办公建筑被动式降温设计策略探究

摘要：目的：本研究旨在探究寒冷地区办公建筑的被动式降温设计策略，以西安市为例，深入分析窗墙比和建筑遮阳对能耗的影响，并提出相应的优化措施。方法：本研究采用文献综述和实验研究相结合的方法。首先，通过梳理国内外相关文献，了解办公建筑节能设计现状和发展趋势。其次，根据西安市的气候特点和办公建筑的实际情况，设计系列实验，以定量评估窗墙比和建筑遮阳对能耗的影响。实验采用先进的能耗模拟软件和温度监测设备，确保数据的准确性和可靠性。结果：在寒冷地区，窗墙比增大虽然能使建筑的视野更加开阔，提高外观简洁度，但会导致窗体保温隔热性能较弱，给建筑节能带来挑战。相比之下，建筑遮阳措施在降低能耗方面的影响更为显著。合理的遮阳设计不仅可以有效降低夏季室内温度，还能保证冬季室内光照充足。因此，设计办公建筑应充分考虑遮阳措施的应用，以实现能耗降低和室内环境优化的双重目标。结论：设计寒冷地区的办公建筑，需要综合考虑遮阳与采光需求。通过科学设计，在保证室内舒适度的同时，显著降低建筑能耗。此外，绿色建筑技术的发展和应用对推动建筑行业节能减排、实现可持续发展具有重要意义。未来，应继续深入探究办公建筑的节能设计策略，为绿色建筑的发展提供更多的理论支持和实践指导。

关键词：办公建筑；降温；能耗；窗墙比；遮阳；西安

中图分类号：TU111.4 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）09-00-03

0 引言

随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的持续提升，建筑能耗已占我国社会总能耗的20%～30%，成为实现节能减排目标的关键因素［1］。其中，建筑围护结构的传热损失占建筑总能耗的57%～77%［2］，因此优化围护结构十分重要。近年来，绿色建筑凭借其环保和可持续的特性，为解决建筑能耗问题提供了新的思路。在全球共同追求生态环境保护和可持续发展的背景下，大力发展绿色建筑已成为不可逆转的趋势。

目前，关于办公建筑节能改造的研究已相当丰富。赵军波等运用正交试验法，深入研究了上海市办公建筑的节能因素，结果显示，外窗遮阳系数和传热系数、屋面传热系数以及外墙传热系数对能耗的影响程度依次递减［3］。这一发现为上海市办公建筑的节能改造提供了重要参考。黄倞［4］等运用先进的DesignBuilder软件，对某一具有代表性的办公建筑进行了全年能耗模拟分析。结果表明，在夏热冬冷的气候条件下，减小外窗的太阳得热系数，能够显著增强办公建筑的节能效果。这一重要发现不仅为夏热冬冷地区的建筑节能改造提供了科学依据，还进一步强调了在外窗设计中精准控制太阳得热系数的关键性，对推动该地区的绿色建筑设计和可持续发展具有重要影响。

透明围护结构在办公建筑中有举足轻重的地位，相关研究表明，建筑物高达50%的能耗是通过透明围护结构损失的［5］。透明围护结构对建筑室内采光环境具有显著影响，关系到照明能耗的多少。同时，透明围护结构是建筑外围护结构中热工性能较弱的部分，在办公建筑设计过程中必须充分权衡其得热与保温隔热两方面的性能。

1 建筑研究测试

1.1 研究方法

本次测试从两方面入手：一是调整立面窗墙比，二是实施有效的建筑遮阳措施。专项研究水平遮阳对建筑降温效果的影响，以期通过科学手段降低建筑能耗，提高室内环境舒适度［6］。

本研究通过DesignBuilder平台进行建筑主要功能空间和外遮阳建模，在不同窗地比和水平外遮阳的情况下，对其在寒冷地区的能耗变化情况进行模拟分析，力求揭示该大进深开放办公建筑的窗墙比和水平外遮阳等关键设计参数对年各项能耗的影响规律。

1.2 既有建筑调研

本研究选择陕西省西安市某大进深开放办公建筑为案例（见图1）。该建筑于20世纪90年代开始建设，于2002年建成，南北朝向，共2层，层高3.48 m，建筑高度为9.07 m。建筑面积为807 m2，一层面积420.3 m2，二层为386.5 m2，窗墙面积比南向约0.8，北、东、西向约0.4。楼层间的布局保持一致，屋面则采用传统的处理方法，设备配置、面积标准、设计布局等均满足当前使用要求。该办公建筑为钢混结构。

1.3 外遮阳改造

在建筑改造中，遮阳作为直观简便的节能措施至关重要。现代商业建筑受多重因素影响，难以遵循传统设计原则。因此，如何通过合理的遮阳设计解决东西晒问题，同时不影响商业效果，成为改造的核心问题（见图2）。

建筑外遮阳在遮阳隔热、节能环保、调节光线、装饰美化以及保护室内物品等方面发挥着重要作用。同时，在设计和应用过程中，应综合考虑不同季节的能耗需求、光环境调节需求以及立面设计等因素，以实现最佳的效果。

1.3.1 水平遮阳

水平遮阳板置于窗上，遮挡上方阳光，适用于朝南窗户。它能遮挡高角度阳光，优化光环境，提升舒适度，节能降耗，美化建筑。

1.3.2 垂直遮阳

垂直遮阳即窗户两侧设置遮光边槽，以遮挡斜射阳光，有效降低室内光照强度，提升居住舒适度。

垂直遮阳对南、北偏东及偏西朝向的窗户尤为适用，这些方向的窗户常受斜射阳光影响。遮挡斜射阳光，可有效降低室内温度，提升室内舒适度，并减少眩光以保护隐私。但需要注意的是，垂直遮阳可能无法完全遮挡高角度斜射阳光，尤其是在日出日落时分。因此，在选择垂直遮阳方案时，可结合水平遮阳，以获得更好的遮阳效果。

1.3.3 综合遮阳

综合遮阳是建筑外遮阳的重要形式，结合了水平遮阳与垂直遮阳的优点，能全方位遮挡阳光。适用于东南、西南等复合朝向窗户，须考虑朝向、地理、气候和使用需求。设计应与建筑风格协调，平衡遮阳与通风采光需求，提供舒适的室内环境。

2 测试模拟内容

2.1 建筑模型的建立

本实验在尊重基准模型简化原则［7］的前提下，对模型进行了适当的简化处理。模拟所采用的软件是以EnergyPlus为内核二次开发的建筑模拟分析软件DesignBuilder，提取该办公建筑原型并建模。

2.2 建筑模型参数设置

以西安市典型气象年的气候数据为基础，建筑内部模拟设置时暂不考虑热水系统和内部居住使用所产生的能耗，但在DesignBuilder中软件设置要同时考虑供暖和供冷系统，建筑外窗屋顶等其他外部围护结构根据现状进行模拟。本次仅研究窗墙比和水平外遮阳对建筑能耗的影响。

2.3 环境参数设置

房间分区参数和时间表按照《民用建筑绿色性能计算标准》中的相关规定设置，空调系统COP取4.8。按表1确定建筑的照明功率密度、设备功率密度、人员密度及散热量、夏季和冬季的设定温度，并按照标准设置设备使用率、人员在室率、新风运行情况、供暖和空调系统运行时间［8］。

2.4 量化指标

在能耗评价中，本文重点研究建筑运行阶段的狭义能耗，即常规使用下的能源消耗。通过深入分析照明、制冷和采暖能耗，了解建筑在不同使用场景下的能耗特点。同时，综合考虑三者的总能耗，提供建筑整体能耗的宏观视角。这种综合性评价方法能更准确地揭示建筑能耗特性，为节能设计和优化提供科学、全面的依据。

3 模型模拟能耗结果

通过DesignBuilder软件模拟及对应的数据和图表分析，从东向窗墙比0.2、南向窗墙比0.5分别优化，在模拟实验中主要对各窗墙比下建筑的照明能耗、制冷能耗和采暖能耗进行模拟，如图3所示。

4 结论

根据图表分析，调整窗墙比对建筑能耗的影响显著。当保持东向窗墙比不变，仅调整南向窗墙比时，制冷负荷显著下降约5.75%，总建筑能耗也相应降低约1%。相比之下，单独调整东向窗墙比的效果并不明显，制冷能耗和总能耗的降低幅度较小。当同时调整东向和南向的窗墙比时，节能效果更为显著。具体来说，当东向窗墙比设为0.1，南向窗墙比设为0.4时，制冷能耗降低至6%，总能耗降低约1.15%；而东向窗墙比设为0.1，南向窗墙比设为0.3时，制冷能耗降低约7%，总能耗降低约1.05%。这表明，综合考虑不同方向的窗墙比调整，可以实现更有效的节能。

进一步分析显示，遮阳设计在节能方面同样具有重要作用。在南向安装固定水平遮阳板虽能大幅降低夏季空调负荷约30%，但会导致冬季采暖负荷上升，全年能耗并未实现实质性节约。因此，在遮阳设计时，应综合考虑全年能耗的均衡，而非仅关注某一季节的能耗变化。

降低建筑能耗，应综合考虑窗墙比和遮阳设计的协同作用。此外，针对不同功能空间对太阳光线的不同需求，应制定相应的遮阳策略。例如，在办公建筑中，既要保证工作面的光照充足，又要防止夏季过热现象的发生，因此需要在满足采光需求的基础上，采取适当的遮阳措施，以降低空调能耗，提高室内环境的热舒适度。

5 结语

本文探讨了西安市办公建筑中被动式降温设计策略的能效影响。研究发现，尽管增加窗墙比能优化建筑视觉和外观，但会对窗体的隔热性能造成不利影响，为节能设计带来挑战。相比之下，遮阳设计对降低能耗具有显著效果，合理的遮阳措施不仅能降低夏季室内温度，而且能保证冬季光照充足，优化室内环境。本文聚焦西安市的气候条件，这可能限制策略在其他地区的适用性。因此，未来的研究应进一步探索不同气候条件下的节能设计策略，以及如何在满足采光需求的同时，通过科学的遮阳设计达到年度能耗的优化。

参考文献：

［1］ 刘梓健，廖智强，陈延超，等.建筑围护结构热桥传热及改善研究现状［J］.建筑热能通风空调，2020（9）：52-57.

［2］ 戴绍斌，倪青荣，马保国，等.自保温体系外墙中柱热桥影响区域分析［J］.建筑节能，2015（4）：49-53.

［3］ 赵军波.基于DeST模拟的夏热冬冷地区绿色公共建筑被动式节能设计研究［D］.成都：西南石油大学，2018．

［4］ 黄倞，刘士清，唐小虎，等.夏热冬冷地区办公建筑外窗热工性能及节能效果分析［J］.建筑节能，2019（6）：88-92.

［5］ 李迪萌.基于天然采光和建筑能耗的寒冷地区被动房透明围护结构研究：以山东建筑大学超低能耗教学实验楼为例［D］.济南：山东建筑大学，2022.

［6］ 宋硕.被动房在多层办公建筑上的可行性设计研究：以大连生态科技创新城为例［D］.大连：大连理工大学，2017.

［7］ 欧科敏.区域建筑群冷热负荷预测方法研究［D］.长沙：湖南大学，2014.

［8］ JGJ/T 449-2018.民用建筑绿色性能计算标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2018：39-42.

基金项目：本论文为2020年度国家自然科学基金青年基金项目“寒冷地区高大空间半透明光伏天窗光热耦合平衡预测模型与优化设计策略研究”成果，项目编号：52008325（科技部）

作者简介：裴福高 （1999—），男，研究方向：建筑技术与节能。