基于太阳能利用的住宅节能性能化设计研究*

赵 龙 赵 薇 姚 慧 陈景衡 张东峰 武玉艳

(1.西安建筑科技大学设计研究总院有限公司, 西安 710055; 2.西安建筑科技大学建筑学院, 西安 710055)

我国于2020年9月明确提出“碳达峰”“碳中和”的具体目标,文献[1]基于30个省份2004—2011年的面板数据分析,建立中国区域建筑业碳排放测算模型,得出全国53．3%的省份处于碳排放的弱脱钩状态,26．7%的省份处于扩张负脱钩状态,20%的省份处于增长连接状态,尚未出现强脱钩的情况。说明在建筑行业内,节能减排工作还有较大推进空间。

在国家“碳达峰、碳中和”的宏伟规划下,建筑行业的低碳、低能耗发展将成为趋势。能源绿色化对碳排放强度及总量下降具有最重要的作用[2]。在建筑中利用可再生能源替代化石类能源是降低建筑能耗,进而实现降低建筑碳排放的重要途径之一。可再生能源在建筑中的合理应用,需要建筑师整合建筑热工、绿色建筑、建筑设备等多领域、多专业的理念,实现多学科、多技术交织协同,在建筑方案初始阶段综合政策法规、市场机制、工程实践等多元要素,在确保技术有效、可靠的前提下,实现项目落成运行。

太阳辐射是地球上全部能量的根源,也是可再生能源的重要组成部分,利用太阳能降低建筑能耗十分重要。针对建筑太阳能利用的相关研究较多,刘加平等基于陕北黄土高原地区传统窑洞民居的特征和丰富的太阳辐射资源条件,提出零辅助采暖能耗窑居太阳房[3];李恩等对拉萨市附加阳光间式住宅展开研究,得出阳光间对拉萨住宅的能耗影响明显,并得出其最佳设计尺度[4];石利军等对太阳能富集地区建筑体形系数展开研究,在考虑南向得热构件的前提下,得出了太阳辐射影响下等效体形系数[5];王苏颖等从窗户太阳得热对能耗的影响入手,得出合理利用南向外窗得热,在一定情况下有利于节约采暖能耗的结论[6];王婷婷等提出集热蓄热屋顶式太阳房,以取代普通屋顶构造,并建立了该集热蓄热屋顶式太阳房物理及数学模型[7];金虹等针对围护结构节能性能的敏感性进行分析,得出影响节能设计的主要围护结构部位及敏感程度差异[8]。

通过梳理相关研究,可知现有研究在多、低层住宅类型中已取得较多成果,对建筑的局部构件性能的研究较为完整。但是,我国城镇居住建筑的主要类型为高层集中式住宅,其设计建造流程高度标准化,利用太阳能的方式单一,对建筑师开创性地应用某一新型技术的接受程度不够高,而高层住宅年均建设量大,单体建筑少量的能耗降低即可取得明显的节能减排收益。因此,如何实现在高层住宅中操作设计要素,从而实现建筑师对能耗水平的控制,如何在城镇住宅中实现太阳能的合理应用,均是亟待研究的问题。

研究挑选青海省西宁市作为研究落点,通过软件建立能耗研究模型,开展节能设计性能化研究。通过分析各建筑能耗敏感因子对能耗影响的强烈程度,优化各因子的组合方式,定量分析太阳能补偿采暖能耗的潜力,探索节能性能化设计方法,作为可再生能源在建筑中有效利用的途径之一,为建筑节能设计提供新思路。

1 研究对象及研究模型的建立

1.1 研究对象概述

1.1.1西宁地区城镇居住建筑概况

经调研,收集西宁地区建成、在售的户型100余套,按照两室户、三室户、四室户的原则进行分类。以四室户为例,整理户型的基本数据有:东西向总尺寸,起居室进深,南、北向窗墙比,有无北向阳台,南向开间数量等,形成表格(表1)。

表1 四室户典型户型布局数据统计Table 1 Statistics of layout data of typical four-room households

由表1可知,收集到的30个平面中,其户型布局的数据均值为:东西向的尺寸13.1 m,南、北向窗墙比0.35、0.22,起居室进深11.7 m。北向设置阳台的比例占到样本量的67%,南向布置三、四开间的比例占到样本量的70%。符合上述条件的户型平面可作为典型代表,分析其能耗情况可代表大部分同类型建筑的能耗水平。

1.1.2研究对象

西宁碧桂园项目位于青海省西宁市城北区湖海大道旁,其中17号楼为18层、层高2.9 m的住宅建筑,正南朝向。基本布局为四室两厅,南向四开间布置三间卧室、一间起居室。起居室南、北向均设置封闭阳台,起居室进深约为10 m;北向布置书房一间,卫生间与厨房也布置于北向,其平面布置见图1,围护结构构造及热工参数见表2。其户型布局符合西宁地区四室户的典型特点,因此选取该楼作为研究对象。

图1 西宁碧桂园17号楼平面 mmFig.1 Plan of building No.17 in Country Garden, Xining

表2 西宁碧桂园围护结构构造做法及热工参数Table 2 Construction method and thermal parameters of enclosure structure of Country Garden, Xining

1.2 研究模型的气象及室内热环境参数

使用DesignBuilder进行能耗模拟,需对热工模型进行室外气象参数与室内热环境参数设置。采用JGJ/T 346—2014《建筑节能气象参数标准》作为数据来源,保证计算结果贴近实践。经分析,西宁地区采暖季月均总辐射量最小值超过115 W/m2(12月),最大值超过188 W/m2(3月);夏季最热月平均气温不足20 ℃,最冷月平均气温约为-6 ℃,可知西宁地区住宅能耗主要为冬季采暖能耗,且供暖期太阳辐射较强,夏季基本无空调能耗,因此研究主要针对采暖能耗展开。主要功能房间的室内温度设定见表3;设定能耗模拟时的换气次数为0.5次/h;人员在室率依据JGJ26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中条文4.3.6规定设置;集中供暖系统的锅炉效率取0.85。

表3 普通住宅温度参数设置Table 3 Temperature parameter setting of normal residential

2 多因子影响下的能耗模拟结果

2.1 建筑能耗敏感因子的选取及取值

与能耗相关的建筑设计因子可以归结为平面设计、立面设计与构造设计。因子的选取应符合以下几个特点:1)建筑师可控;2)对能耗影响直接且明显。根据文献[5-6,8-9]梳理总结,结合西宁地区住宅建筑特点,取建筑朝向、南向阳台进深、北向阳台进深、南向立面窗墙比、外墙传热系数、外窗太阳得热系数SHGC(传热系数K值)共6个参数,作为能耗敏感因子。每个影响因子分别取值5次,即形成6因子、5水平的模拟试验数据组。敏感因子及取值详见表4。

表4 敏感因子取值范围Table 4 Value range of sensitivity factor

2.2 正交试验

正交试验是研究多因素多水平的一种简化试验方法,它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,这些有代表性的点具备了“均匀分散,齐整可比”的特点,在简化试验模拟次数的同时保证试验结果的代表性与准确性。每个敏感因子即代表1个因素,每个因素的某1个值即1个水平。因此,可以采用正交试验中的6因素5水平的标准型表格L25(56),将能耗模拟次数降低为25次。利用SPSS软件生成正交试验表简化试验,正交试验表及模拟结果详见表5。

表5 采暖能耗多因素L25(56)正交组合方式及结果Table 5 Multi-factor L25 (56) orthogonal combination mode and results of heating energy consumption

2.3 多因子影响下的能耗模拟结果

为验证模拟结果的有效性,对西宁碧桂园17、18号楼全年能耗进行实测。供暖能耗实测值为9.38 Nm3/(m2·a),此时供暖能耗模拟值为8.91 Nm3/(m2·a),偏差值约5%,模拟结果可信度较高,可用于分析研究。

根据表5数据统计,进行极差计算,计算结果见表6,表中-kij表示第j列的因素取水平i时,所得试验结果的平均值,-kij= 1/skij,其中s为第j列水平为i的因素出现的次数,-kij为第j列水平为i的因素的试验结果之和;Rj为第j列的极差[10]。计算结果越大,说明该因子对能耗的影响越明显。试验结果表明,外窗太阳得热系数对能耗影响最强烈,其次为建筑朝向,外墙传热系数,南向窗墙比,南、北向阳台进深。

表6 单位采暖能耗多因素组合试验极差计算结果Table 6 Calculation results of range of multi-factor combination test for unit heating energy consumption

表7 能耗多因素敏感分析结果Table 7 Multi-factor sensitivity analysis results of energy consumption

取模拟能耗最低的三组算例,以式(1)[11]求敏感值IC的均值,进行敏感性分析。

(1)

式中:OP为建筑的模拟输出参数结果,即采暖能耗;OPbc为基准建筑的模拟输出参数结果;IP为建筑的模拟输入参数值;IPbc为基准建筑的模拟输入参数值。

IC值越大,说明对最终计算值影响程度越剧烈。外窗SHGC、外墙传热系数、朝向的IC值较高,远超窗墙比与南、北向阳台进深。

对比算例3与算例25,外墙传热系数取节能标准限值0.4的情况下,能耗值由7.1 kgce/(m2·a)下降到4.8 kgce/(m2·a),降幅达29%;算例25对比GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》与JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》的能耗参考值分别下降52.1%和40.4%,说明在方案阶段通过建筑设计被动节能的潜力明显。分析模拟结论,可以得出:

1)从敏感因子组合情况看,不同组合的能耗水平存在明显差异,通过不断修正敏感因子的取值搭配,能逐步降低建筑能耗,因而存在经敏感因子—设计方案—能耗水平再反馈至敏感因子修正方案的循环验证过程。

2)从能耗水平看,外窗SHGC值与外墙K值对能耗影响强度基本相当,高于窗墙比及建筑朝向,远大于平面进深尺寸变化。说明受太阳辐射影响,得热性能优越的高透光玻璃与良好的外墙隔热性能对节能的效果同样明显。因而存在调节能耗最敏感因子影响建筑平面、立面“性能化”设计的可能性。

3)在接受太阳辐射的南立面宽度不变的前提下,少量改变进深尺寸对能耗影响相对较弱。研究表明[9,12]:住宅进深在10～12.5 m之间时,建筑冷热需求与面宽进深比呈明显的线性关系,过大或过小均不利于节能,因而大面宽小进深的布局模式更利于太阳辐射直接得热利用。

3 基于太阳能利用的住宅节能性能化设计研究

3.1 基于太阳能利用的住宅节能性能化设计流程

我国的传统民居在漫长的发展过程中形成了独特的生态智慧,发展出顺应气候的各类建筑形式,适宜气候的营建在不断的“试错”过程中逐步完善,更多地体现了关注气候的被动式设计策略。然而,当今既有的“先设计后验证”工作流程对气候影响造成的设计条件改变关注不足,导致在方案阶段,建筑师没有对能耗的定量决策的恰当方法,难以把握改善建筑能耗的机会。

通过前序研究,将设计流程进行模块化梳理(图2)。在对方案阶段前增加“气候条件分析”模块、“用能需求分析”模块、“性能循环反馈”模块,经“最敏感因子交互验算”模块简化分析过程,前置节能策略筛选。以能耗目标引导建筑形式,形成优选方案组,本质上是一种方案推敲过程。

图2 节能性能化设计流程Fig.2 Energy-saving performance-based design process

“气候条件分析”是指以具体的气候条件作为设计依据,确立节能策略的基本思路。节能的建筑是顺应气候的建筑,节能的设计也需要回应气候条件,核心在于将气象数据变为设计依据。

大量研究已总结许多针对气候条件的分析方法,如杨柳等总结修正的生物气候图法[13],刘艳峰等总结的太阳能供暖保证率法[14],这些方法从室内热环境或建筑得热与耗热量的角度,对气候条件做了深入分析,得出了太阳能利用气候分区。

但在方案前期,仅从供暖季水平面总辐射及干球温度两项关键指标判断,即可为节能策略指出大致方向。以西宁、拉萨为代表的青藏高原地区太阳能富集,夏季气温较低,即使夏季室内因太阳辐射温度升高,也不会导致空调能耗明显增加,因此利用太阳能采暖总体是节能的(图3)。

图3 西宁、拉萨、银川、西安主要室外气象参数Fig.3 Main outdoor meteorological parameters in Xining, Lhasa, Yinchuan and Xi’an

银川的太阳辐射强度比西宁略弱,且夏季平均气温高,因而效果相对西宁要差;西安虽然与拉萨同属气候分区的寒冷地区,但供暖季太阳辐射强度较弱,且夏季温度高,光照通过外窗反而会造成夏季空调能耗增大,因此不宜用太阳能补偿冬季采暖能耗(图3)。

“用能需求分析”模块,明确节能策略作用目标。建筑物的能耗由采暖与非采暖能耗组成,北方城镇住宅能耗主要是采暖能耗。具体到西宁,由于夏季气温较低,因此在设计时考虑通过增大太阳得热面、改良透明围护结构引入太阳能,将与之相关的布局方法、构造节点作为能耗敏感因子,是节能策略的研究重点。

将前文正交试验的过程转为可视化图形(图4),可归纳为不同搭配的因子组合构成了多个单线程、唯一解的设计过程,最终表现为不同能耗水平的方案。在此过程中,能耗水平分布散乱,敏感因子与能耗高低的关系是不确定的,过程的终点止于能耗而非设计要素,对方案设计的参考意义不大。

图4 正交试验结果可视化Fig.4 Visualization of orthogonal experiment results

因此,需要构建能耗模拟结果与设计策略选择间的交互关系,将技术推导过程转变为建筑设计流程,将科学验证角度的技术问题转变为建筑设计角度的决策问题,将技术路线中的计算“黑箱”转变为设计路线中的策略“倾向”(图5),“性能循环反馈”流程应运而生。

图5 能耗模拟结果与设计策略选择交互关系构建Fig.5 Interaction between energy consumption simulation results and design strategy selection

“性能循环反馈”(图6)在原有线性流程基础上经反馈循环作用,建立起能耗水平与方案设计要素之间的联系。利用正交试验与敏感性分析得到能耗敏感性较强的因子,通过直接操作敏感因子的取值实现控制能耗的目的。由于不同的因子存在敏感性差异,多个敏感因子的合理搭配使得达到既定能耗目标成为多线程、多元解的方案推敲过程,多方案比选成为可能。

图6 性能循环反馈流程示意Fig.6 Schematic diagram of performance cycle feedback process

3.2 住宅性能循环反馈决策应用

城镇住宅的建设逻辑受到市场因素、经济因素、工程因素等诸多影响,平面布局多由市场机制反馈调节,实践中建筑师更多针对户型的局部优化而非总体设计,以另一常见户型平面作为应用算例(图7),建设时南向窗墙比0.42,外墙K值为0.55 W/(m2·K),外窗采用SHGC值为0.36的中空窗户。其体形系数较大,对节能设计有明显的不利影响。

图7 算例初始平面Fig.7 Original plane of calculation example

表8 循环反馈应用算例——构造与立面要素取值区间Table 8 Application example of cyclic feedback: value range of construction and facade design elements

依据性能循环反馈流程,分析以平面设计、朝向变化引起的反馈循环情况。软件基本设置同西宁碧桂园17号楼,以敏感因子外墙K值、外窗SHGC值、南向窗墙比建立研究模型,计算结果详见表8、表9,并将结果可视化(图8)。

从图形上看,性能循环反馈流程有明显的收束点和周期性。曲线在平面尺寸、朝向变化时收束,形成设计要素与能耗值之间的规律性周期;当波动趋于平稳时,敏感因子趋于取中间值,其取值与能耗水平关系是可预测的。在三项敏感因子均取最理想值时能耗最低,当设计要素的变化趋于不利或有益时,能耗水平随要素的变化升高或降低。以能耗降低30%为预期目标,在图形上可以直观地得到最低能耗值的冗余量,进而得到修正敏感因子取值的依据与方向。

次优算例(橙色曲线)是在最优算例基础上,将SHGC值从0.78修正为0.62后的结果,此时能耗值仍有一定冗余量,因此可考虑减少保温厚度,结合方案要求进一步修改平面尺寸或建筑朝向。可见,通过性能循环反馈流程实现的节能性能化设计,通往能耗目标的路径是多元化的。

同理,立面设计的变化同样可经循环反馈流程建立“设计要素—能耗值”的交互关系,详见表10。显然,技术逻辑主导的能耗水平会强烈影响建筑立面的设计策略。

表10 立面设计引导反馈循环Table 10 Facade design guidance feedback cycle

4 结 论

在国家倡导节能减排、高质量绿色发展的宏观语境下,建筑师主导的多专业整合与节能技术协同将更为重要。伴随设计过程的不断精细化,多元多样的设计方法将不断涌现,前置节能性能化设计是其中重要的思路之一。基于太阳辐射得热影响下的节能性能化设计提供了多角度、多路径的方案比选与修正方法,初步探索了能耗模拟技术与节能设计策略之间的互馈关系,并通过对比实测数据与模拟数据的匹配程度,支撑了该方式的有效性。主要结论如下:

1)初步走通了以太阳能利用为主的住宅节能性能化设计方法,通过对设计要素的直接操作实现控制能耗、降低碳排放的目的,突显建筑师在建筑“节能减排”过程中的主导地位。合理的能耗敏感因子组合可实现采暖能耗降低30%以上。

2)通过性能循环反馈决策,可高效完成节能策略的理性筛选。将气候数据转换为设计依据,将能耗降低的目标转换为具体的设计过程,并为此提供了较易掌握的分析方法与软件工具。

3)在太阳能资源丰富的地区,住宅建筑受太阳辐射作用,南向外窗的得热性能与围护结构隔热性能对采暖能耗的影响强度基本相当,其次为朝向、窗墙比、空间布局等。

4)将由光热作用导致的采暖能耗降低归因为外窗SHGC值,但研究深度尚浅。外窗SHGC值动态变化的特性、日照时数与日照辐射量的关系、建筑前后遮挡关系、光热作用的具体热过程等对设计策略的影响待完善,相关讨论将在后续研究中进一步展开。