辦公建筑被動(dòng)式降溫設(shè)計(jì)策略探究

摘要：目的：本研究旨在探究寒冷地區(qū)辦公建筑的被動(dòng)式降溫設(shè)計(jì)策略，以西安市為例，深入分析窗墻比和建筑遮陽(yáng)對(duì)能耗的影響，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。方法：本研究采用文獻(xiàn)綜述和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法。首先，通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，了解辦公建筑節(jié)能設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。其次，根據(jù)西安市的氣候特點(diǎn)和辦公建筑的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)，以定量評(píng)估窗墻比和建筑遮陽(yáng)對(duì)能耗的影響。實(shí)驗(yàn)采用先進(jìn)的能耗模擬軟件和溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。結(jié)果：在寒冷地區(qū)，窗墻比增大雖然能使建筑的視野更加開(kāi)闊，提高外觀簡(jiǎn)潔度，但會(huì)導(dǎo)致窗體保溫隔熱性能較弱，給建筑節(jié)能帶來(lái)挑戰(zhàn)。相比之下，建筑遮陽(yáng)措施在降低能耗方面的影響更為顯著。合理的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)不僅可以有效降低夏季室內(nèi)溫度，還能保證冬季室內(nèi)光照充足。因此，設(shè)計(jì)辦公建筑應(yīng)充分考慮遮陽(yáng)措施的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)能耗降低和室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化的雙重目標(biāo)。結(jié)論：設(shè)計(jì)寒冷地區(qū)的辦公建筑，需要綜合考慮遮陽(yáng)與采光需求。通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)，在保證室內(nèi)舒適度的同時(shí)，顯著降低建筑能耗。此外，綠色建筑技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)推動(dòng)建筑行業(yè)節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。未來(lái)，應(yīng)繼續(xù)深入探究辦公建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)策略，為綠色建筑的發(fā)展提供更多的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：辦公建筑；降溫；能耗；窗墻比；遮陽(yáng)；西安

中圖分類(lèi)號(hào)：TU111.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2024）09-00-03

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的持續(xù)提升，建筑能耗已占我國(guó)社會(huì)總能耗的20%～30%，成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的關(guān)鍵因素［1］。其中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失占建筑總能耗的57%～77%［2］，因此優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)十分重要。近年來(lái)，綠色建筑憑借其環(huán)保和可持續(xù)的特性，為解決建筑能耗問(wèn)題提供了新的思路。在全球共同追求生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的背景下，大力發(fā)展綠色建筑已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

目前，關(guān)于辦公建筑節(jié)能改造的研究已相當(dāng)豐富。趙軍波等運(yùn)用正交試驗(yàn)法，深入研究了上海市辦公建筑的節(jié)能因素，結(jié)果顯示，外窗遮陽(yáng)系數(shù)和傳熱系數(shù)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及外墻傳熱系數(shù)對(duì)能耗的影響程度依次遞減［3］。這一發(fā)現(xiàn)為上海市辦公建筑的節(jié)能改造提供了重要參考。黃倞［4］等運(yùn)用先進(jìn)的DesignBuilder軟件，對(duì)某一具有代表性的辦公建筑進(jìn)行了全年能耗模擬分析。結(jié)果表明，在夏熱冬冷的氣候條件下，減小外窗的太陽(yáng)得熱系數(shù)，能夠顯著增強(qiáng)辦公建筑的節(jié)能效果。這一重要發(fā)現(xiàn)不僅為夏熱冬冷地區(qū)的建筑節(jié)能改造提供了科學(xué)依據(jù)，還進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了在外窗設(shè)計(jì)中精準(zhǔn)控制太陽(yáng)得熱系數(shù)的關(guān)鍵性，對(duì)推動(dòng)該地區(qū)的綠色建筑設(shè)計(jì)和可持續(xù)發(fā)展具有重要影響。

透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)在辦公建筑中有舉足輕重的地位，相關(guān)研究表明，建筑物高達(dá)50%的能耗是通過(guò)透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失的［5］。透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑室內(nèi)采光環(huán)境具有顯著影響，關(guān)系到照明能耗的多少。同時(shí)，透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱工性能較弱的部分，在辦公建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中必須充分權(quán)衡其得熱與保溫隔熱兩方面的性能。

1 建筑研究測(cè)試

1.1 研究方法

本次測(cè)試從兩方面入手：一是調(diào)整立面窗墻比，二是實(shí)施有效的建筑遮陽(yáng)措施。專項(xiàng)研究水平遮陽(yáng)對(duì)建筑降溫效果的影響，以期通過(guò)科學(xué)手段降低建筑能耗，提高室內(nèi)環(huán)境舒適度［6］。

本研究通過(guò)DesignBuilder平臺(tái)進(jìn)行建筑主要功能空間和外遮陽(yáng)建模，在不同窗地比和水平外遮陽(yáng)的情況下，對(duì)其在寒冷地區(qū)的能耗變化情況進(jìn)行模擬分析，力求揭示該大進(jìn)深開(kāi)放辦公建筑的窗墻比和水平外遮陽(yáng)等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)年各項(xiàng)能耗的影響規(guī)律。

1.2 既有建筑調(diào)研

本研究選擇陜西省西安市某大進(jìn)深開(kāi)放辦公建筑為案例（見(jiàn)圖1）。該建筑于20世紀(jì)90年代開(kāi)始建設(shè)，于2002年建成，南北朝向，共2層，層高3.48 m，建筑高度為9.07 m。建筑面積為807 m2，一層面積420.3 m2，二層為386.5 m2，窗墻面積比南向約0.8，北、東、西向約0.4。樓層間的布局保持一致，屋面則采用傳統(tǒng)的處理方法，設(shè)備配置、面積標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)布局等均滿足當(dāng)前使用要求。該辦公建筑為鋼混結(jié)構(gòu)。

1.3 外遮陽(yáng)改造

在建筑改造中，遮陽(yáng)作為直觀簡(jiǎn)便的節(jié)能措施至關(guān)重要?，F(xiàn)代商業(yè)建筑受多重因素影響，難以遵循傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。因此，如何通過(guò)合理的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)解決東西曬問(wèn)題，同時(shí)不影響商業(yè)效果，成為改造的核心問(wèn)題（見(jiàn)圖2）。

建筑外遮陽(yáng)在遮陽(yáng)隔熱、節(jié)能環(huán)保、調(diào)節(jié)光線、裝飾美化以及保護(hù)室內(nèi)物品等方面發(fā)揮著重要作用。同時(shí)，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮不同季節(jié)的能耗需求、光環(huán)境調(diào)節(jié)需求以及立面設(shè)計(jì)等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的效果。

1.3.1 水平遮陽(yáng)

水平遮陽(yáng)板置于窗上，遮擋上方陽(yáng)光，適用于朝南窗戶。它能遮擋高角度陽(yáng)光，優(yōu)化光環(huán)境，提升舒適度，節(jié)能降耗，美化建筑。

1.3.2 垂直遮陽(yáng)

垂直遮陽(yáng)即窗戶兩側(cè)設(shè)置遮光邊槽，以遮擋斜射陽(yáng)光，有效降低室內(nèi)光照強(qiáng)度，提升居住舒適度。

垂直遮陽(yáng)對(duì)南、北偏東及偏西朝向的窗戶尤為適用，這些方向的窗戶常受斜射陽(yáng)光影響。遮擋斜射陽(yáng)光，可有效降低室內(nèi)溫度，提升室內(nèi)舒適度，并減少眩光以保護(hù)隱私。但需要注意的是，垂直遮陽(yáng)可能無(wú)法完全遮擋高角度斜射陽(yáng)光，尤其是在日出日落時(shí)分。因此，在選擇垂直遮陽(yáng)方案時(shí)，可結(jié)合水平遮陽(yáng)，以獲得更好的遮陽(yáng)效果。

1.3.3 綜合遮陽(yáng)

綜合遮陽(yáng)是建筑外遮陽(yáng)的重要形式，結(jié)合了水平遮陽(yáng)與垂直遮陽(yáng)的優(yōu)點(diǎn)，能全方位遮擋陽(yáng)光。適用于東南、西南等復(fù)合朝向窗戶，須考慮朝向、地理、氣候和使用需求。設(shè)計(jì)應(yīng)與建筑風(fēng)格協(xié)調(diào)，平衡遮陽(yáng)與通風(fēng)采光需求，提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。

2 測(cè)試模擬內(nèi)容

2.1 建筑模型的建立

本實(shí)驗(yàn)在尊重基準(zhǔn)模型簡(jiǎn)化原則［7］的前提下，對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。模擬所采用的軟件是以EnergyPlus為內(nèi)核二次開(kāi)發(fā)的建筑模擬分析軟件DesignBuilder，提取該辦公建筑原型并建模。

2.2 建筑模型參數(shù)設(shè)置

以西安市典型氣象年的氣候數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建筑內(nèi)部模擬設(shè)置時(shí)暫不考慮熱水系統(tǒng)和內(nèi)部居住使用所產(chǎn)生的能耗，但在DesignBuilder中軟件設(shè)置要同時(shí)考慮供暖和供冷系統(tǒng)，建筑外窗屋頂?shù)绕渌獠繃o(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)現(xiàn)狀進(jìn)行模擬。本次僅研究窗墻比和水平外遮陽(yáng)對(duì)建筑能耗的影響。

2.3 環(huán)境參數(shù)設(shè)置

房間分區(qū)參數(shù)和時(shí)間表按照《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定設(shè)置，空調(diào)系統(tǒng)COP取4.8。按表1確定建筑的照明功率密度、設(shè)備功率密度、人員密度及散熱量、夏季和冬季的設(shè)定溫度，并按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置設(shè)備使用率、人員在室率、新風(fēng)運(yùn)行情況、供暖和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間［8］。

2.4 量化指標(biāo)

在能耗評(píng)價(jià)中，本文重點(diǎn)研究建筑運(yùn)行階段的狹義能耗，即常規(guī)使用下的能源消耗。通過(guò)深入分析照明、制冷和采暖能耗，了解建筑在不同使用場(chǎng)景下的能耗特點(diǎn)。同時(shí)，綜合考慮三者的總能耗，提供建筑整體能耗的宏觀視角。這種綜合性評(píng)價(jià)方法能更準(zhǔn)確地揭示建筑能耗特性，為節(jié)能設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)、全面的依據(jù)。

3 模型模擬能耗結(jié)果

通過(guò)DesignBuilder軟件模擬及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和圖表分析，從東向窗墻比0.2、南向窗墻比0.5分別優(yōu)化，在模擬實(shí)驗(yàn)中主要對(duì)各窗墻比下建筑的照明能耗、制冷能耗和采暖能耗進(jìn)行模擬，如圖3所示。

4 結(jié)論

根據(jù)圖表分析，調(diào)整窗墻比對(duì)建筑能耗的影響顯著。當(dāng)保持東向窗墻比不變，僅調(diào)整南向窗墻比時(shí)，制冷負(fù)荷顯著下降約5.75%，總建筑能耗也相應(yīng)降低約1%。相比之下，單獨(dú)調(diào)整東向窗墻比的效果并不明顯，制冷能耗和總能耗的降低幅度較小。當(dāng)同時(shí)調(diào)整東向和南向的窗墻比時(shí)，節(jié)能效果更為顯著。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)東向窗墻比設(shè)為0.1，南向窗墻比設(shè)為0.4時(shí)，制冷能耗降低至6%，總能耗降低約1.15%；而東向窗墻比設(shè)為0.1，南向窗墻比設(shè)為0.3時(shí)，制冷能耗降低約7%，總能耗降低約1.05%。這表明，綜合考慮不同方向的窗墻比調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)更有效的節(jié)能。

進(jìn)一步分析顯示，遮陽(yáng)設(shè)計(jì)在節(jié)能方面同樣具有重要作用。在南向安裝固定水平遮陽(yáng)板雖能大幅降低夏季空調(diào)負(fù)荷約30%，但會(huì)導(dǎo)致冬季采暖負(fù)荷上升，全年能耗并未實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性節(jié)約。因此，在遮陽(yáng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮全年能耗的均衡，而非僅關(guān)注某一季節(jié)的能耗變化。

降低建筑能耗，應(yīng)綜合考慮窗墻比和遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的協(xié)同作用。此外，針對(duì)不同功能空間對(duì)太陽(yáng)光線的不同需求，應(yīng)制定相應(yīng)的遮陽(yáng)策略。例如，在辦公建筑中，既要保證工作面的光照充足，又要防止夏季過(guò)熱現(xiàn)象的發(fā)生，因此需要在滿足采光需求的基礎(chǔ)上，采取適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)措施，以降低空調(diào)能耗，提高室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文探討了西安市辦公建筑中被動(dòng)式降溫設(shè)計(jì)策略的能效影響。研究發(fā)現(xiàn)，盡管增加窗墻比能優(yōu)化建筑視覺(jué)和外觀，但會(huì)對(duì)窗體的隔熱性能造成不利影響，為節(jié)能設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。相比之下，遮陽(yáng)設(shè)計(jì)對(duì)降低能耗具有顯著效果，合理的遮陽(yáng)措施不僅能降低夏季室內(nèi)溫度，而且能保證冬季光照充足，優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境。本文聚焦西安市的氣候條件，這可能限制策略在其他地區(qū)的適用性。因此，未來(lái)的研究應(yīng)進(jìn)一步探索不同氣候條件下的節(jié)能設(shè)計(jì)策略，以及如何在滿足采光需求的同時(shí)，通過(guò)科學(xué)的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)達(dá)到年度能耗的優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 劉梓健，廖智強(qiáng)，陳延超，等.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱橋傳熱及改善研究現(xiàn)狀［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2020（9）：52-57.

［2］ 戴紹斌，倪青榮，馬保國(guó)，等.自保溫體系外墻中柱熱橋影響區(qū)域分析［J］.建筑節(jié)能，2015（4）：49-53.

［3］ 趙軍波.基于DeST模擬的夏熱冬冷地區(qū)綠色公共建筑被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)研究［D］.成都：西南石油大學(xué)，2018．

［4］ 黃倞，劉士清，唐小虎，等.夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑外窗熱工性能及節(jié)能效果分析［J］.建筑節(jié)能，2019（6）：88-92.

［5］ 李迪萌.基于天然采光和建筑能耗的寒冷地區(qū)被動(dòng)房透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)研究：以山東建筑大學(xué)超低能耗教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓為例［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2022.

［6］ 宋碩.被動(dòng)房在多層辦公建筑上的可行性設(shè)計(jì)研究：以大連生態(tài)科技創(chuàng)新城為例［D］.大連：大連理工大學(xué)，2017.

［7］ 歐科敏.區(qū)域建筑群冷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)方法研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2014.

［8］ JGJ/T 449-2018.民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2018：39-42.

基金項(xiàng)目：本論文為2020年度國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“寒冷地區(qū)高大空間半透明光伏天窗光熱耦合平衡預(yù)測(cè)模型與優(yōu)化設(shè)計(jì)策略研究”成果，項(xiàng)目編號(hào)：52008325（科技部）

作者簡(jiǎn)介：裴福高 （1999—），男，研究方向：建筑技術(shù)與節(jié)能。