基于Design Builder模拟的郑州高层办公建筑能耗研究

河南财政金融学院,河南 郑州 451464

根据2018年度报告数据显示，全国建筑能耗总量达8.99亿t标准煤，占能源消费总量的20.6%，在高层办公建筑建筑上的能耗达到了总能耗的30%以上，我国高层办公建筑逐年新增建筑面积为20亿m2。公共建筑能耗占建筑全部能耗三分之一左右，而公共办公类型建筑占公共建筑总能耗的五分之一。郑州地区高层办公建筑夏天需要制冷，冬天需要采暖，能耗大，节能潜力巨大。郑州高层办公建筑夏冷冬暖，能耗高，节能潜力巨大[1]。目前，李宝峰[2]、李炳南[3]等学者对建筑透明外表皮和外墙被动式节能进行了研究。从整体上看，建筑节能设计的研究重点是外部防护结构的节能技术设计。目前理论在建筑前期规划方案设计上未雨绸缪，提前进行节能技术设计的研究较少，本文以郑州市典型高层办公类建筑做为研究对象，利用Design Builder软件建立典型模型，以平面形状、建筑表面宽深比、建筑高度、建筑形状系数等参数模拟办公建筑能耗。回归分析揭示了办公建筑能耗数值与不同设计变量之间的关系式，为郑州建设国家中心城市进行绿色节能设计提供参考和依据。

1 模拟方法

1.1 物理模型

本文主要是研究郑州高层办公建筑设计参数与建筑节能的关系，主要采用的方法是采用Design Builder软件进行建模，选取了郑东新区CBD商务内环1号的河南光彩大厦作为建筑物理模型光彩大厦一共20层，包括3层裙房和17层标准间，因设计先进、施工精准和用材考究获得鲁班奖。

本文主要是研究郑州高层办公建筑设计参数与建筑节能的关系，主要采用的方法是采用Design Builder软件进行建模，选取了郑东新区CBD商务内环1号的河南光彩大厦作为建筑物理模型光彩大厦一共20层，包括3层裙房和17层标准间，因设计先进、施工精准和用材考究获得鲁班奖。

根据实际调研，光彩大厦首层高度是6 m，第三层为4.5 m，其他标准层建筑高度为3.9 m，利用Design Builder软件来建立并命名为真实模型。第二步建立实验模型，将建筑平面和建筑外围护里面做了合理的简化，仅仅保留外围外墙，内部视为一个大盒子，不扣除非采暖的楼梯间面积。同时在软件中加入建筑高度、平面形状、面宽和进深等设计因素，命名为简化模型。将参数输入进去后，将真实模型能耗模拟结果和精简后的模型模拟结果进行比较，将结论绘制如表1所示。

表1 真实模型与精简模型能耗模拟结果对比分析Table 1 Comparison and analysis on the simulation results of energy consumption from the real model and simplified model

通过模拟实验结论来看，通过对建筑立面拉直处理，并将原本应该删除的楼梯间面积也考虑在内，从而增加了模型采暖建筑面积，简化模型能耗大于实际模型能耗，能耗随着建筑高度的增加，趋势是下降的。简化模型和实际模型能耗走势是相似的，由此可以得出结论，可以将简化模型作为研究办公建筑能耗与设计参数因素的基础。

1.2 模拟方法

采用Design Builder软件对高层办公建筑平面形式、开间与进深、高度、体型系数等不同设计变量与其整体建筑能耗之间的定量关系进行研究，分别进行了四个实验，模拟不同设计参数，分析各设计参数与能耗之间的关系。

2 主要设计参数和辅助参数

本文研究中除了考虑上述四个变量之外，还需要增加一个辅助变量，即高层办公建筑的类型，用以研究不同参数影响下不同类型高层办公建筑的能耗。高层办公建筑分为点式和条式两类，点式高层办公楼平面布置形式以楼电梯核心筒为中心，四周布置其他功能房间，是目前非常常见的一种功能布置方式；而长条形高层办公建筑大多数是中间设计走廊，两侧设置其他功能房间，建筑布局造型宛若长条形，属于应用较少的一种形式。笔者主要从郑州既有高层办公建筑中选取典型案例，并结合自己专业背景进行现场实地调研和勘察，整理归档。

3 模拟变量设置

进行模拟研究时，要根据每个单项研究内容不同，来确定单个研究项目中的主变量、辅助变量等设置情况。例如：研究平面形状时，平面形状为主变量，建筑类型、建筑高度、进深与面宽比和体形系数为辅助变量。可以确保模拟过程的准确性、全面性和客观性。其他以此类推（表2）。

表2 能耗模拟变量设置情况一览表Table 2 List of energy consumption simulation variables

4 模拟过程排序

合理的建筑平面布置是建筑设计的首要工作，故首先研究平面形状与能耗的关系。后面依次研究面宽与进深跟能耗的关系、高度与能耗的关系，最后研究体形系数与能耗的关系[4]。后期将研究成果绘制成变化曲线图，并采用软件分析不同设计参数对能耗影响的具体数值，得出定量结果。

4.1 不同参数下高层办公建筑能耗模拟

在前期方案设计阶段最大限度考虑到节能、环保、绿色、低碳设计理念，可以提前采取措施进行优化设计。在进行高层办公建筑设计中，将不同空间设计要素进行分解，考虑到节能因素进行模拟分析。接着是建筑体量包括面宽和进深两个方面，可以对应平面的长、宽等关系；而建筑高度则包括建筑层高和层数两个方面因素。故可以提取高层办公空间的四个要素：建筑平面形状、面宽和进深、建筑高度、体形系数，采用Design builder软件来模拟并输出结果。

4.2 办公建筑平面形状与节能关系

高层办公建筑受结构选型制约和消防要求，点式高层办公建筑较多采用长方形、椭圆形、等形状，根据不同地形和设计要求，进行空间设计。本文调研的郑州地区50栋高层建筑平面形状如表3所示。通过调查数据可以看出来，长方形的形状占比34%，属于应用最广泛的平面形式。

表3 高层办公建筑平面形状分布表Table 3 Distribution of plane shape of high-rise office building

下面针对不同的平面形状进行能耗模拟实验，用Design Builder软件从采暖能耗、制冷能耗和总能耗三个方面，来分析郑州高层办公建筑平面形状的影响，并将研究结果绘制如图1所示。

4.3 制冷能耗

图1 平面形状对高层办公建筑能耗的影响Fig.1 Influence of plane shape on energy consumption of point-type high-rise office building

针对郑州高层办公建筑不同平面形状的模拟分析，根据数据进行分析，平面形状长宽比为1的高层办公建筑总能耗数值最大，第二位的是矩形平面形状长宽比为1.3,第三位是长宽比是1.5，接着是椭圆形，最低的是圆形。矩形平面长宽比增加，能耗比随着降低，呈线性下降趋势。根据模拟结果可以得出结论：随着长宽比增加，采暖能耗不变，制冷能耗降低，总能耗降低。

4.4 建筑高度变化的能耗敏感性分析

建筑高度是由建筑层数和建筑层高两个因素决定的，本实验选择了建筑层数为主要变量，建筑层高为辅助变量进行研究。根据现场实地调研数据，郑州地区高层办公建筑主要层高在3.6～4.2 m之间，因此设定3.6 m、3.7 m、3.8 m、3.9 m、4.0 m、4.1 m、4.2 m七个层高变量，裙房统一设定为5.1 m，共3F，每三层设一个层数变量。根据模拟原则，建筑朝向采用上北下南朝向，矩形平面，建筑长度采用郑州光彩大厦的尺寸，建立模型数据如表所示，开窗尺寸均按照郑州光彩大厦的尺寸进行模拟。在建筑平面形式、体型系数一致，当建筑高度发生变化时，建筑层高变化对能耗增长接近线性。冬季气温寒冷，太阳辐射热量远远低于通过外窗流失的热量，随着建筑高度增加建筑通过外围护结构散热的热损失进一步加大，故建筑层高是总能耗和采暖能耗增加的主要原因。

其中：其中：Y—单位高层办公建筑能耗；X—高层办公建筑高度；A、B、C、R为不同设计参数为变量，当高层办公建筑的高度为x1时，假定其单位建筑能耗达到最低，定义为y1。得到公式（1）：

4.5 建筑平面长宽比系数能耗

矩形办公建筑包括长和宽两个方向的长度量度，假定建筑宽度不变，将长度增大，长宽比增加，根据图3 单位建筑能耗是逐步降低的。进深越大越节能。矩形平面的办公建筑节能效果优于正方形的办公建筑，故办公建筑平面长度大于平面宽度的建筑更节能[5]。因此确定建筑面积不变的前提下，对建筑平面长度和宽度与能耗关系进行如下论证。假定办公建筑面积为S1，那么办公建筑单层平面面积S 为S1/n，n-办公建筑的层数，x-办公建筑平面长度，y-办公建筑平面宽度。那么可以得出：

且x＞y。假定办公建筑平面的长宽比为z，则,那么可以得出：

根据上述公式，可以得出结论，假定高层办公建筑面积S不变，建筑能耗随着长宽比变化而变化，当建筑层数为N固定值时，可求出最低能耗对应的建筑长宽比Z的数值。办公建筑平面尺寸与能耗的关系曲线为指数减函数。建筑能耗随着长宽比z的增加而降低，且降低的幅度是从大到小，当建筑平面长宽比z高于0.8时，建筑能耗基本上不增加，反而有升高的趋势。当建筑长宽比z值的增加时，建筑能耗水平随着下降，当临界点超过0.8时，建筑能耗降低速度趋缓，基本上不再降低,反而增加了。导致这一变化的原因是随着平面长宽比增大，建筑体形系数也增加了，外围护结构热量损失进一步增加。以上数据均由郑州市高层办公建筑模拟得到的，误差可控，结论也具有可参考性。

图2 建筑平面长宽比系数对高层办公建筑能耗的影响Fig.2 Influence of building plane aspect ratio coefficient on energy consumption of high-rise office buildings

通过对不同建筑平面长宽比办公建筑的能耗研究，得出随着办公建筑宽度增加，能耗水平呈线性下降趋势，得出结论当办公建筑长度不变时，加大进深有利于降低建筑能耗，提高节能水平。

4.6 建筑体形系数能耗

建筑体形系数是衡量建筑节能水平高低的一个重要指标，通过建筑外围护结构流失的热量在建筑物整体能耗中占据较大比例。为了有较好的节能效果，建筑体形系数应该控制在合理范围内，使得通过围护结构散失的热量处于较低的程度。在上文中，通过对办公建筑平面形状与建筑能耗关系研究，得出等面积、等体积的高层点式办公建筑，采用长方形的能耗最低。进一步对不同平面形状的高层办公建筑体形系数与建筑能耗关系进一步数据分析，如表4所示。

表4 高层办公建筑体形系数与能耗分析表Table 4 Form coefficient and energy consumption analysis table of high-rise office building

通过表4数据进行分析，得出高层办公建筑体形系数与建筑能耗关系并不是线性增加或减少的关系，本实验中考虑建筑外窗对采暖和制冷能耗的影响，对于表中前三种平面的办公建筑，单位建筑能耗与体形系数成反比。重新对体形系数对建筑能耗影响进行模拟实验，得到如下模拟数据。

表5 不同窗墙比高层办公建筑能耗模拟分析表Table 5 Analysis of Energy consumption simulation on high-rise office buildings with different window-to-ground ratio

根据上述图表所列数据可以看出，扣除外窗影响，高层办公建筑能耗水平随着体形系数增加而增加。而考虑外窗因素时候，却看到不同结果。在节能设计时，不要片面考虑形体造型因素，要考虑外窗的自身热工性能、获得太阳能热辐射高低、外窗遮阳系数等因素[6]。

5 结论

本文通过对郑州地区高层办公建筑实验数据进行分析研究，从而得出：

1）通过分析研究不同平面形状的高层办公建筑，得出长方形的高层办公建筑是最有利于节能的平面形式。因此在建筑设计前期，为了取得较好的保温节能效果，建筑平面应该尽可能规整和简洁；

2）通过对不同高度的高层办公建筑研究，发现层高和建筑能耗成线性关系，随着层高的增大，能耗增加；建筑层高变化对能耗增长接近线性，并得出建筑高度与能耗关系的一元方程式；

3）通过对高层办公建筑平面长宽比研究，得出随着办公建筑宽度增加，能耗水平呈线性下降趋势，得出结论当办公建筑长度不变时，加大进深有利于降低建筑能耗，提高节能水平。在进行建筑节能设计时，优先考虑建筑高度权重，其次是考虑建筑平面长宽比系数；

4）通过对高层办公建筑体形系数研究，得出：不考虑建筑外窗面积时，建筑体形系数与建筑能耗呈线性关系；当考虑建筑外窗面积时，建筑能耗随着体形系数增加先减少后增大。因此我们研究要综合太阳能辐射、窗墙比参数、建筑自身围护结构状况、外窗遮阳系数等统一综合考虑。

对于郑州高层办公建筑节能研究，是一个具体而具有重要参考意义的课题项目，本文重点侧重研究基于Design Builder软件，对调研对象进行数据模拟整理，重构模型，得出结论，以期对郑州中心城市建设发展提供理论基础和数据支撑。