建筑族群超高建筑節(jié)能的研究與應(yīng)用

楊葉萌，程海峰，吳 軍

（1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué)設(shè)計研究總院，安徽 合肥 230601；3.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

在全球變暖的背景下，為營造良好的宜居環(huán)境，減少溫室效應(yīng)，國家提出要在2030年實現(xiàn)碳達峰，在2060年實現(xiàn)碳中和。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，如何減少建筑能耗逐漸成為行業(yè)研究重點。除使用清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)煤炭能源，建筑圍護結(jié)構(gòu)材料以及遮陽通風(fēng)，周邊環(huán)境對建筑能耗也會產(chǎn)生一定的影響。劉東升等[1]總結(jié)了適宜溫和地區(qū)公共建筑群的凈零能耗設(shè)計方法；路作龍等[2]就建筑群提出不同階段能源規(guī)劃方案，開展區(qū)域負荷預(yù)測分析并且剖析了負荷預(yù)測模型；楊柳等[3]針對建筑外表面換熱系數(shù)取定值及采用隨風(fēng)速和粗糙度變化的SimpleCombined算法計算2種情況，應(yīng)用EnergyPlus對建筑負荷進行了數(shù)值模擬和對比分析，得到不同類別、地區(qū)外表面換熱系數(shù)對建筑負荷預(yù)測的影響。趙福松等[4]研究得出玻璃幕墻的熱工性能和朝向均對建筑能耗產(chǎn)生一定的影響，設(shè)置雙層幕墻能耗減少21.1%，并且當(dāng)雙層幕墻設(shè)置在南向時能耗最小。楊旭冬等[5]使用DeST模擬通風(fēng)時段對酒店建筑能耗影響。龐博等[6]使用DesignBuilder針對高層建筑外墻材料進行能耗模擬，得到能耗最小的材料是聚氨酯板，能耗最大的材料是巖棉板。

DesignBuilder是一款針對建筑能耗動態(tài)模擬程序軟件，模擬類別涵蓋建筑采暖、制冷、照明、通風(fēng)、采光等，并且可以實現(xiàn)全能耗模擬分析和經(jīng)濟分析功能。Design－Builder功能強大，應(yīng)用廣泛，目前多用于建筑節(jié)能改造設(shè)計，武進雷等[7]使用DesignBuilder軟件對北京某5A寫字樓就復(fù)合冷熱源進行能耗模擬和經(jīng)濟型分析；胡攀[8]對使用DesignBuilder軟件對湖南某醫(yī)院進行了能耗模擬和節(jié)能改造。由于周邊建筑朝向?qū)ㄖ芎挠幸欢ǖ挠绊?，李奇瀚等[9]使用DesignBuilder軟件模擬分析得出在不同朝向不同窗墻比的面積對昆明某賓館年度能耗影響；喬正珺[10]研究了不同中庭平面布局和朝向?qū)Σ煌瑲夂騾^(qū)建筑全年冷熱負荷、全年冷熱能耗影響，但目前就周圍建筑朝向?qū)Τ邔咏ㄖ芎挠绊懙难芯可跎?。本文運用DesignBuilder軟件探究周圍建筑群不同朝向?qū)Τ邔咏ㄖ昴芎牡挠绊懀瑸橐院蟪邔咏ㄖ?jié)能設(shè)計以及再改造作為參考。

1 模型建立

1.1 理論模型建立

DesignBuilder是采用動態(tài)負荷理論和反應(yīng)系數(shù)法相結(jié)合的方法，實現(xiàn)能源分析的軟件，并使用導(dǎo)熱傳遞函數(shù)（CFTs）來計算反應(yīng)系數(shù)。導(dǎo)熱傳遞函數(shù)基本方程如下：

t時刻圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的傳熱量：

t時刻圍護結(jié)構(gòu)外表面的傳熱量：

式中：qki為內(nèi)表傳導(dǎo)熱量，kJ；qk0為外表傳導(dǎo)熱量，kJ；Xj為墻體外側(cè)CTF系數(shù)，j=0，1……nz；Yj為墻體CTF系數(shù)，j=0，1……nz；Zj為墻體外側(cè)CTF系數(shù)，j=0，1……nz；?j為熱流CTF系數(shù)，j=0，1……nz；T0為墻體外表面溫度，℃；Ti為墻體內(nèi)表面溫度，℃；δ為時間布長，s。

1.2 物理模型建立

模擬建筑地點在合肥，共44層，1層4.5 m，2層4.2 m，3~5層3.8 m，7~11層、13~21層4.5 m，23層4.2 m，24~33層、35~41層3.9 m，42、43層3.75 m，44層6.3 m，6、12、22、34層是設(shè)備層，高分別為2.1、4.2、4.5 m，建筑面積為85 290.66 m2。

使用DesignBuilder軟件，在建筑底圖基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)建立模型，見表1，房間功能、人員作息、設(shè)備照明、空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)見表2，得到的模型如圖1所示，再按以下步驟模擬運行。

表1 維護結(jié)構(gòu)材料及熱工參數(shù)

表2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

圖1 超高層建筑模型

（1）在距離超高層40 m東方放置一棟層高為100 m的外部建筑，進行全年能耗及單日負荷模擬運行。再將東邊的外部建筑移動到建筑西邊40 m處，進行模擬運行，重復(fù)以上操作完成南邊和北邊的外部建筑，進行全年能耗及單日負荷模擬計算，得到負荷計算書。

（2）依次在距離超高層40 m的東邊和西邊（下文簡稱東西）、西邊和南邊（下文簡稱西南）、南邊和北邊（下文簡稱南北）、東邊和北邊（下文簡稱東北）、南邊和北邊（下文簡稱南北）、東邊和西邊（下文簡稱東西）、東邊、西邊和南邊（下文簡稱東南西）、西邊、南邊和北邊（下文簡稱西南北）、東邊、南邊和北邊（下文簡稱東南北）放置100 m高的外部建筑，按照順序依次進行全年能耗及單日負荷模擬計算，得到負荷計算書。

1.3 邊界條件設(shè)立

合肥地處夏熱冬冷地區(qū)，且因超高層自身建筑特點，圍護結(jié)構(gòu)材料和參數(shù)的選擇以及窗墻比都會影響其負荷特性，維護結(jié)構(gòu)材料及熱工參數(shù)、不同朝向窗墻比見表1和表3，室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表2。

表3 不同朝向窗墻比

2 模擬結(jié)果與分析

本文模擬結(jié)果從不同朝向超高建筑全年能耗節(jié)能率以及最不利朝向夏季及冬季典型日，即以典型氣象年最熱月（或最冷月）中的溫度、日較差、濕度、太陽輻射照度的日平均值與該月平均值最接近的一日，此處選取2020年7月19日以及2020年1月19日，一天的負荷變化以及負荷變化平滑曲線，即每兩小時負荷差值連成的曲線進行分析。

2.1 周邊建筑方位對超高層全年累計運行負荷影響對比

在超高層不同朝向放置單個或多個周邊建筑時全年累計冷/熱負荷及節(jié)能率對比見表4。顯而易見，超高層周圍建筑越多，節(jié)能率越高，當(dāng)超高層周圍有3棟建筑時，冷負荷節(jié)能率高于3%的方位有東南西和西南北，分別為3.88%，3.01%，高于2%的方位有東南北，為2.54%。當(dāng)超高層周圍有2棟建筑時，節(jié)能率高于2%的方位有東西、西南和西北，分別2.25%，2.53%和2.25%，高于1%的方位有東南、東北和南北，分別為1.98%、1.70%和1.10%。當(dāng)超高層周圍只有1棟建筑時，節(jié)能率高于1%的方位有東，1%以下的有南、西和北，分別為0.64%、0.48%和0.46%。

表4 不同朝向周邊建筑對超高層負荷及節(jié)能率影響比較

當(dāng)超高層周圍有3棟建筑時，東南西、西南北、東南北熱負荷節(jié)能率均高于3%，分別為3.63%、3.05%和3.15%。當(dāng)超高層周圍有2棟建筑時，節(jié)能率高于2%的方位有東南和西南，分別2.51%和2.46%，高于1%的方位有東北、東西、南北和西北，分別為1.48%、1.39%、1.97%和1.39%。當(dāng)超高層周圍只有1棟建筑時，節(jié)能率高于1%的方位有東和南，分別為1.13%和1.43%，1%以下的有西和北，分別為0.54%、0.63%。

以上分析可以得出，在超高層周圍分別放置1、2、3棟建筑時冷負荷節(jié)能率最低的方位為北、南北、東南北，熱負荷節(jié)能率最低的方位為西、東西和西北、東南北，顯然北為最不利朝向。

2.2 最不利朝向夏季典型日負荷分析

夏季選取超高層建筑最不利朝向有建筑和無建筑時夏季典型日每小時冷負荷變化對比，如圖2所示，明顯，超高層建筑最不利朝向放置建筑與不放建筑單日負荷變化趨勢基本相同，早上7時太陽升起，超高層?xùn)|邊大面積接收太陽輻射故在7時至11時負荷持續(xù)上升，11時到13時，太陽接近最高點，超高層接收太陽輻射面積逐漸減小至最低，所以從11時起超高層負荷緩慢升高，12時后緩慢下降，下午13時后，隨超高層接收太陽光輻射面積增大，負荷隨之升高至最高點，17時后，太陽落山同時人員作息減少，故超高層負荷在2小時內(nèi)迅速下降。

圖2 夏季典型日每小時負荷變化對比

超高層建筑最不利朝向有建筑物時冷負荷每小時變化平滑曲線如圖3所示，負荷增長較大的時間段為7時至10時以及14時至15時，比較穩(wěn)定的時間段為10時至12時以及15時至17時，下降最多時間段12時至13時。一日的波動趨勢為上午、下午在上升至最高點出后開始下降再區(qū)域穩(wěn)定，不難得出超高層建筑每小時負荷變化隨太陽輻射到建筑面上的面積的變化影響較大。

圖3 夏季典型日每小時負荷變化平滑曲線

2.3 最不利朝向冬季典型日負荷分析

超高層最不利朝向有建筑和無建筑時冬季典型日熱負荷變化基本相同，如圖4所示，因辦公樓作息和冬季太陽升起時間較晚，8時、9時超高層熱負荷基本無波動，9時后隨太陽軌跡運動，上午超高層接收太陽光輻射面積逐漸減小至午時，下午接收面積開始逐漸增大，故建筑熱負荷在10時上升至最高點，之后逐漸下降直至14時，14時-19時負荷呈動態(tài)下降直至19時達到最低點。且從圖中可以看出，在冬季，超高層最不利朝向有無建筑負荷差最大的時間段在13時至14時，一天的負荷差隨時間變化為開口向下的拋物線。

圖4 冬季典型日每小時負荷變化對比

超高層最不利朝向有建筑物時熱負荷每小時變化平滑曲線如圖5所示，增長較大的時間段在7時到10時以及13時到15時，下降較多的時間段在10時至13時以及15至18時，在中午12時至13時負荷變化最小，一天的負荷增減變化為上午迅速上升中午開始減小至最低下午逐漸升高，升高至高點后波動下降。結(jié)合幾項數(shù)據(jù)對比分析，說明在冬季除了太陽輻射，建筑蓄熱和人員作息對超高層負荷影響也很大。

圖5 冬季典型日每小時負荷變化平滑曲線

3 工程應(yīng)用與分析

3.1 工程背景

奧福時代廣場位于中國安徽省合肥市，是一棟超100 m的甲一級辦公建筑，高度為182.4 m，共計44層，1至3層包含商業(yè)部分，6、12、22、34層是設(shè)備層，其余樓層均為辦公用，建筑面積為85 290.66 m2。建筑周圍廠房居多，東北方為合肥高鐵南站，西邊馬路之隔有工業(yè)廠區(qū)和一所醫(yī)院，東邊建筑為車管所和廠房。

3.2 工程應(yīng)用節(jié)能分析

奧福時代廣場設(shè)計計算能耗結(jié)果與模擬能耗結(jié)果對比如圖6所示，附近有建筑群能耗大大減低，且節(jié)能效果隨著超高層周邊建筑數(shù)量的增多呈正相關(guān)。當(dāng)超高層1個、2個或3個朝向有建筑時，東邊、西南以及東南西節(jié)能效率最佳，分別為0.98075、0.9725以及0.96295。

圖6 設(shè)計結(jié)果與模擬結(jié)果對比

4 結(jié)束語

通過DesignBuilder對超高層周圍有建筑群進行全年能耗模擬分析，得到最不利朝向，通過分析最不利朝向夏季、冬季典型日負荷變化以及對比設(shè)計結(jié)果與模擬結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）在超高層周圍分別放置1、2、3棟建筑時冷負荷節(jié)能率最低的方位為北、南北、東南北，分別為0.46%、1.10%、2.54%。熱負荷節(jié)能率最低的方位為西、東西和西北、東南北，分別為0.54%、1.39%、3.05%，得出北為最不利朝向。

（2）夏季典型日超高層每小時負荷在12：00時小幅降低但不影響整體增長趨勢，兩者差值最大的時間段在15：00-17：00，此時太陽輻射逐漸減少。冬季超高層每小時負荷在下午有小幅波動，但整體呈降低趨勢，兩者差值最小的時間段在上午8：00-10：00以及下午15：00-17：00，均為冬季一天中太陽輻射最小的時間段。

（3）夏季、冬季典型日每小時負荷變化平滑曲線在8：00-10：00增長，10：00-13：00下降，13：00-16：00增長，16：00后下降，說明超高層負荷受太陽輻射影響較大，在中午接收太陽輻射面積最小時，負荷增長量最小。

（4）奧福時代廣場辦公樓設(shè)計能耗與模擬能耗對比可知，附近有建筑群時能耗會大大降低。

本文通過依次在超高層周圍放置不同數(shù)量建筑進行能耗模擬，得出最不利朝向以及太陽輻射對其日負荷特性影響結(jié)果，最后對合肥奧福時代廣場進行工程應(yīng)用測算，得到結(jié)果顯示周圍有建筑群時超高建筑能耗會大大降低。本文結(jié)論對夏熱冬冷地區(qū)超高層辦公樓位置選址以及超高層建筑節(jié)能設(shè)計、改造具有重要參考作用。