蔣璋

1 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司

2 國(guó)家建筑工程技術(shù)研究中心

3 北京市綠色建筑設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心

建筑能耗模型是預(yù)測(cè)性能和比選設(shè)計(jì)方案的有效工具，研究表明，建筑能耗模擬可以幫助項(xiàng)目較參照建筑獲得40%以上的性能提升[1]。然而在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，大部分能耗模擬不是在設(shè)計(jì)早期階段開展的。通常能耗模擬由專門的能源工程師執(zhí)行，且在建筑師完成初步設(shè)計(jì)后。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法、綠色建筑性能仿真技術(shù)、參數(shù)化設(shè)計(jì)方法和工具的快速發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者和設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，將性能導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法納入建筑設(shè)計(jì)的初期階段。

1 模型簡(jiǎn)化方法

美國(guó)LEED 標(biāo)準(zhǔn)提出在方案設(shè)計(jì)結(jié)束前，開展初步的“簡(jiǎn)易盒”能耗模型分析，確定能源使用目標(biāo)，有助于制定能效高的策略，整合各個(gè)系統(tǒng)，降低初投資，提高建筑性能[2]。潘毅群等人提出實(shí)際建筑和系統(tǒng)是復(fù)雜、不確定和非線性的，因此不得不在建模過(guò)程中采用假設(shè)、簡(jiǎn)化和近似等方法，才能獲得計(jì)算結(jié)果[3]。Marco 等人通過(guò)對(duì)比簡(jiǎn)化模型模擬和詳細(xì)模型模擬之間的差異，證實(shí)了幾個(gè)研究案例的簡(jiǎn)化模型模擬結(jié)果差異均控制在20%以內(nèi)，比傳統(tǒng)使用安全系數(shù)的方式，更利于獲得可行適用的信息[4]。詳細(xì)的模型簡(jiǎn)化步驟和應(yīng)用條件歸納如下：

1）清除外部障礙

建筑物的相互遮擋對(duì)空調(diào)負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生影響，因此能耗模擬分析時(shí)建筑物太陽(yáng)輻射得熱部分必須考慮這一因素的影響[5]。應(yīng)保留對(duì)能耗模擬產(chǎn)生遮擋的障礙物，特別是在門窗上產(chǎn)生陰影投影的建筑物或構(gòu)筑物，清除其他的建筑物和外部元素。

2）簡(jiǎn)化建筑分區(qū)

在初期建筑設(shè)計(jì)階段，建筑每個(gè)區(qū)域的功能、大小和空調(diào)形式都是不穩(wěn)定的，這一階段的能耗模擬應(yīng)盡可能少的定義分區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)能耗分析模型的建筑分區(qū)簡(jiǎn)化，可參考的因素包括：空調(diào)熱區(qū)和非空調(diào)熱區(qū)、使用功能、是否有相似的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、內(nèi)區(qū)和外區(qū)和末端空調(diào)形式。而對(duì)于設(shè)計(jì)初期的項(xiàng)目，最可行的建模方法為單一熱區(qū)建模，即每個(gè)樓層由單個(gè)分區(qū)表示，此建模方法適用于項(xiàng)目自身的橫向?qū)Ρ取?yōu)分析，可快速求得總負(fù)荷值。

3）簡(jiǎn)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)化模型對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面構(gòu)造類型進(jìn)行識(shí)別后，可劃分為外墻、屋面、架空或外挑樓板、門窗、內(nèi)墻和室內(nèi)樓板六項(xiàng)。前三項(xiàng)是能耗模擬分析的重要優(yōu)化內(nèi)容，內(nèi)墻和室內(nèi)樓板不作為優(yōu)化內(nèi)容。

外墻的傳熱系數(shù)采用平均傳熱系數(shù)，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊混凝土梁、柱、剪力墻等“熱橋”的影響。

門窗的輸入方法可采用從數(shù)據(jù)庫(kù)選取或簡(jiǎn)化輸入，簡(jiǎn)化輸入的傳熱系數(shù)按下式（1）計(jì)算[6]：

式中：K 是幕墻單元、門窗的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ag是透光面板面積，m2；lg是透光面板邊緣長(zhǎng)度，m；Kgc是透光面板中心的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；φ 是透光面板邊緣的線傳熱系數(shù)，W/(m·K)；Ap是非透光面板面積，m2；lp是非透光面板邊緣長(zhǎng)度，m；Kpc是非透光面板中心的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；φp是非透過(guò)面板邊緣的線傳熱系數(shù)，W/ (m·K)；Af是框面積，m2；Kf是框的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

4）簡(jiǎn)化透明表面

此簡(jiǎn)化步驟旨在減少對(duì)整個(gè)建筑物的透明表面進(jìn)行完全建模。簡(jiǎn)化方法為對(duì)單個(gè)表面進(jìn)行透明表面建模，并參考開窗高度，即每個(gè)表面輸入透明部分面積和高度兩個(gè)數(shù)據(jù)。實(shí)際項(xiàng)目中，每個(gè)樓層的外窗面積和位置可能都是不同的，可以采取求得建筑單一立面透明表面總面積后，平均分配到各個(gè)樓層的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化。

5）輸入空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)可按照實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行輸入，當(dāng)具有多個(gè)空調(diào)系統(tǒng)形式時(shí)，建筑分區(qū)應(yīng)當(dāng)與空調(diào)系統(tǒng)形式保持一致。

對(duì)于設(shè)計(jì)初期的項(xiàng)目，空調(diào)系統(tǒng)方案往往沒(méi)有確定，此時(shí)可只對(duì)建筑的全年累計(jì)耗熱量和耗冷量進(jìn)行模擬計(jì)算，供暖和供冷的能耗量可按照綜合效率折算的方式求得[7]。本文中分析的案例采用這一方式計(jì)算建筑全年供暖供冷綜合能耗量。

6）模型組裝與檢查

完整的能耗模型由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層組裝而成，通常至少包括三種標(biāo)準(zhǔn)層，即底層、中間層和樓頂層。當(dāng)樓層的層高、表面的朝向、表面的幾何位置、表面的構(gòu)造和類型等發(fā)生變化時(shí)，則需要建立更多的標(biāo)準(zhǔn)層。

模型的檢查通常包括表面檢查、輸入條件檢查和輸出結(jié)果檢查。許多模擬軟件具備三維模型預(yù)覽功能，可以幫助工程師快速查看模型表面設(shè)置是否與設(shè)計(jì)一致。輸入條件和計(jì)算結(jié)果檢查都可以通過(guò)檢查輸出文件實(shí)現(xiàn)，包括檢查不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是否和項(xiàng)目一致、計(jì)算出的單位建筑面積負(fù)荷是否在合理范圍之內(nèi)等。

2 分析方法

2.1 采用軟件

ASHRAE140 標(biāo)準(zhǔn)是全世界建筑能耗模擬軟件進(jìn)行自我程序檢查與準(zhǔn)確性驗(yàn)證的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)際上主流的建筑能耗模擬軟件如Energyplus、DOE-2、TRNSYS 等，均參與此項(xiàng)驗(yàn)證工作，并獲得國(guó)際認(rèn)證。本文能耗模擬計(jì)算軟件為以DOE-2 作為計(jì)算引擎的eQUEST。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)變量

龔新智等人通過(guò)正交法和列表法以節(jié)能優(yōu)化為目標(biāo)，總結(jié)出七類設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性的優(yōu)先排序，包括外墻厚度、外墻保溫、屋面保溫厚度、窗戶朝向、窗墻比、玻璃類型、日光溫室深度寬度[8]。張時(shí)聰?shù)热送ㄟ^(guò)對(duì)64 棟超低能耗建筑的技術(shù)路徑研究，除了高性能外墻和外窗外，促進(jìn)自然通風(fēng)和自然采光，設(shè)置外遮陽(yáng)，都是減少空調(diào)負(fù)荷和照明負(fù)荷的有效途徑[9]。通過(guò)對(duì)朝向窗墻比、墻體傳熱系數(shù)、窗戶傳熱系數(shù)、窗戶太陽(yáng)得熱系數(shù)（SHGC）、外區(qū)進(jìn)深等參數(shù)變化對(duì)能耗影響的敏感性分析可知，敏感性最高的參數(shù)為窗墻比和窗戶太陽(yáng)得熱系數(shù)（SHGC）[10]。

本文影響能耗優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)可歸納為周邊場(chǎng)地相鄰建筑遮擋和圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本物理屬性，包括熱工性能，窗墻比和遮陽(yáng)。

2.3 分析方法

節(jié)能正向優(yōu)化指預(yù)設(shè)擬評(píng)價(jià)的指標(biāo)，在能耗模型中對(duì)預(yù)設(shè)指標(biāo)后的建筑能耗進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果用于對(duì)預(yù)設(shè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整和再驗(yàn)證，直到達(dá)到性能優(yōu)化目標(biāo)，完成設(shè)計(jì)方案調(diào)整。本文采用正向優(yōu)化流程對(duì)案例進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。

節(jié)能反向優(yōu)化指已獲得項(xiàng)目能耗的優(yōu)化結(jié)果目標(biāo)，以單一或多個(gè)性能指標(biāo)做為變量，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，如遺傳算法工具，求解性能最優(yōu)的建筑方法。如《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51350 中明確提出采用性能化設(shè)計(jì)方法，即以能效指標(biāo)為約束性指標(biāo)，不對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、能源設(shè)備和系統(tǒng)等性能參數(shù)做強(qiáng)制要求[11]。

3 優(yōu)化分析

3.1 基準(zhǔn)模型

本文以北京市懷柔區(qū)一辦公建筑為具體優(yōu)化案例，建立基準(zhǔn)模型。項(xiàng)目總建筑面積1 萬(wàn)m2,建筑高度勻?yàn)?2.9 m。本項(xiàng)目在方案階段即開展以供暖空調(diào)能耗降低為目標(biāo)的優(yōu)化分析，分析模型采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》限值進(jìn)行選取。

3.2 計(jì)算方法

供暖供冷綜合能耗量應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中：Ebld是建筑全年供暖供冷綜合能耗量，kWh；EH,bld是建筑全年供暖能耗量，kWh；EC,bld是建筑全年供冷能耗量，kWh；QH,bld建筑全年累計(jì)耗熱量，kWh；QC,bld是建筑全年累計(jì)耗冷量，kWh，DOE-2 采用傳遞函數(shù)法模擬計(jì)算建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室外天氣的時(shí)變相應(yīng)和內(nèi)部負(fù)荷，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳遞所形成的逐時(shí)冷、熱負(fù)荷采用反應(yīng)系數(shù)法計(jì)算；Θ1是供暖系統(tǒng)綜合效率折算權(quán)重，寒冷地區(qū)取1.6；Θ2是供冷系統(tǒng)綜合效率折算權(quán)重，寒冷地區(qū)取2.5。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 遮擋對(duì)能耗影響分析

本工程南側(cè)水平距離25 m 擬規(guī)劃建設(shè)其他建筑物，建立無(wú)遮擋和不同建筑高度（勻=12.9 m）的模型，分析建筑物遮擋對(duì)建筑能耗的影響。圖1 結(jié)果表明：隨著南側(cè)建筑物高度的增加，本工程的冬季采暖熱負(fù)荷明顯增加，而夏季的空調(diào)冷負(fù)荷減少，綜合能耗出現(xiàn)增加。在建筑間距條件不變的條件下，南側(cè)遮擋建筑的高度宜控制在12.9 m 以下，隨著高度的進(jìn)一步增加，建筑綜合能耗明顯增加。

圖1 遮擋對(duì)能耗指標(biāo)影響分析

圖2 結(jié)果表明：東、西和北立面窗墻比增加導(dǎo)致綜合能耗的增加，北立面變化影響大于東立面和西立面。相反，南立面窗墻比增加導(dǎo)致綜合能耗的降低。南立面窗墻比的增加，在增加夏季空調(diào)冷負(fù)荷的同時(shí)，也使建筑在冬季可以獲得更多的太陽(yáng)輻射，從而減少冬季采暖熱負(fù)荷。因?yàn)楣┡到y(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率低于供冷系統(tǒng)，所以冬季采暖熱負(fù)荷低的方案，供暖空調(diào)的綜合能耗更低。

圖2 窗墻比對(duì)綜合能耗影響分析

圖3 結(jié)果表明：北立面窗戶太陽(yáng)得熱系數(shù)變化對(duì)綜合能耗基本無(wú)影響，而綜合能耗隨東、西和南立面窗戶太陽(yáng)得熱系數(shù)（SHGC）的增大而降低，南立面窗戶這一特征最為明顯。

圖3 太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)綜合能耗影響分析

3.3.2 考慮設(shè)置活動(dòng)遮陽(yáng)

活動(dòng)遮陽(yáng)供暖季遮陽(yáng)系數(shù)SC 取0.8，供冷季遮陽(yáng)系數(shù)SC 取0.4。南立面設(shè)置活動(dòng)遮陽(yáng)時(shí)綜合能耗降低-0.87%；東西立面設(shè)置活動(dòng)遮陽(yáng)時(shí)綜合能耗降低0.61%。北京地區(qū)在東西立面設(shè)置活動(dòng)遮陽(yáng)有利于綜合能耗降低。

圖4 結(jié)果表明：供暖空調(diào)綜合能耗隨窗戶傳熱系數(shù)的增加而遞增，南北朝向的影響大于東西朝向。不論哪個(gè)朝向，提高窗戶熱工性能，都是利于降低建筑能耗的。

圖4 窗戶傳熱系數(shù)對(duì)綜合能耗影響分析

圖5 結(jié)果表明：供暖空調(diào)綜合能耗隨外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增加而遞增，北立面外墻的影響大于東、西和南立面外墻，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)于綜合能耗的影響大于四個(gè)立面。需要注意的是，本項(xiàng)目樓層較低，屋面面積占建筑外表面比重較大，隨著樓層數(shù)增加，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)綜合能耗的影響會(huì)降低。不論外墻還是屋面，提高熱工性能，都是利于降低建筑能耗的。

圖5 外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)綜合能耗影響分析

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)初期能耗模擬優(yōu)化可獲得較高的能耗性能提升。為解決能耗模擬工具和所需技術(shù)知識(shí)較復(fù)雜的問(wèn)題，提出簡(jiǎn)化模型方法和設(shè)計(jì)參數(shù)分析方法來(lái)進(jìn)行能耗模擬，在保證足夠精度水平的條件下，為設(shè)計(jì)人員提供方案分析和決策的依據(jù)。

受不同氣候條件、周邊場(chǎng)地環(huán)境和建筑形體的影響，影響具體項(xiàng)目能耗指標(biāo)的設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性是不同的。以北京地區(qū)為例，通過(guò)對(duì)朝向窗墻比、太陽(yáng)得熱系數(shù)、窗戶傳熱系數(shù)、墻體和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等參數(shù)變化對(duì)綜合能耗影響的敏感性分析可知，本文分析案例各設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性由高至低依次為窗戶太陽(yáng)得熱系數(shù)、墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、窗戶傳熱系數(shù)和窗墻比。只有獲得了具體項(xiàng)目的不同設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性分析結(jié)果，才能幫助設(shè)計(jì)師確定同時(shí)滿足性能優(yōu)化和技術(shù)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的優(yōu)化方案。