寒冷地区高层办公楼立面开窗节能影响因子分析

张为祥,隋杰礼,冯立全,褚晓慧,鲁旭旻

(1. 烟台大学土木工程学院,山东 烟台264005;2. 烟台大学建筑学院,山东 烟台264005;3. 青岛动车小镇投资集团有限公司,山东 青岛266000)

据统计显示,寒冷地区的建筑耗能仅采暖就超过全国能耗平均水平27%,占到区域总能耗的30%～40%。寒冷地区建筑能耗73%～77%是通过围护体系损失的[1],而通过外窗造成的能量损失占到外围护结构的50%以上[2]。可见,要减少建筑能耗,建筑外窗设计成为节能关键中的关键。对于高层建筑,其标准层部分占据较大的设计面积和使用空间,其能耗对整个建筑能耗起着决定性的影响。

REINHART等[3]从建筑的实用性考虑,模拟真实条件评价建筑性能指标,结论表明窗墙比(Window-to-Wall Ratio, WWR)、窗高(Window Height, WH)、窗台高(Sill Height, SH)是最重要的一类设计参数。ALLAM等[4]借助主成分分析法分析了9个主成分对建筑性能的敏感程度,证实了WWR、WH、SH是对建筑性能最有影响力的一类。NIELSEN等[5]深入分析了这些设计参数对建筑性能指标的关系,如WWR、WH、SH与照明能耗呈反比关系,与其他性能指标呈正比关系。而国内,现有的文献侧重于窗户的窗墙比和窗户朝向这两个影响因素对建筑能耗的影响[6-10],将WWR、WH和SH三个影响因子同时研究及考察办公建筑各方位立面开窗位置和建筑能耗的关联性的文献较少。

1 研究目的与方法

以办公建筑全年的空调制冷(Annual Cooling, AC)、供暖(Annual Heating, AH)、照明(Annual Lighting, AL)及三者的综合能耗(Annual Totaling, AT)为观察点,依托Ladybug+Honeybee(LB+HB)模拟平台,探讨WWR、WH、SH与建筑能耗的关联关系,并用方差分析的方法比较各方位的WWR、WH、SH对AT的影响程度,发现和总结寒冷地区高层办公建筑标准层立面开窗能耗低减的设计策略和规律。

2 模型创建与模拟设置

2. 1 模型创建

2.1.1 属性描述 选取南北朝向的点式办公楼标准层作为模型,面积在1000 m2左右,框架核心筒结构,平面布局以核心体为中轴,“回型”分布8个12 m×9 m×4 m的办公单元(图1),记号为1—8。

图1 标准层平面布局Fig.1 Standard floor layout

基于标准层空间模型,任选一个办公单元为模拟对象,其围护结构由外墙、外窗、地板、顶板构成(图2)。

图2 办公单元模型Fig.2 Office unit model

2.1.2 影响因子设定 选取WWR、WH、SH为影响因子，其变化区间设置如表1。

表1 影响因子变化区间Tab.1 Impact factor change interval

2.2 模拟设置

2.2.1 室内环境荷载和采光设置 根据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》[11],办公建筑的系统工作时间设定为工作日的7:00—18:00,节假日停止运行。表2—6分别是办公建筑供暖空调、照明、新风、电气设备、人员在室的情况设定。根据GB/T 5699—2017《采光测量方法》[12],在距室内地面高0.75 m的工作面设置间隔2 m×2 m的采光测试点网,进行全年采光测算,室内照度以300 lx为标准值,低于300 lx时自动开启人工照明系统。

表2 供暖空调系统Tab.2 Heating and air conditioning system

表3 照明系统Tab.3 Lighting system

表4 新风系统Tab.4 Ventilation system

表5 电气设备系统Tab.5 Electrical equipment system

表6 人员在室Tab.6 Staff in the room

2.2.2 气象条件设置 根据烟台龙口(N37.37°,E120.19°)气象站实测数据,Ladybug读取该地区的全年逐时干球温度,并基于此对比全年逐时空调舒适温度,可以区分出空调的采暖期和制冷期(图3)。

图3 全年逐时气温与空调温度比较(1)干球温度数据源自Energyplus官网，https://energyplus.net/weather-location/asia_wmo_region_2/CHN//CHN_Shandong.Longkou.547530_CSWD。Fig.3 Hourly temperature and air-conditioning temperature comparison throughout the year

2.2.3 创建材质 研究模型围护结构用材及其材料物理参数如表7。

表7 围护结构构造及其热工参数Tab.7 Envelope structure and thermal parameters

2.2.4 HVAC系统设置 采用独立新风系统(DOAs)和多联机空调系统(VRFs)。

3 结果与分析

本文探究不同方位下WWR、WH和SH这3个影响因子的不同取值分别对AC、AH、AL以及AT的影响,进而获得有利于建筑节能的WWR、WH和SH的变量值。

3.1 不同方位WWR对建筑能耗的影响

为了比较不同方位下WWR对建筑能耗的影响,将SH值设定为0,窗宽设定为最大立面宽度。图4是不同方位的窗户随着WWR的不同取值,各能耗指标的变化情况。

图4 各方位不同WWR的建筑能耗情况Fig.4 Building energy consumption under different WWRs in each orientation

对于AC,不同方位随着WWR的变化西向和南向的能耗值差异不大,而南向和北向差异明显。究其原因是建筑的南向是向阳面,制冷期太阳辐射强度大且日照时间长,而建筑的北向与之相反;WWR从0.3到0.7,东向、南向、西向、北向的建筑AC分别增加了1.244、1.675、1.737、0.463 kW·h·m-2·a-1,这说明WWR与建筑AC正相关。随着WWR的增加,建筑方位的不同使得AC差异更加明显。

对于AH,WWR从0.3到0.7,AH在各方位都有所上升,东、西向的AH差异不大,分别增加了1.177 kW·h·m-2·a-1和0.898 kW·h·m-2·a-1;南、北向差异较大,分别增加了0.099 kW·h·m-2·a-1和2.088 kW·h·m-2·a-1。建筑的AH按大小排列依次为:北向>东(西)向>南向。在采暖期,北向立面受寒流影响显著,冷空气渗透量大且持续时间长,另一方面北面太阳辐射非常弱,这是导致开窗面积越大,AH越高的两个主要原因。

对于AL,WWR从0.3到0.7,建筑AL下降幅度大,依次为:南向>北向>东向>西向,分别降低了11.272、9.92、9.87、6.857 kW·h·m-2·a-1,这说明北半球的建筑南向为阳,相比于建筑的东(南)向,西(北)向天然采光不足,因此需要更多的人工照明。

对于AT建筑如图4按方位从高到低依次为:西向>北向>东向>南向。随着WWR的增大,建筑各方位的AT不断降低,从AT低减的角度出发,建筑各方位的最优WWR均为0.7。另外,WWR从0.3到0.7的节能效益差异明显:西向(节能3.72%)<北向(节能6.52%)<东向(节能6.63%)<南向(节能8.5%)。一味增大WWR必然会给照明需求带来明显改善,室内光环境质量提高,但忽视了北方办公建筑是采暖为主的建筑,尤其是空调供暖能耗。因此,建议北向WWR应取0.3～0.4,南向WWR应取0.4～0.6,东(西)向应取0.3～0.5。

3.2 不同方位WH对建筑能耗的影响

为了比较WH对建筑能耗的影响,我们将建筑各方位的WWR设定为0.3,SH设定为0。图5是不同方位的窗户随着WH的不同取值,各能耗指标的变化情况。

图5 各方位不同WH的建筑能耗情况Fig.5 Building energy consumption under different WHs in each orientation

对于AC,从高到低排列为西向>南向>东向>北向。WH从1.8 m到3 m,建筑各方位AC总体保持缓慢的下降态势,说明WH对AC影响不大。从节能数量来看,西、南、东、北4个方位分别减少了0.257、0.246、0.536、0.28 kW·h·m-2·a-1。WH越大,太阳光入射角越大,略微增加了建筑室内对太阳辐射的吸收。

对于AH,从高到低排列为北向>东向>西向>南向。WH从1.8 m到3 m,各建筑方位的AH变化不大,其中东(西)向AH比较接近,由于立面朝向的固有属性,南(北)向AH仍然保持明显差异。

对于AL,从高到低排列为西向>北向>东向>南向。WH从1.8 m到3 m, 建筑各方位AC均保持下降态势,我们认为WH的增加提高了采光的有效进深,进而扩大了室内有效采光面积,使得西、北、东、南4个方位分别减少了2.085、2.465、3.719、3.056 kW·h·m-2·a-1。

综上,从建筑AT模拟结果可以看出:建筑AT按建筑方位从高到低为:西向>北向>东向>南向。随着WH的增大,建筑各方位的AT不断降低。因此,从AT低减的角度出发,建筑各方位的WH均为3 m为宜。另外,WH从1.8 m增加到3 m的节能效益差异明显:东向(节能3.75%)>南向(节能2.92%)>北向(节能2.45%)>西向(节能2.19%)。WH对建筑的AH和AC影响有限,但对AL有更显著的影响。

3.3 不同方位SH对建筑能耗的影响

为了比较SH对建筑能耗的影响,将建筑各方位的WWR设定为0.3,WH设定为1.2 m。图6是不同方位的窗户随着SH的不同取值,各能耗指标的变化情况。

图6 各方位不同SH的建筑能耗情况Fig.6 Building energy consumption under different SHs in each orientation

对于AC,各方位的AC高低次序仍为西向>南向>东向>北向。与WH或WWR对建筑AC影响相比,SH从0.8 m到1.2 m,西向、南向、北向的AC保持下降趋势,但变化不大,仅东向SH在1 m处突然达到最低,是因为制冷期东向SH在1 m时,建筑室内太阳辐射得益率最小。另外,SH从0.8 m到1.2 m,西、南、东、北4个方位的AC分别减少了0.194、0.253、0.307、0.308 kW·h·m-2·a-1。

对于AH,从高到低排列为:北向>东向>西向>南向。SH从0.8 m到1.2 m,北向、南向、西向的AH变化不大,其中南(北)向AH仍差异明显。东向AH在SH为1 m时达到最低,我们认为采暖期东向SH在1 m时,建筑室内太阳辐射得益率最大。

对于AL,从高到低排列为西向>北向>东向>南向。SH从0.8 m到1.2 m, 建筑各方位AL总体保持下降态势,说明SH的增加,提高了室内采光区域面积,以此获得更多的有效采光照度(100 ～ 2000 lx),西、北、东、南4个方位分别减少了1.53、2.70、2.837、4.132 kW·h·m-2·a-1。

综上,从建筑AT模拟结果可以看出:建筑AT按建筑方位从高到低为西向>北向>东向>南向,这与WWR和WH对建筑能耗的影响规律一致。随着SH的增大,建筑各方位的AT总体不断降低。和WH一样,SH对AL影响显著,对建筑室内的空调能耗影响不大,但如果仅对东立面开口的SH有要求,强烈建议SH取1.0 m。从AT低减的角度出发,建筑各方位的SH均取1.2 m为宜。另外,SH从0.8 m到1.2 m的节能效益差异:南向(节能3.77%)>东向(节能2.64%)>北向(节能2.58%)>西向(节能1.56%)。

3.4 WWR、WH和SH对AT的影响程度

对计算结果加权处理分别考察WWR、WH、SH对AT的影响程度(图7)。我们发现各影响因子的取值对不同方位建筑的AT影响程度不同:WWRS> WWRN> WWRE> WWRW;WHE> WHS> WHN> WHW;SHS> SHE> SHN> SHW。

图7 WWR、WH和SH对AT的影响程度Fig.7 Influence degree of WWR, WH and SH on AT

4 结 论

(1)相比WH和SH而言,随着WWR的增大,对建筑物的AC和H影响较大;而随着WWR、WH和SH取值的增大,对AL均有显著影响。

(2)随着WWR、WH和SH取值的增加,高层办公楼标准层办公单元各方位的建筑AT出现了不同幅度的下降。影响因子的取值对不同方位建筑的AT影响程度不同:WWRS> WWRN> WWRE> WWRW;WHE> WHS> WHN> WHW;SHS> SHE> SHN> SHW。

(3)寒冷地区的高层办公楼标准层办公单元的建筑AT随着WWR、WH、SH的增加而减少,因此节能效益最大化的开窗策略是WWR、WH和SH的取值越大越好。

(4)相同WWR下不同方位对建筑能耗影响很大,寒冷地区的办公楼标准层西向和北向的建筑AT明显高于东向和南向,因此优先考虑东向和南向开窗;其次,对于开窗而言,WWR是影响建筑AT的主导因素,WWR在0.3～0.7的范围内,开窗最佳的方位次序为南向、东向、北向、西向。