～0.5之间时,透光围护结构的传热系数需小于1.4;窗墙面积比在0.5～0.6之间时,透光围护结构的传热系数需小于1.1;窗墙面积比大于0.6时,透光围护结构的传热系数需小于0.8。

3 结 语

本研究实践得出,采用的Ladybug Tools工具与其他能耗分析软件相比,Ladybug Tools拥有完整的分析优化系统,使得模型的修改和数据的分析可以完全并行,解决了建模软件和分析软件之间的交互问题,更加突出设计的流程,降低了软件操作难度,满足设计师进行建筑能耗模拟的各项需求。本文给出了基于Ladybug Tools工具的建筑能耗模拟流程,并基于该流程分析了大连地区不同朝向单一立面窗墙面积比对建筑单位面积供暖、供冷以及平均能耗的影响规律,该流程也可拓展应用于分析其他参数对于建筑能耗的影响。

本文的研究结果表明:(1)大连地区不同朝向单一立面窗户窗墙面积比增加,供冷能耗随窗墙比增大而则增大,供暖能耗的变化趋势则和窗户朝向有关,南向窗户窗墙面积比增大,供暖能耗则减小,东(西)向、北向窗墙面积比增大供暖能耗受窗户传热系数影响较大,东(西)向传热系数小于1.4时,供暖能耗随窗墙比增大呈下降趋势,且下降趋势较为明显;当北向透明维护结构传热系数小于1.1时,供暖能耗随窗墙面积比增大呈下降趋势,下降趋势较东(西)向小。(2)为了满足平均能耗指标的要求,对于南向窗户,在窗户传热系数小于2.0时,窗墙比可取最大值;对于东(西)向窗户,在窗户传热系数小于2.0时,窗墙面积比取值应小于0.7为佳,若窗墙比取值大于0.7,传热系数需小于1.7;对于北向窗户,在窗户传热系数小于2.0时,窗墙面积比取值不应大于0.4,若窗墙比取值需大于0.4,则窗传热系数需小于0.8为宜。