基于光环境与节能的优化方案设计

丁娜 马小宝 柯德

【摘   要】   探讨合肥地区的教学建筑设计，运用PHPP软件模拟分析教学建筑冷负荷和热负荷，运用Ecotect软件模拟分析教学建筑的光舒适度，以此为基础，综合考虑教学建筑的光舒适度和节能效果，调整墙体厚度、屋顶厚度、地面厚度、窗户类型等设计参数，使建筑光环境与建筑能耗达到最优组合，为合肥地区的教学建筑设计提供参考。

【关键词】   节能;光舒适度;PHPP;教学建筑

Optimal Scheme Design Based on Light Environment and Energy Saving

Ding Na1，Ma Xiaobao2， Ke De3

（1. Hefei University， Hefei 230601， China;2.China Northeast Architectural Design & Research Institute Co.，Ltd.， Shenyang 110006， China;3. Hefei Warm Passivehause Consultation CO.，Ltd.， Hefei 230601， China ）

Abstract： To discuss the design of teaching buildings in Hefei， PHPP software is used to simulate and analyze the cooling load and heating load of teaching buildings， and Ecotect software is used to simulate and analyze the light comfort of teaching buildings. Based on the previous researches， the design parameters such as wall thickness， roof thickness， ground thickness and window type are adjusted to achieve the optimal combination of building light environment and building energy consumption by comprehensively considering the light comfort and energy saving effect of teaching buildings in Hefei， which provides a reference for the design of teaching buildings in Hefei.

Key words： energy saving; light comfort; PHPP; teaching buildings

〔中图分类号〕  TU2            〔文献标识码〕  A             〔文章编号〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

0     引言

随着城市化进程的不断加快，节能环保成为当前建筑发展的重要课题。如何在提高教室光环境舒适度的同时节约能源和保护环境，是当前教学建筑设计的焦点。设计师在方案初期通过调整建筑布局模式与体型系数等方式在创造空间趣味性的同时，减少可能产生的建筑能耗，在方案后期，设计师可以优化建筑设计参数，利用软件模型寻找最优的设计方案。其中外窗的设计参数对室内光环境有很大的影响，大面积的玻璃窗允许较多的光线进入室内，虽然提高了室内的视觉舒适度，但可能导致过多的热量增加或流失，从而增加建筑能耗。影响外窗性能的主要参数有窗户面积、玻璃材质和遮阳形式等。

本文探讨合肥地区的教学建筑，目的是在满足光环境要求的基础上，通过调整建筑墙体厚度、屋顶厚度、地面厚度、窗户类型等设计参数，尽量降低能耗，使建筑光环境与建筑能耗达到最优组合。

1     設计任务概述

拟在合肥市新站区淮海大道与大众路交口东南角，君山路以西，临涣路以北新建合肥市第九中学新校区，总用地面积214.35亩（142900平方米），地块呈矩形，用地现状为空地，内部西侧有一处池塘。区域市政基础设施基本齐备，建设条件基本成熟。本项目为合肥市第九中学的一栋教学建筑，方案设计见图1。

1.1   整体布局

整栋教学楼以院落为主题进行空间组织，教学区建筑分为普通教学区、公共教学区、实验楼区和风雨操场四个主要组成部分。本方案在南北向设置中心主轴，并且将主入口设置在西侧。普通教学区和实验区均采用单廊合院式布局，结合局部架空，创造出开放的内部空间。合院式的教学空间布局，即能独立使用，又紧密联系各教学用房之间的布置，底层架空区域更为建筑轴线两侧提供了良好的视觉景观。

中轴以东，在南边设置风雨操场，北边放置综合图书室。进一步降低了噪声给教学区和试验区带来的干扰，给教学和试验提供了一个安静舒适的内部环境。

1.2   底层架空与连廊

底层架空使得公共空间、绿化景观、内院相互融合、贯通，将自然景观较好地融入校园内部，建筑与建筑之间的连廊使师生在通行之时也能获得良好的视觉体验，创造出自然、开放的交流空间，如图2所示。

1.3   立面造型

建筑形体较为端庄，建筑细节部分处理精细。从建筑外立面的开窗形式，到建筑细部的肌理都延用到相同的建筑语言和母题。通过简单的形体和局部细节处理的对比，表现出一种较为简约内敛的建筑气质。

建筑装饰面主要采用偏灰色系建筑材料，如石材、灰砖等，整体色调偏深蓝灰，意在营造出一种清新淡雅、简约静谧的校园氛围。借用现代的建筑设计手法来表现传统校园的文化底蕴，从而实现现代建筑设计和传统校园的碰撞与结合，表达出校园的历史文化性和时代感，如图3所示。

在方案设计后期，通过Ecotect和PHPP专业软件的模拟计算，综合考虑建筑光环境与节约建筑整体能耗，对具体多个设计参数进行优化分析，以选择能耗最低的设计解决方案。

2     基于PHPP和Design PH的建筑整体能耗分析

通过专业软件模拟计算，实现对建筑整体负荷及能耗的综合把控和具体参数的优化分析。

（1）通过Design PH插件将Sketchup模型标记上热工特性，在3D建模环境下进行能耗平衡计算

通过模拟分析，获得建筑能效信息，并剔除性能不佳的设计方案，在规划及建筑设计初期阶段的优化，主要有以下几个方面：①规划布局上，尽量减少周边建筑和其他物体对本建筑的遮挡;②平面设计时，控制建筑体形系数，减少散热面，降低热负荷;③在建筑立面上，对各立面的窗墙比进行优化。

同时将模型中的对外热损失面积、使用面积、窗户面积以及遮阳数据采集并转化为可导入到PHPP中的格式，进行再设计调整和最终的确认。

（2）基于 PHPP的参数模拟分析

在 PHPP 计算过程中，对建筑热工及设备的各项参数（如高性能的保温材料选型和厚度、窗户的整体传热系数、外遮阳的遮阳系数和气密性等）进行优化，从而使建筑在技术和经济指标上都能达到最优，并通过有效的运算方法计算供暖需求及负荷、制冷需求及负荷、建筑一次性能源需求。PHPP界面如图4所示。

通过软件模拟调节外墙厚度，计算供暖负荷和制冷负荷的变化，数据显示，随着外墙厚度的增加，供暖负荷和制冷负荷逐渐降低，在外墙厚度达到250毫米以后，供暖负荷和制冷负荷降低量幅度下降，因此选择外墙厚度为250毫米。

通过软件模拟调节地面厚度，计算供暖负荷和制冷负荷的变化，数据显示，随着地面厚度的增加，供暖负荷和制冷负荷逐渐降低，但是在地面厚度增加到100毫米之后，供暖负荷和制冷负荷降低量幅度下降，因此选择地面厚度为100毫米。

通过软件模拟调节屋顶厚度，计算供暖负荷和制冷负荷的变化，数据显示，随着屋顶厚度下降，供暖负荷和制冷负荷需求下降，但是在屋顶厚度达到150毫米以后，供暖负荷和制冷负荷变化幅度下降，因此屋顶厚度选择为125毫米。

通过对比供暖、供冷负荷和供暖、制冷需求的变化，在考虑经济性的前提下选取最合适的外围护结构的保温层厚度。运用同样的方式模拟出外墙选择 250mm 厚石墨聚苯板、地面选择 100mm 厚挤塑聚苯板、屋顶选择 125mm 厚挤塑聚苯板。

3     基于Ecotect的光环境分析

3.1   天然采光和人工照明

分析室内平均采光系数和平均照度。调整建筑布局、窗墙比、高性能的保温材料厚度、窗户的整体传热系数（玻璃厚度 、空腔的厚度、稀有气体的选择、窗框的传热系数、玻璃透光率、玻璃得热系数）、外遮阳装置遮阳系数参数，分析方案参数变化给建筑光环境带来的影响。

3.2   光控照明节能与全自然采光百分比

通过 PHPP 模拟出最优的保温厚度后，在 Ecotect 中建模并设定选定好的外围护结构，同时选出几组不同窗户的类型 （ 玻璃厚度 、空腔的厚度、稀有气体的选择、窗框的传热系数、玻璃透光率、玻璃得热系数 ），通过 Ecotect 进行光环境模拟出的平均采光系数和照度均匀度等参数的对比选出最优的窗户类型。

玻璃类型是6Low-E+12Ar+6+12Ar+6LowE，具体选择5种不同的玻璃模拟，计算采光系数和光照均匀度。

经过模拟和比较，第3种玻璃光照均匀度最高，平均采光系数也最高，所以选择第3种窗户玻璃。如表1所示。

将使用每种类型的玻璃时每层的平均采光系数和平均光照度进行模拟计算，并进行比较。每层的平均采光系数如表2所示。从平均采光系数数值来看，第3种玻璃第1层、第3层平均采光系数数值最大。第1种玻璃在第2层、第4层平均采光系数数值最大，每层的平均光照度如表3所示。从平均光照度数值来看，第3种玻璃在第1层、第4层平均光照度数值最大。第1种玻璃在第2层、第4种玻璃在第3层平均光照度数值最大。

根据采光系数和照度均匀度选择最适合本项目的窗户类型是三玻两腔双 Low-E 中空充氩气 Low-E：单银 + 单银。

經过Ecotect软件模拟，建筑底层采光系数为2.8% - 62.8 %，高于教学建筑采光系数最低要求。平均采光系数9.00 %，可见节点8528个。

4     基于 PHPP 的能耗模拟对比分析

默认的设计参数值：外墙 100mm 厚 EPS、地面 100mm 厚 XPS、屋顶 100 厚 XPS、窗户 g 值 0.5、玻璃传热系数 0.8 W/（m2*k）、遮阳系数 0%。

经过优化设计和分析后，选定设计参数值：外墙 250mm 厚 EPS、地面 100mm 厚 XPS、屋顶 125mm 厚 XPS、窗户 g 值 0.51、玻璃传热系数 0.78 W/（m2*k）、遮阳系数 12%、外表面吸收率 0.6、外表面辐射系数 0.9。

经过模拟和设计重新选择参数值，和默认参数值相比可见，供暖负荷、制冷负荷和一次能源需求都下降了，如表4所示。

5     结论

通过专业软件模拟计算，得出不同外墙厚度、屋顶厚度和地面厚度所对应的建筑负荷，然后利用PHPP软件模拟出最优的保温厚度后，选择比较5种不同玻璃类型所对应的平均采光系数和平均光照度。综合考虑光环境和建筑节能，实现了建筑整体负荷及能耗的综合把控和具体参数的优化分析，提出了节能又经济的建筑设计解决方案。

建筑设计方案优化之后，建筑的供暖负荷、制冷负荷、一次能源需求和可再生一次能源需求均明显下降，与此同时，还可以使用其他技术路径，如高性能外墙保温系统、节能门窗系统、热回收新风系统、良好的气密性等来进一步提高节能效果。

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[收稿日期]   2021-03-24

[基金项目]   2020年度合肥学院科学研究发展基金重大项目（自然科学） （20ZR06ZDA）

[作者简介]   丁娜（1988- ），女，硕士，合肥学院城市建设与交通学院讲师，研究方向：建筑设计及其理论。