基于节能潜力的办公建筑外窗设计优化策略——以郑州市主城区为例

韦 峰,郭亚婷

(郑州大学 建筑学院,河南 郑州 450001;郑州大学综合设计研究院有限公司,河南 郑州 450002)

办公建筑是建筑节能技术应用的对象之一,其节能策略贯穿建筑施工的整个生命周期,在减少建筑能耗、提升建筑节能方面更具有针对性和可操作性[1]。建筑外窗造成的能量损失占建筑总能量损失的30%～40%[2],通过改进办公建筑外窗的热工特性,可以取得显著的节能效果[3]。发掘办公建筑外窗节能潜力,提出针对办公建筑外窗设计的优化策略,是亟须解决的问题。

Jalali等[4]以伊朗某一办公建筑为研究对象,运用建筑性能模拟软件EnergyPlus和参数化编程软件Grasshopper等对建筑能耗和采光进行分析,实现了4个朝向窗墙比等设计参量的优化。Pilechiha等[5]以标准办公模型为研究对象,运用参数化编程软件Grasshopper及其插件Ladybug 、Honeybee和Octopus对建筑能耗进行分析,实现了窗户宽度、窗户高度以及窗户边缘距离立面边缘的距离等设计参量的优化。Hiyama等[6]以办公建筑为研究对象,运用DAYSIM和EnergyPlus结合响应面分析方法(RSM)对建筑能耗、采光以及耗电量进行分析,实现了窗墙比和窗户几何特性相关设计参量的优化。本文基于Grasshopper 参数化平台,以郑州市主城区多层办公建筑为例构建典型模型,针对外窗设计尺度参数、外窗设计性能参数、遮阳设计参数等3个层级,对11个影响建筑能耗的设计参量进行能耗模拟,为郑州市主城区的办公建筑外窗设计提供参考依据。

1 典型模型与标准模拟方法

采取分层随机取样的方式对郑州市中原区、二七区、惠济区、金水区以及管城回族区等5个区域进行随机抽样调研。选取郑州大学土木工程学院楼、郑州市机械研究所9号楼、河南工业大学食品添加剂应用技术研究所楼、国家税务总局郑州市税务局陇海路办公楼、郑州师范学院信息科学与技术学院楼和郑州师范学院生命科学学院楼等17个多层办公建筑[7]进行实地调研和参数信息统计。结合《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015—2021)以及防火疏散要求[8],确定建筑几何参数为:建筑朝向,南向;标准层面积,1 200 m2;建筑长宽比,41;建筑层高,3.9 m;建筑层数,6层;柱网尺寸,8.4 m×7.2 m;房间进深,7.2 m;内廊宽度,2.7 m;建筑空间布局,内廊式、交通盒北向两端+中间;建筑窗墙比,0.4;体形系数,0.19。根据以上参数绘制典型模型标准层平面图如图1所示。

图1 标准层平面图

在典型模型几何形体基础上,根据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015—2021)《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》(GB/T 7106—2008)等规范以及图纸信息与调研数据确定典型模型热工参数和运行参数。热工参数分别为:外墙传热系数Kw=0.55 W/(m·K);屋面传热系数Kr=0.4 W/(m·K);外窗传热系数U=2.7 W/(m·K);外窗气密性,6级;气象参数,epw气象文件。运行参数分别为:空调系统类型,理想空调系统;供暖期,当年11月15日至次年3月15日;制冷期,6月16日至9月30日;空调系统温度设定,夏季26 ℃、冬季20 ℃;空调运行时间,600—2000(供暖)、700—1800(制冷),节假日不进行温度控制;新风量,30 m3/(h·人);人员密度,办公10 m2/人;照明功率密度,8 w/m2;设备功率密度,15 w/m2;新风、人员、照明、设备时间表,工作日700—1900、节假日不开。

确定几何参数、热工参数、运行参数后,首先建立郑州地区多层办公建筑典型模型,并根据使用功能和参数,将典型模型分为空调热区和非空调热区等2个热工分区(见图2)。其次,应用Rhinoceros的图形算法编辑器Grasshopper进行参数化建模,并通过Ladybug和Honeybee完成模拟平台的搭建。通过在GH平台上安装的开源插件Ladybug Tools,模拟建筑能耗与光环境。使用EnergyPlus能耗模拟软件,得到典型模型建筑总能耗及各分项能耗的具体数据,将其作为建筑基准能耗值。通过控制变量法分别修改各设计变量参数,将修改参数后的能耗模拟结果与能耗基准值的差值除以能耗基准值,进而分析各要素的节能潜力。

图2 标准层热工分区图

2 确定设计参量

与窗户有关的参数包括窗墙比、窗台高度、窗口高度、窗户玻璃的种类。与不同玻璃种类有关的参数包括可见光透射率、太阳能总透过率以及玻璃传热系数等[9]。由于能耗计算单位是标准层,每个开间内窗户个数会对能耗产生影响,故将窗户中心线的距离也作为设计参量。由于窗户的开启扇会影响通风以及建筑空调设备的新风量,进而对建筑能耗产生影响,故进行变量估算时,加入窗户开启扇这一设计参量。除了窗户本身之外,还有一些附加的设计要素,如遮阳方式,会使太阳辐射得热量发生变化,影响夏季制冷量和冬季采暖量,进而影响建筑能耗。因此,将以上11个设计参量进行分类整理后,得到外窗设计尺度参数、外窗设计性能参数、遮阳设计参数等3个层级。根据相关规范分别对11个设计参量的基准值和变化步长进行设定。

2.1 外窗设计尺度参数

(1)窗墙比。根据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)[10]中对于窗墙比的规定以及郑州市的气候分区可以设定建筑4个立面的窗墙比变化范围均为 0～0.7,步长为0.1。(2)窗台高度。常见的窗台高度分别为0.9 m和0 m,根据结合模数的设置情况,窗台高度分别取0、0.3、0.6、0.9 m。(3)窗口高度。在建筑窗口宽度一定的情况下,窗口高度的改变会导致窗墙比改变,从而影响建筑能耗。根据参考案例并结合《建筑门窗洞口尺寸系列》(GBT 5824—2021)得出大部分室内开启空调的办公建筑窗口高度大于2.4 m,综合模拟建筑层高和设定的窗台高度(建筑梁高设置为0.6 m),得到窗口高度变化范围为2.4～3.3 m,即2.4、2.7、3、3.3 m[11]。(4)窗口中心线即为两个窗户竖向中心轴线的距离,表示每个面上窗户数量的多少,同时会影响立面的分割。若模型的房间开间为4.2 m,且窗口中心线距离为2.1 m,则该面有2个窗户。

2.2 外窗设计性能参数

(1)窗户开启扇。窗户开启扇以百分比的形式表示,窗户的形式设置为平开窗,变量的取值范围为0～0.5。(2)玻璃的关键性能包括可见光透射率、太阳能总透过率以及外窗传热系数等,结合《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)和《民用建筑热工设计规范》(GB 50176—2016)对于常见玻璃种类的关键性能参数进行整理,得出相关参数的取值范围,其中可见光透射比为0.4～0.9,步长取0.1;太阳能总透射比为0.4～0.9,步长取0.1;传热系数为1～6,步长取1。

2.3 遮阳设计参数

遮阳形式分为水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳等。遮阳板变化参数表示遮阳板深度,其变化范围均为0.2～1。

3 能耗模拟结果分析

计算节能优化设计后的建筑能耗值与基准建筑能耗值的差值,再将差值除以基准建筑能耗值,得到一个比值,即节能贡献率。可以用其表征节能潜力的大小,并绘制不同参量的全年单位面积能耗值折线图[12](见图3～图11)。

3.1 不同设计参量对能耗值的影响程度分析

由图3(a)可以看出,全年单位面积建筑制冷能耗、建筑总能耗及采暖能耗均随着窗墙比的增大而增加。由图3(b)的斜率可以看出,窗墙比对建筑采暖能耗的节能贡献率更大。

(a)不同窗墙比的能耗

(b)不同窗墙比的节能贡献率

由图4(a)可以看出,随着窗台高度的增加,单位面积平均建筑总能耗、制冷能耗及采暖能耗均存在轻微的波动。由图4(b)可以看出,窗台高度对于各项能耗节能贡献率不大。

(a)不同窗台高度的能耗

(b)不同窗台高度的节能贡献率

由图5(a)可以看出,随着窗口高度的增加,全年单位面积建筑总能耗和建筑制冷能耗以及采暖能耗均存在轻微的波动。由图5(b)可以看出,窗口高度对于各项能耗的节能贡献率不大。

(a)不同窗口高度的能耗

(b)不同窗口高度的节能贡献率

由图6(a)可以看出:随着窗口中心线距离的增加,建筑总能耗随之增加,制冷能耗先增加后减小再增加;采暖能耗随着窗口中心线距离的增加而减小;制冷能耗和总能耗变化趋势一致,窗口中心线距离对于制冷能耗的影响大于对采暖能耗的影响。由图6(b)的斜率可以看出,窗口中心线距离对建筑的采暖能耗节能贡献率较大。

(a)不同窗口中心线距离的能耗

(b)不同窗口中心线距离的节能贡献率

由图7(a)可以看出,随着窗户开启扇百分比的增加,单位面积平均建筑总能耗、制冷能耗都随之减小,采暖能耗随着窗户开启扇百分比的增加而增加,但能耗值变化很小,应该充分利用自然通风降低夏季制冷的能耗。由图7(b)中的斜率可以看出,窗户开启扇百分比对建筑的制冷能耗节能贡献率较大。

(a)不同窗户开启扇百分比的能耗

(b)不同窗户开启扇百分比的节能贡献率

由图8(a)可以看出,随着玻璃可见光透射比窗户开启扇百分比的增加,建筑总能耗、制冷能耗以及采暖能耗均无明显变化,玻璃可见光透射比的变化对于建筑的能耗影响不大。由图8(b)的斜率可以看出,玻璃可见光透射比对于各项能耗的节能贡献率不大。

(a)不同玻璃可见光透射比的能耗

(b)不同玻璃可见光透射比的节能贡献率

由图9(a)可以看出,随着玻璃太阳能总透射比的增加,建筑总能耗没有显著变化,制冷能耗先增大后减小再增大,采暖能耗先减小后增大再减小,且制冷能耗和总能耗走势趋于一致。由此可见,玻璃太阳能总透射比对于制冷能耗的影响大于采暖能耗。由图9(b)的斜率可以看出,玻璃太阳能总透射比对建筑的采暖能耗节能贡献率较大。

(a)不同玻璃太阳能总透射比的能耗

(b)不同玻璃太阳能总透射比的节能贡献率

由图10(a)可以看出,随着玻璃传热系数的增加,建筑总能耗和采暖能耗均增大,且走势一致。由此可见,玻璃太阳能总透射比对于采暖能耗的影响大于制冷能耗。由图10(b)的斜率可以看出,玻璃传热系数对建筑的采暖能耗节能贡献率较大。

(a)不同玻璃传热系数的能耗

(b)不同玻璃传热系数的节能贡献率

由图11可以看出,随着水平遮阳板、垂直遮阳板、综合遮阳板深度的增加,建筑总能耗、制冷能耗整体上都随之减小,采暖能耗随着水平遮阳板深度的增加而增加,但能耗值变化很小。因此,办公建筑外遮阳形式的节能潜力较小,无需优先考虑。

(a)不同水平遮阳板深度的能耗

(b)不同水平遮阳板深度的节能贡献率

(c)不同垂直遮阳板深度的能耗

(d)不同垂直遮阳板深度的节能贡献率

(e)不同综合遮阳板深度的能耗

(f)不同综合遮阳板深度的节能贡献率

3.2 不同设计层级和设计参量的能耗节能潜力分析

设计层级和设计参量的模拟分析如图12所示。由图12(a)可以看出:外窗设计尺度参数对于郑州市主城区多层办公建筑的总能耗影响最为显著,节能贡献率的变化范围为-9.22%～10.67%;外窗设计性能参数对于郑州市主城区多层办公建筑的采暖能耗影响最为显著,节能贡献率的变化范围为-76.37%～105.31%;外窗设计尺度参数对于郑州市主城区多层办公建筑的制冷能耗影响最为显著,节能贡献率的变化范围为-13.28%～18.22%。因此,将影响郑州市主城区多层办公建筑的总能耗的因素排序为外窗设计尺度参数>外窗设计性能参数>遮阳设计参数,采暖能耗影响方面排序为外窗设计性能参数>外窗设计尺度参数>遮阳设计参数,制冷能耗影响方面排序为外窗设计尺度参数>遮阳设计参数>外窗设计性能参数。

由图12(b)、图12(c)和图12(d)可以看出:窗墙比对郑州市主城区多层办公建筑的全年单位面积总能耗影响最为显著,在阈值变化范围内对建筑总能耗的节能贡献率为-8.85%～9.33%;玻璃传热系数对郑州市主城区多层办公建筑的全年单位面积采暖能耗影响最为显著,在阈值变化范围内对采暖能耗的节能贡献率的变化范围为-76.37%～59.99%;窗墙比对郑州市主城区多层办公建筑的全年单位面积制冷能耗影响最为显著,在阈值变化范围内对制冷能耗的节能贡献率变化范围为-11.74%～12.89%。窗墙比在减少全年能耗量方面和减少制冷量方面的节能潜力最大;玻璃传热系数在减少供暖量方面的节能潜力最大。

(a)3个设计层级能耗节能贡献率

(b)11个设计参量的全年单位面积总能耗节能贡献率

(c)11个设计参量的全年单位面积采暖能耗节能贡献率

(d)11个设计参量的全年单位面积制冷能耗节能贡献率

因此,应结合各设计参量的节能潜力,有侧重地设计郑州市主城区的多层办公建筑。在第一层级中,外窗设计尺度各参数中对全年总能耗值影响较大的依次是窗墙比、窗口中心线距离、窗户开启扇百分比。在选择合适的窗墙比之后,可以结合立面分隔窗户间距离以及窗户本身。在第二层级中,外窗设计性能各参数中对全年总能耗值影响最大的是玻璃传热系数。在选择玻璃材料时,应重点考虑玻璃传热系数。在第三层级中,遮阳设计各参数中对全年总能耗值影响相对较大的是综合遮阳板的深度,但该影响很小,如无特殊需求可以不加以考虑。

4 结论

通过控制变量法改变不同参数进行能耗模拟及数据分析,得到如下结论:首先,郑州市主城区多层办公建筑的外窗节能设计应在满足相关规范等基本条件下设置合适的窗墙比;其次,综合考虑节能和美学因素,选择合适的窗口中心线;最后,在选择玻璃种类时,优先考虑玻璃传热系数。