趙 龍 趙 薇 姚 慧 陳景衡 張東峰 武玉艷

(1.西安建筑科技大學設計研究總院有限公司, 西安 710055; 2.西安建筑科技大學建筑學院, 西安 710055)

我國于2020年9月明確提出“碳達峰”“碳中和”的具體目標,文獻[1]基于30個省份2004—2011年的面板數據分析,建立中國區(qū)域建筑業(yè)碳排放測算模型,得出全國53．3%的省份處于碳排放的弱脫鉤狀態(tài),26．7%的省份處于擴張負脫鉤狀態(tài),20%的省份處于增長連接狀態(tài),尚未出現強脫鉤的情況。說明在建筑行業(yè)內,節(jié)能減排工作還有較大推進空間。

在國家“碳達峰、碳中和”的宏偉規(guī)劃下,建筑行業(yè)的低碳、低能耗發(fā)展將成為趨勢。能源綠色化對碳排放強度及總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類能源是降低建筑能耗,進而實現降低建筑碳排放的重要途徑之一?？稍偕茉丛诮ㄖ械暮侠響?需要建筑師整合建筑熱工、綠色建筑、建筑設備等多領域、多專業(yè)的理念,實現多學科、多技術交織協(xié)同,在建筑方案初始階段綜合政策法規(guī)、市場機制、工程實踐等多元要素,在確保技術有效、可靠的前提下,實現項目落成運行。

太陽輻射是地球上全部能量的根源,也是可再生能源的重要組成部分,利用太陽能降低建筑能耗十分重要。針對建筑太陽能利用的相關研究較多,劉加平等基于陜北黃土高原地區(qū)傳統(tǒng)窯洞民居的特征和豐富的太陽輻射資源條件,提出零輔助采暖能耗窯居太陽房[3];李恩等對拉薩市附加陽光間式住宅展開研究,得出陽光間對拉薩住宅的能耗影響明顯,并得出其最佳設計尺度[4];石利軍等對太陽能富集地區(qū)建筑體形系數展開研究,在考慮南向得熱構件的前提下,得出了太陽輻射影響下等效體形系數[5];王蘇穎等從窗戶太陽得熱對能耗的影響入手,得出合理利用南向外窗得熱,在一定情況下有利于節(jié)約采暖能耗的結論[6];王婷婷等提出集熱蓄熱屋頂式太陽房,以取代普通屋頂構造,并建立了該集熱蓄熱屋頂式太陽房物理及數學模型[7];金虹等針對圍護結構節(jié)能性能的敏感性進行分析,得出影響節(jié)能設計的主要圍護結構部位及敏感程度差異[8]。

通過梳理相關研究,可知現有研究在多、低層住宅類型中已取得較多成果,對建筑的局部構件性能的研究較為完整。但是,我國城鎮(zhèn)居住建筑的主要類型為高層集中式住宅,其設計建造流程高度標準化,利用太陽能的方式單一,對建筑師開創(chuàng)性地應用某一新型技術的接受程度不夠高,而高層住宅年均建設量大,單體建筑少量的能耗降低即可取得明顯的節(jié)能減排收益。因此,如何實現在高層住宅中操作設計要素,從而實現建筑師對能耗水平的控制,如何在城鎮(zhèn)住宅中實現太陽能的合理應用,均是亟待研究的問題。

研究挑選青海省西寧市作為研究落點,通過軟件建立能耗研究模型,開展節(jié)能設計性能化研究。通過分析各建筑能耗敏感因子對能耗影響的強烈程度,優(yōu)化各因子的組合方式,定量分析太陽能補償采暖能耗的潛力,探索節(jié)能性能化設計方法,作為可再生能源在建筑中有效利用的途徑之一,為建筑節(jié)能設計提供新思路。

1 研究對象及研究模型的建立

1.1 研究對象概述

1.1.1西寧地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑概況

經調研,收集西寧地區(qū)建成、在售的戶型100余套,按照兩室戶、三室戶、四室戶的原則進行分類。以四室戶為例,整理戶型的基本數據有:東西向總尺寸,起居室進深,南、北向窗墻比,有無北向陽臺,南向開間數量等,形成表格(表1)。

表1 四室戶典型戶型布局數據統(tǒng)計Table 1 Statistics of layout data of typical four-room households

由表1可知,收集到的30個平面中,其戶型布局的數據均值為:東西向的尺寸13.1 m,南、北向窗墻比0.35、0.22,起居室進深11.7 m。北向設置陽臺的比例占到樣本量的67%,南向布置三、四開間的比例占到樣本量的70%。符合上述條件的戶型平面可作為典型代表,分析其能耗情況可代表大部分同類型建筑的能耗水平。

1.1.2研究對象

西寧碧桂園項目位于青海省西寧市城北區(qū)湖海大道旁,其中17號樓為18層、層高2.9 m的住宅建筑,正南朝向。基本布局為四室兩廳,南向四開間布置三間臥室、一間起居室。起居室南、北向均設置封閉陽臺,起居室進深約為10 m;北向布置書房一間,衛(wèi)生間與廚房也布置于北向,其平面布置見圖1,圍護結構構造及熱工參數見表2。其戶型布局符合西寧地區(qū)四室戶的典型特點,因此選取該樓作為研究對象。

圖1 西寧碧桂園17號樓平面 mmFig.1 Plan of building No.17 in Country Garden, Xining

表2 西寧碧桂園圍護結構構造做法及熱工參數Table 2 Construction method and thermal parameters of enclosure structure of Country Garden, Xining

1.2 研究模型的氣象及室內熱環(huán)境參數

使用DesignBuilder進行能耗模擬,需對熱工模型進行室外氣象參數與室內熱環(huán)境參數設置。采用JGJ/T 346—2014《建筑節(jié)能氣象參數標準》作為數據來源,保證計算結果貼近實踐。經分析,西寧地區(qū)采暖季月均總輻射量最小值超過115 W/m2(12月),最大值超過188 W/m2(3月);夏季最熱月平均氣溫不足20 ℃,最冷月平均氣溫約為-6 ℃,可知西寧地區(qū)住宅能耗主要為冬季采暖能耗,且供暖期太陽輻射較強,夏季基本無空調能耗,因此研究主要針對采暖能耗展開。主要功能房間的室內溫度設定見表3;設定能耗模擬時的換氣次數為0.5次/h;人員在室率依據JGJ26—2018《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》中條文4.3.6規(guī)定設置;集中供暖系統(tǒng)的鍋爐效率取0.85。

表3 普通住宅溫度參數設置Table 3 Temperature parameter setting of normal residential

2 多因子影響下的能耗模擬結果

2.1 建筑能耗敏感因子的選取及取值

與能耗相關的建筑設計因子可以歸結為平面設計、立面設計與構造設計。因子的選取應符合以下幾個特點:1)建筑師可控;2)對能耗影響直接且明顯。根據文獻[5-6,8-9]梳理總結,結合西寧地區(qū)住宅建筑特點,取建筑朝向、南向陽臺進深、北向陽臺進深、南向立面窗墻比、外墻傳熱系數、外窗太陽得熱系數SHGC(傳熱系數K值)共6個參數,作為能耗敏感因子。每個影響因子分別取值5次,即形成6因子、5水平的模擬試驗數據組。敏感因子及取值詳見表4。

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

2.2 正交試驗

正交試驗是研究多因素多水平的一種簡化試驗方法,它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗,這些有代表性的點具備了“均勻分散,齊整可比”的特點,在簡化試驗模擬次數的同時保證試驗結果的代表性與準確性。每個敏感因子即代表1個因素,每個因素的某1個值即1個水平。因此,可以采用正交試驗中的6因素5水平的標準型表格L25(56),將能耗模擬次數降低為25次。利用SPSS軟件生成正交試驗表簡化試驗,正交試驗表及模擬結果詳見表5。

表5 采暖能耗多因素L25(56)正交組合方式及結果Table 5 Multi-factor L25 (56) orthogonal combination mode and results of heating energy consumption

2.3 多因子影響下的能耗模擬結果

為驗證模擬結果的有效性,對西寧碧桂園17、18號樓全年能耗進行實測。供暖能耗實測值為9.38 Nm3/(m2·a),此時供暖能耗模擬值為8.91 Nm3/(m2·a),偏差值約5%,模擬結果可信度較高,可用于分析研究。

根據表5數據統(tǒng)計,進行極差計算,計算結果見表6,表中-kij表示第j列的因素取水平i時,所得試驗結果的平均值,-kij= 1/skij,其中s為第j列水平為i的因素出現的次數,-kij為第j列水平為i的因素的試驗結果之和;Rj為第j列的極差[10]。計算結果越大,說明該因子對能耗的影響越明顯。試驗結果表明,外窗太陽得熱系數對能耗影響最強烈,其次為建筑朝向,外墻傳熱系數,南向窗墻比,南、北向陽臺進深。

表6 單位采暖能耗多因素組合試驗極差計算結果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結果Table 7 Multi-factor sensitivity analysis results of energy consumption

取模擬能耗最低的三組算例,以式(1)[11]求敏感值IC的均值,進行敏感性分析。

(1)

式中:OP為建筑的模擬輸出參數結果,即采暖能耗;OPbc為基準建筑的模擬輸出參數結果;IP為建筑的模擬輸入參數值;IPbc為基準建筑的模擬輸入參數值。

IC值越大,說明對最終計算值影響程度越劇烈。外窗SHGC、外墻傳熱系數、朝向的IC值較高,遠超窗墻比與南、北向陽臺進深。

對比算例3與算例25,外墻傳熱系數取節(jié)能標準限值0.4的情況下,能耗值由7.1 kgce/(m2·a)下降到4.8 kgce/(m2·a),降幅達29%;算例25對比GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》與JGJ 26—2018《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》的能耗參考值分別下降52.1%和40.4%,說明在方案階段通過建筑設計被動節(jié)能的潛力明顯。分析模擬結論,可以得出:

1)從敏感因子組合情況看,不同組合的能耗水平存在明顯差異,通過不斷修正敏感因子的取值搭配,能逐步降低建筑能耗,因而存在經敏感因子—設計方案—能耗水平再反饋至敏感因子修正方案的循環(huán)驗證過程。

2)從能耗水平看,外窗SHGC值與外墻K值對能耗影響強度基本相當,高于窗墻比及建筑朝向,遠大于平面進深尺寸變化。說明受太陽輻射影響,得熱性能優(yōu)越的高透光玻璃與良好的外墻隔熱性能對節(jié)能的效果同樣明顯。因而存在調節(jié)能耗最敏感因子影響建筑平面、立面“性能化”設計的可能性。

3)在接受太陽輻射的南立面寬度不變的前提下,少量改變進深尺寸對能耗影響相對較弱。研究表明[9,12]:住宅進深在10～12.5 m之間時,建筑冷熱需求與面寬進深比呈明顯的線性關系,過大或過小均不利于節(jié)能,因而大面寬小進深的布局模式更利于太陽輻射直接得熱利用。

3 基于太陽能利用的住宅節(jié)能性能化設計研究

3.1 基于太陽能利用的住宅節(jié)能性能化設計流程

我國的傳統(tǒng)民居在漫長的發(fā)展過程中形成了獨特的生態(tài)智慧,發(fā)展出順應氣候的各類建筑形式,適宜氣候的營建在不斷的“試錯”過程中逐步完善,更多地體現了關注氣候的被動式設計策略。然而,當今既有的“先設計后驗證”工作流程對氣候影響造成的設計條件改變關注不足,導致在方案階段,建筑師沒有對能耗的定量決策的恰當方法,難以把握改善建筑能耗的機會。

通過前序研究,將設計流程進行模塊化梳理(圖2)。在對方案階段前增加“氣候條件分析”模塊、“用能需求分析”模塊、“性能循環(huán)反饋”模塊,經“最敏感因子交互驗算”模塊簡化分析過程,前置節(jié)能策略篩選。以能耗目標引導建筑形式,形成優(yōu)選方案組,本質上是一種方案推敲過程。

圖2 節(jié)能性能化設計流程Fig.2 Energy-saving performance-based design process

“氣候條件分析”是指以具體的氣候條件作為設計依據,確立節(jié)能策略的基本思路。節(jié)能的建筑是順應氣候的建筑,節(jié)能的設計也需要回應氣候條件,核心在于將氣象數據變?yōu)樵O計依據。

大量研究已總結許多針對氣候條件的分析方法,如楊柳等總結修正的生物氣候圖法[13],劉艷峰等總結的太陽能供暖保證率法[14],這些方法從室內熱環(huán)境或建筑得熱與耗熱量的角度,對氣候條件做了深入分析,得出了太陽能利用氣候分區(qū)。

但在方案前期,僅從供暖季水平面總輻射及干球溫度兩項關鍵指標判斷,即可為節(jié)能策略指出大致方向。以西寧、拉薩為代表的青藏高原地區(qū)太陽能富集,夏季氣溫較低,即使夏季室內因太陽輻射溫度升高,也不會導致空調能耗明顯增加,因此利用太陽能采暖總體是節(jié)能的(圖3)。

圖3 西寧、拉薩、銀川、西安主要室外氣象參數Fig.3 Main outdoor meteorological parameters in Xining, Lhasa, Yinchuan and Xi’an

銀川的太陽輻射強度比西寧略弱,且夏季平均氣溫高,因而效果相對西寧要差;西安雖然與拉薩同屬氣候分區(qū)的寒冷地區(qū),但供暖季太陽輻射強度較弱,且夏季溫度高,光照通過外窗反而會造成夏季空調能耗增大,因此不宜用太陽能補償冬季采暖能耗(圖3)。

“用能需求分析”模塊,明確節(jié)能策略作用目標。建筑物的能耗由采暖與非采暖能耗組成,北方城鎮(zhèn)住宅能耗主要是采暖能耗。具體到西寧,由于夏季氣溫較低,因此在設計時考慮通過增大太陽得熱面、改良透明圍護結構引入太陽能,將與之相關的布局方法、構造節(jié)點作為能耗敏感因子,是節(jié)能策略的研究重點。

將前文正交試驗的過程轉為可視化圖形(圖4),可歸納為不同搭配的因子組合構成了多個單線程、唯一解的設計過程,最終表現為不同能耗水平的方案。在此過程中,能耗水平分布散亂,敏感因子與能耗高低的關系是不確定的,過程的終點止于能耗而非設計要素,對方案設計的參考意義不大。

圖4 正交試驗結果可視化Fig.4 Visualization of orthogonal experiment results

因此,需要構建能耗模擬結果與設計策略選擇間的交互關系,將技術推導過程轉變?yōu)榻ㄖO計流程,將科學驗證角度的技術問題轉變?yōu)榻ㄖO計角度的決策問題,將技術路線中的計算“黑箱”轉變?yōu)樵O計路線中的策略“傾向”(圖5),“性能循環(huán)反饋”流程應運而生。

圖5 能耗模擬結果與設計策略選擇交互關系構建Fig.5 Interaction between energy consumption simulation results and design strategy selection

“性能循環(huán)反饋”(圖6)在原有線性流程基礎上經反饋循環(huán)作用,建立起能耗水平與方案設計要素之間的聯(lián)系。利用正交試驗與敏感性分析得到能耗敏感性較強的因子,通過直接操作敏感因子的取值實現控制能耗的目的。由于不同的因子存在敏感性差異,多個敏感因子的合理搭配使得達到既定能耗目標成為多線程、多元解的方案推敲過程,多方案比選成為可能。

圖6 性能循環(huán)反饋流程示意Fig.6 Schematic diagram of performance cycle feedback process

3.2 住宅性能循環(huán)反饋決策應用

城鎮(zhèn)住宅的建設邏輯受到市場因素、經濟因素、工程因素等諸多影響,平面布局多由市場機制反饋調節(jié),實踐中建筑師更多針對戶型的局部優(yōu)化而非總體設計,以另一常見戶型平面作為應用算例(圖7),建設時南向窗墻比0.42,外墻K值為0.55 W/(m2·K),外窗采用SHGC值為0.36的中空窗戶。其體形系數較大,對節(jié)能設計有明顯的不利影響。

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

表8 循環(huán)反饋應用算例——構造與立面要素取值區(qū)間Table 8 Application example of cyclic feedback: value range of construction and facade design elements

依據性能循環(huán)反饋流程,分析以平面設計、朝向變化引起的反饋循環(huán)情況。軟件基本設置同西寧碧桂園17號樓,以敏感因子外墻K值、外窗SHGC值、南向窗墻比建立研究模型,計算結果詳見表8、表9,并將結果可視化(圖8)。

從圖形上看,性能循環(huán)反饋流程有明顯的收束點和周期性。曲線在平面尺寸、朝向變化時收束,形成設計要素與能耗值之間的規(guī)律性周期;當波動趨于平穩(wěn)時,敏感因子趨于取中間值,其取值與能耗水平關系是可預測的。在三項敏感因子均取最理想值時能耗最低,當設計要素的變化趨于不利或有益時,能耗水平隨要素的變化升高或降低。以能耗降低30%為預期目標,在圖形上可以直觀地得到最低能耗值的冗余量,進而得到修正敏感因子取值的依據與方向。

次優(yōu)算例(橙色曲線)是在最優(yōu)算例基礎上,將SHGC值從0.78修正為0.62后的結果,此時能耗值仍有一定冗余量,因此可考慮減少保溫厚度,結合方案要求進一步修改平面尺寸或建筑朝向?？梢?通過性能循環(huán)反饋流程實現的節(jié)能性能化設計,通往能耗目標的路徑是多元化的。

同理,立面設計的變化同樣可經循環(huán)反饋流程建立“設計要素—能耗值”的交互關系,詳見表10。顯然,技術邏輯主導的能耗水平會強烈影響建筑立面的設計策略。

表10 立面設計引導反饋循環(huán)Table 10 Facade design guidance feedback cycle

4 結 論

在國家倡導節(jié)能減排、高質量綠色發(fā)展的宏觀語境下,建筑師主導的多專業(yè)整合與節(jié)能技術協(xié)同將更為重要。伴隨設計過程的不斷精細化,多元多樣的設計方法將不斷涌現,前置節(jié)能性能化設計是其中重要的思路之一。基于太陽輻射得熱影響下的節(jié)能性能化設計提供了多角度、多路徑的方案比選與修正方法,初步探索了能耗模擬技術與節(jié)能設計策略之間的互饋關系,并通過對比實測數據與模擬數據的匹配程度,支撐了該方式的有效性。主要結論如下:

1)初步走通了以太陽能利用為主的住宅節(jié)能性能化設計方法,通過對設計要素的直接操作實現控制能耗、降低碳排放的目的,突顯建筑師在建筑“節(jié)能減排”過程中的主導地位。合理的能耗敏感因子組合可實現采暖能耗降低30%以上。

2)通過性能循環(huán)反饋決策,可高效完成節(jié)能策略的理性篩選。將氣候數據轉換為設計依據,將能耗降低的目標轉換為具體的設計過程,并為此提供了較易掌握的分析方法與軟件工具。

3)在太陽能資源豐富的地區(qū),住宅建筑受太陽輻射作用,南向外窗的得熱性能與圍護結構隔熱性能對采暖能耗的影響強度基本相當,其次為朝向、窗墻比、空間布局等。

4)將由光熱作用導致的采暖能耗降低歸因為外窗SHGC值,但研究深度尚淺。外窗SHGC值動態(tài)變化的特性、日照時數與日照輻射量的關系、建筑前后遮擋關系、光熱作用的具體熱過程等對設計策略的影響待完善,相關討論將在后續(xù)研究中進一步展開。