性能導(dǎo)向的設(shè)計初期能耗優(yōu)化方法研究

蔣璋

1 中國建筑科學(xué)研究院有限公司

2 國家建筑工程技術(shù)研究中心

3 北京市綠色建筑設(shè)計工程技術(shù)研究中心

建筑能耗模型是預(yù)測性能和比選設(shè)計方案的有效工具，研究表明，建筑能耗模擬可以幫助項目較參照建筑獲得40%以上的性能提升[1]。然而在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，大部分能耗模擬不是在設(shè)計早期階段開展的。通常能耗模擬由專門的能源工程師執(zhí)行，且在建筑師完成初步設(shè)計后。隨著計算機輔助設(shè)計方法、綠色建筑性能仿真技術(shù)、參數(shù)化設(shè)計方法和工具的快速發(fā)展，越來越多的學(xué)者和設(shè)計師利用計算機強大的計算能力，將性能導(dǎo)向的設(shè)計方法納入建筑設(shè)計的初期階段。

1 模型簡化方法

美國LEED 標準提出在方案設(shè)計結(jié)束前，開展初步的“簡易盒”能耗模型分析，確定能源使用目標，有助于制定能效高的策略，整合各個系統(tǒng)，降低初投資，提高建筑性能[2]。潘毅群等人提出實際建筑和系統(tǒng)是復(fù)雜、不確定和非線性的，因此不得不在建模過程中采用假設(shè)、簡化和近似等方法，才能獲得計算結(jié)果[3]。Marco 等人通過對比簡化模型模擬和詳細模型模擬之間的差異，證實了幾個研究案例的簡化模型模擬結(jié)果差異均控制在20%以內(nèi)，比傳統(tǒng)使用安全系數(shù)的方式，更利于獲得可行適用的信息[4]。詳細的模型簡化步驟和應(yīng)用條件歸納如下：

1）清除外部障礙

建筑物的相互遮擋對空調(diào)負荷會產(chǎn)生影響，因此能耗模擬分析時建筑物太陽輻射得熱部分必須考慮這一因素的影響[5]。應(yīng)保留對能耗模擬產(chǎn)生遮擋的障礙物，特別是在門窗上產(chǎn)生陰影投影的建筑物或構(gòu)筑物，清除其他的建筑物和外部元素。

2）簡化建筑分區(qū)

在初期建筑設(shè)計階段，建筑每個區(qū)域的功能、大小和空調(diào)形式都是不穩(wěn)定的，這一階段的能耗模擬應(yīng)盡可能少的定義分區(qū)。標準能耗分析模型的建筑分區(qū)簡化，可參考的因素包括：空調(diào)熱區(qū)和非空調(diào)熱區(qū)、使用功能、是否有相似的太陽輻射強度、內(nèi)區(qū)和外區(qū)和末端空調(diào)形式。而對于設(shè)計初期的項目，最可行的建模方法為單一熱區(qū)建模，即每個樓層由單個分區(qū)表示，此建模方法適用于項目自身的橫向?qū)Ρ?、尋?yōu)分析，可快速求得總負荷值。

3）簡化圍護結(jié)構(gòu)

簡化模型對圍護結(jié)構(gòu)的表面構(gòu)造類型進行識別后，可劃分為外墻、屋面、架空或外挑樓板、門窗、內(nèi)墻和室內(nèi)樓板六項。前三項是能耗模擬分析的重要優(yōu)化內(nèi)容，內(nèi)墻和室內(nèi)樓板不作為優(yōu)化內(nèi)容。

外墻的傳熱系數(shù)采用平均傳熱系數(shù)，考慮圍護結(jié)構(gòu)周邊混凝土梁、柱、剪力墻等“熱橋”的影響。

門窗的輸入方法可采用從數(shù)據(jù)庫選取或簡化輸入，簡化輸入的傳熱系數(shù)按下式（1）計算[6]：

式中：K 是幕墻單元、門窗的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ag是透光面板面積，m2；lg是透光面板邊緣長度，m；Kgc是透光面板中心的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；φ 是透光面板邊緣的線傳熱系數(shù)，W/(m·K)；Ap是非透光面板面積，m2；lp是非透光面板邊緣長度，m；Kpc是非透光面板中心的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；φp是非透過面板邊緣的線傳熱系數(shù)，W/ (m·K)；Af是框面積，m2；Kf是框的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

4）簡化透明表面

此簡化步驟旨在減少對整個建筑物的透明表面進行完全建模。簡化方法為對單個表面進行透明表面建模，并參考開窗高度，即每個表面輸入透明部分面積和高度兩個數(shù)據(jù)。實際項目中，每個樓層的外窗面積和位置可能都是不同的，可以采取求得建筑單一立面透明表面總面積后，平均分配到各個樓層的方式進行簡化。

5）輸入空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)可按照實際設(shè)計進行輸入，當具有多個空調(diào)系統(tǒng)形式時，建筑分區(qū)應(yīng)當與空調(diào)系統(tǒng)形式保持一致。

對于設(shè)計初期的項目，空調(diào)系統(tǒng)方案往往沒有確定，此時可只對建筑的全年累計耗熱量和耗冷量進行模擬計算，供暖和供冷的能耗量可按照綜合效率折算的方式求得[7]。本文中分析的案例采用這一方式計算建筑全年供暖供冷綜合能耗量。

6）模型組裝與檢查

完整的能耗模型由多個標準層組裝而成，通常至少包括三種標準層，即底層、中間層和樓頂層。當樓層的層高、表面的朝向、表面的幾何位置、表面的構(gòu)造和類型等發(fā)生變化時，則需要建立更多的標準層。

模型的檢查通常包括表面檢查、輸入條件檢查和輸出結(jié)果檢查。許多模擬軟件具備三維模型預(yù)覽功能，可以幫助工程師快速查看模型表面設(shè)置是否與設(shè)計一致。輸入條件和計算結(jié)果檢查都可以通過檢查輸出文件實現(xiàn)，包括檢查不同圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是否和項目一致、計算出的單位建筑面積負荷是否在合理范圍之內(nèi)等。

2 分析方法

2.1 采用軟件

ASHRAE140 標準是全世界建筑能耗模擬軟件進行自我程序檢查與準確性驗證的權(quán)威標準。目前國際上主流的建筑能耗模擬軟件如Energyplus、DOE-2、TRNSYS 等，均參與此項驗證工作，并獲得國際認證。本文能耗模擬計算軟件為以DOE-2 作為計算引擎的eQUEST。

2.2 設(shè)計參數(shù)變量

龔新智等人通過正交法和列表法以節(jié)能優(yōu)化為目標，總結(jié)出七類設(shè)計參數(shù)敏感性的優(yōu)先排序，包括外墻厚度、外墻保溫、屋面保溫厚度、窗戶朝向、窗墻比、玻璃類型、日光溫室深度寬度[8]。張時聰?shù)热送ㄟ^對64 棟超低能耗建筑的技術(shù)路徑研究，除了高性能外墻和外窗外，促進自然通風(fēng)和自然采光，設(shè)置外遮陽，都是減少空調(diào)負荷和照明負荷的有效途徑[9]。通過對朝向窗墻比、墻體傳熱系數(shù)、窗戶傳熱系數(shù)、窗戶太陽得熱系數(shù)（SHGC）、外區(qū)進深等參數(shù)變化對能耗影響的敏感性分析可知，敏感性最高的參數(shù)為窗墻比和窗戶太陽得熱系數(shù)（SHGC）[10]。

本文影響能耗優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)可歸納為周邊場地相鄰建筑遮擋和圍護結(jié)構(gòu)基本物理屬性，包括熱工性能，窗墻比和遮陽。

2.3 分析方法

節(jié)能正向優(yōu)化指預(yù)設(shè)擬評價的指標，在能耗模型中對預(yù)設(shè)指標后的建筑能耗進行計算，計算結(jié)果用于對預(yù)設(shè)指標進行評價，設(shè)計師可以根據(jù)評價結(jié)果對評價指標進行調(diào)整和再驗證，直到達到性能優(yōu)化目標，完成設(shè)計方案調(diào)整。本文采用正向優(yōu)化流程對案例進行節(jié)能優(yōu)化。

節(jié)能反向優(yōu)化指已獲得項目能耗的優(yōu)化結(jié)果目標，以單一或多個性能指標做為變量，使用計算機輔助設(shè)計方法，如遺傳算法工具，求解性能最優(yōu)的建筑方法。如《近零能耗建筑技術(shù)標準》GB/T 51350 中明確提出采用性能化設(shè)計方法，即以能效指標為約束性指標，不對圍護結(jié)構(gòu)、能源設(shè)備和系統(tǒng)等性能參數(shù)做強制要求[11]。

3 優(yōu)化分析

3.1 基準模型

本文以北京市懷柔區(qū)一辦公建筑為具體優(yōu)化案例，建立基準模型。項目總建筑面積1 萬m2,建筑高度勻為12.9 m。本項目在方案階段即開展以供暖空調(diào)能耗降低為目標的優(yōu)化分析，分析模型采用圍護結(jié)構(gòu)熱工性能按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》限值進行選取。

3.2 計算方法

供暖供冷綜合能耗量應(yīng)按下列公式計算：

式中：Ebld是建筑全年供暖供冷綜合能耗量，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建筑全年累計耗熱量，kWh；QC,bld是建筑全年累計耗冷量，kWh，DOE-2 采用傳遞函數(shù)法模擬計算建筑圍護結(jié)構(gòu)對室外天氣的時變相應(yīng)和內(nèi)部負荷，通過圍護結(jié)構(gòu)的熱傳遞所形成的逐時冷、熱負荷采用反應(yīng)系數(shù)法計算；Θ1是供暖系統(tǒng)綜合效率折算權(quán)重，寒冷地區(qū)取1.6；Θ2是供冷系統(tǒng)綜合效率折算權(quán)重，寒冷地區(qū)取2.5。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 遮擋對能耗影響分析

本工程南側(cè)水平距離25 m 擬規(guī)劃建設(shè)其他建筑物，建立無遮擋和不同建筑高度（勻=12.9 m）的模型，分析建筑物遮擋對建筑能耗的影響。圖1 結(jié)果表明：隨著南側(cè)建筑物高度的增加，本工程的冬季采暖熱負荷明顯增加，而夏季的空調(diào)冷負荷減少，綜合能耗出現(xiàn)增加。在建筑間距條件不變的條件下，南側(cè)遮擋建筑的高度宜控制在12.9 m 以下，隨著高度的進一步增加，建筑綜合能耗明顯增加。

圖1 遮擋對能耗指標影響分析

圖2 結(jié)果表明：東、西和北立面窗墻比增加導(dǎo)致綜合能耗的增加，北立面變化影響大于東立面和西立面。相反，南立面窗墻比增加導(dǎo)致綜合能耗的降低。南立面窗墻比的增加，在增加夏季空調(diào)冷負荷的同時，也使建筑在冬季可以獲得更多的太陽輻射，從而減少冬季采暖熱負荷。因為供暖系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率低于供冷系統(tǒng)，所以冬季采暖熱負荷低的方案，供暖空調(diào)的綜合能耗更低。

圖2 窗墻比對綜合能耗影響分析

圖3 結(jié)果表明：北立面窗戶太陽得熱系數(shù)變化對綜合能耗基本無影響，而綜合能耗隨東、西和南立面窗戶太陽得熱系數(shù)（SHGC）的增大而降低，南立面窗戶這一特征最為明顯。

圖3 太陽得熱系數(shù)對綜合能耗影響分析

3.3.2 考慮設(shè)置活動遮陽

活動遮陽供暖季遮陽系數(shù)SC 取0.8，供冷季遮陽系數(shù)SC 取0.4。南立面設(shè)置活動遮陽時綜合能耗降低-0.87%；東西立面設(shè)置活動遮陽時綜合能耗降低0.61%。北京地區(qū)在東西立面設(shè)置活動遮陽有利于綜合能耗降低。

圖4 結(jié)果表明：供暖空調(diào)綜合能耗隨窗戶傳熱系數(shù)的增加而遞增，南北朝向的影響大于東西朝向。不論哪個朝向，提高窗戶熱工性能，都是利于降低建筑能耗的。

圖4 窗戶傳熱系數(shù)對綜合能耗影響分析

圖5 結(jié)果表明：供暖空調(diào)綜合能耗隨外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增加而遞增，北立面外墻的影響大于東、西和南立面外墻，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對于綜合能耗的影響大于四個立面。需要注意的是，本項目樓層較低，屋面面積占建筑外表面比重較大，隨著樓層數(shù)增加，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對綜合能耗的影響會降低。不論外墻還是屋面，提高熱工性能，都是利于降低建筑能耗的。

圖5 外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對綜合能耗影響分析

4 結(jié)論

設(shè)計初期能耗模擬優(yōu)化可獲得較高的能耗性能提升。為解決能耗模擬工具和所需技術(shù)知識較復(fù)雜的問題，提出簡化模型方法和設(shè)計參數(shù)分析方法來進行能耗模擬，在保證足夠精度水平的條件下，為設(shè)計人員提供方案分析和決策的依據(jù)。

受不同氣候條件、周邊場地環(huán)境和建筑形體的影響，影響具體項目能耗指標的設(shè)計參數(shù)的敏感性是不同的。以北京地區(qū)為例，通過對朝向窗墻比、太陽得熱系數(shù)、窗戶傳熱系數(shù)、墻體和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等參數(shù)變化對綜合能耗影響的敏感性分析可知，本文分析案例各設(shè)計參數(shù)敏感性由高至低依次為窗戶太陽得熱系數(shù)、墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、窗戶傳熱系數(shù)和窗墻比。只有獲得了具體項目的不同設(shè)計參數(shù)的敏感性分析結(jié)果，才能幫助設(shè)計師確定同時滿足性能優(yōu)化和技術(shù)經(jīng)濟目標的優(yōu)化方案。