基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(51778350); 山东建筑大学博士科研基金资助项目(X18098Z)
第一作者:耿 耿(1987-),博士,讲师,从事绿色建筑与建筑节能研究.E-mail:genggeng18@sdjzu.edu.cn
(1.山东建筑大学 山东省绿色建筑协同创新中心,山东 济南 250101; 2.中铁工程设计咨询集团 济南设计院,山东 济南 250022; 3.天津大学 环境科学与工程学院,天津,300072)
(1.Shandong Co-innovation Center of Green Building, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China; 2.China Railway Engineering Consulting Group, Jinan Design Institute, Jinan 250022, China; 3.School of Environmental Science& Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
energy consumption in building; parameterization; atrium; severe cold region; space energy efficiency index
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2020.06.017
The purpose of this research is to enrich the space energy efficiency indicators for public buildings in schematic stage. In combination with the heating system form and energy consumption characteristics of office buildings with atrium space in severe cold region of China, span height ratio(SHR), atrium building area ratio(ABAR)and orientation weighted exposed length of side ratio(OWELSR)were proposed as space energy efficiency indexes. Annual dynamic building energy consumption simulation of office building with atrium in severe cold region of China was conducted by building energy simulation software Design Builder, considering space energy efficiency indexes as variables. The research objects are two-sided atrium, three-sided atrium and four-sided atrium in the form of penetrating or non-penetrating. Then the quantitative relationships of space energy efficiency index and annual heating energy utilization intensity(EUI)were established. The optimizing ranges of the space energy efficiency indexes were defined by EUI normalization fitting and contrastive analysis for better guidance of energy efficiency design of office building with atrium in severe cold region of China in schematic stage.
我国严寒地区冬季寒冷,建筑热负荷需求远大于冷负荷需求,设有中庭空间的公共建筑受中庭空间采暖形式及建筑透明围护结构气密性等因素影响,采暖系统普遍存在能耗较高的问题[1-3].近年来,超低能耗建筑技术在我国建筑节能领域蓬勃发展,通过提升建筑围护结构保温隔热材料的热工性能、增强建筑整体气密性等方式对建筑能效提升的节能贡献率潜力挖掘空间已非常有限.相关研究表明,在建筑方案阶段以空间节能设计为切入点对建筑的平面形式、空间形态、空间组合形式等进行相应的限制,能够通过降低建筑负荷实现建筑用能的高效性和合理性,是进一步降低建筑能耗,提升热舒适环境水平的重要途径[4].
我国现行公共建筑节能设计标准中关于建筑方案设计阶段空间参数的节能要求主要是对建筑体型系数的控制,且未针对中庭空间节能设计做具体要求.而国内外针对公共建筑中庭空间节能设计的研究主要集中在平面形态方向,通过建立不同的中庭平面形式的建筑模型,利用模拟软件与数值分析方法找寻最佳节能方案[5-7].Wang等[8]采用遗传算法研究了绿色建筑设计过程中建筑平面形状对建筑节能性能的影响,通过建立建筑模型,讨论了由建筑平面具有的可变性产生的对建筑节能性能的变化方式.Ourghi等[9]通过分析建筑空间形态等参量对建筑能耗的影响程度,提出了一种预测建筑空间形态对冷热负荷影响的简化算法,并定义了“相对密实度”的概念,作为衡量建筑空间参数与建筑能耗关系的指标参量.宋德萱和张峥[10]从建筑体形系数的角度研究其与能耗的定量关系,得出了高度反比律、联列递减律、L/A替代律和正方极限律等四个规律.对建筑体形系数和建筑高度、建筑平面尺寸、建筑排列方式的关系进行了探索,总结了控制建筑体形系数的节能设计建议.此类结论虽有借鉴意义,但也在一定程度上限制了公共建筑空间设计的灵活性.因此,引入组合参数无量纲比值形式的空间节能设计指标能够有效解决公共建筑中庭空间方案设计灵活性与普适性的矛盾,既不限制建筑本身形式与功能的设计需求,同时又能精确引导建筑中庭空间节能设计策略实施.
基于以上研究背景,在满足现有公共建筑节能设计规范的前提下,本文提出了针对以设置中庭空间的办公建筑为代表的严寒地区公共建筑的空间节能设计指标参数.利用建筑能耗模拟软件进行以空间节能设计指标参数为变量的建筑能耗模拟,研究其与建筑全年采暖能耗之间的定量关系,确定空间节能设计指标参数取值的优选区间,指导严寒地区办公建筑中庭空间方案阶段节能设计.
基于对常见的设置有中庭空间的办公建筑形式的统计与整理[11],本研究对模拟中庭空间的对象进行了筛选和简化,最终选取了以下具有代表性的中庭空间与建筑整体的空间组合方式作为建筑能耗模拟的研究对象.综合以上因素选取双向、三向及四向贯通与非贯通中庭空间的典型案例进行模拟分析,以正方形作为中庭平面形式的代表,交叉组合共计6组试验.典型案例中庭空间与建筑整体的空间组合示意图见图1.
本研究着眼于空间指标参数变化时对建筑采暖能耗影响,这也是与建筑空间设计参数关系最为密切的、最不确定其变化规律的能耗,通过单位面积全年采暖能耗,即建筑采暖的用能密度(Energy Utilization Intensity, EUI)的形式展现.
Design Builder软件模拟过程需手动输入边界条件,本文所建立的所有模型仅是建筑和中庭空间的形式不同,其他参数均相同.
(1)气象条件:以哈尔滨地区在中国标准气象数据库(Chinese Standard Weather Data, CSWD)中的典型气象年逐时气象数据作为模拟研究的气象输入参数.
(2)建筑围护结构基本信息:本研究的目的为挖掘中庭空间设计的节能潜力,因此将建筑模型的围护结构热工性能及建造工艺设置为现有节能技术的最高标准,达到被动式超低能耗公共建筑的围护结构热工性能要求,中庭空间与室外接触的部分均设置为透明玻璃幕墙.模型建筑围护结构热工性能及构造方式及见表1.
(3)建筑内扰及采暖系统信息:建筑内部信息包括人员、设备和灯光的密度、使用时间、散热方式等,实际运行中具有随机性,本文按照通常情况设置; 建筑处于严寒地区,夏季不设集中空调系统,具体信息见表2.
目前写入公共建筑节能设计规范中的建筑空间指标参数仅有建筑体型系数一项,针对此指标参数对于建筑总体能耗的影响目前已经做过很多研究,但缺乏针对建筑内部特定空间设计参数对能耗影响的结论[13-15].本文着眼于满足建筑空间设计功能和形式的角度提出一系列基于“尺度”概念的空间节能设计指标参数,并在后文中进行由中庭空间全年动态负荷变化引起的建筑采暖EUI波动与空间节能设计指标参数之间相互关系的详尽研究,提出方案阶段建筑中庭空间节能参数化设计的合理建议.
表1 模型建筑围护结构热工性能及构造方式[12]
Tab.1 Building envelop configuration and thermal performance information
表2 建筑内扰及采暖系统信息[12]
Tab.2 Building internal disturbance and heating system information
(1)跨度高度比(SHR)
此指标参数代表了中庭空间自身的空间形式之间的关系.跨度高度比(Height-Span Ratio, SHR)是指中庭空间跨度(Span)与空间高度(Height)的商,反映了中庭空间围合的空间形态特征[16].
SHR=s/h(1)
定义中庭空间自底面至顶面的垂直距离为高度,定义平面中垂直于正方向的最大水平距离为跨度.由于体形系数定义的建筑表面积与所围合体积之商中均含有建筑高度的一次项,因此其比值在抵消高度参量后仅剩余建筑进深和面宽之间带系数的倒数和.而SHR则表示了建筑中庭空间平面尺寸与立体高度之间的关系,从平面形式和空间形态两个角度阐述设计方案中的空间参数间的影响.与建筑体形系数不同,SHR比在平面方向只有一个参量,因此设计师在确定设计平面形式之后,依然可以应用此指标参数找到最合适的空间节能设计取值区间.
为保证单一变量试验的原则,该指标只涉及非贯通型中庭(避免设置有贯通型中庭的办公建筑因建筑高度变化对建筑能耗产生的影响).为保证各指标参数模拟试验变量设置的前后一致性,将建筑层数设置为10层,层高统一设置为4 m.中庭空间跨度与建筑平面跨度的比值设置为2:5,中庭空间跨度取值范围为20~40 m,步长设置为4 m,共计6个数值; 中庭空间高度为12~22 m,步长设置为2 m,共计6个数值.双向中庭空间均设置在建筑西南侧,三向中庭空间均设置在建筑南侧,四向中庭空间均设置在建筑平面几何中心.
(2)空间建筑面积比(ABAR)
除了SHR这一比例关系外,中庭空间面积所占整体建筑面积的比例也是建筑方案设计过程中的重要参数之一.空间建筑面积比(Atrium Building Area Ratio, ABAR)代表了中庭空间与建筑的空间组合形式的相互关系,指的是处于建筑某一方位的中庭空间所占平面面积与建筑整体所占平面面积的比值[17].
ABAR=(aA)/(aB)(2)
式中:aA为中庭空间平面面积,m2; aB为建筑整体平面面积,m2.
试验研究将建筑层高统一设置为4 m,设置贯通型中庭的建筑统一为4层; 设置非贯通型中庭的建筑统一为10层.将ABAR设置为5个水平,分别为0.44、0.25、0.16、0.11、0.08,分别对应的中庭跨度与建筑跨度的比值为2:3、1:2、2:5、1:3和2:7.中庭空间跨度取值范围设置为20~40 m,步长设置为4 m,共计6个数值.
(3)朝向加权暴露变长比(OWELSR)
朝向加权暴露边长比(Orientation Weighted Exposed Length of Side Ratio, OWELSR)不同于以往相关研究中的单一变量参数指标,该比值反映了加入朝向修正后的中庭空间暴露边长与建筑外围护结构暴露边长的比值.此指标参数将中庭空间的朝向定量化,使得空间朝向能够作为量化参数进行其与建筑采暖EUI的定量关系的讨论.
我国地域广阔,热工气候分区较多,很多学者针对具体城市,特别是严寒地区城市基于冬季太阳辐射得热理论的朝向修正率进行了相关研究,提供了比较合理的修正率取值范围[18].为解决中庭空间朝向无法用量化参数定义的问题,本研究依据现有相关严寒地区城市朝向太阳辐射得热对室内温度及建筑能耗影响的相关文献的总结[19-21],通过取算数平均值的方法推演出了哈尔滨地区办公建筑中庭空间各个朝向的修正补偿系数,见表3.
根据朝向修正补偿系数定义了OWELSR的表达式:
OWELSR=(3)
式中:eEast, eWest, eSouth, eNorth为各朝向中庭空间暴露边长,m; EEast, EWest, ESouth, ENorth为各朝向建筑外围护结构暴露边长,m; αEast, αWest,αSouth,αNorth为各朝向修正补偿系数.
通过此指标参数的提出及其与设置有中庭空间的建筑采暖EUI关系的研究,可以将中庭空间的方位特征进行量化,从而精确分析考虑中庭空间围护结构暴露面长在各个建筑朝向上对建筑能耗产生的影响.
试验研究将建筑层高统一为设置4 m,设置贯通型中庭的建筑统一为4层; 设置非贯通型中庭的建筑统一为10层.为保证单一变量试验的原则,中庭空间跨度与建筑平面跨度的比值设置为0.4,中庭空间跨度区间为20~40 m,步长设置为4 m,共计6个数值; 相应的建筑总跨度取值范围为50~100 m,步长设置为10 m,共计6个数值.双向中庭空间有两个朝向暴露边,位置分别设置为西南、西北、东南、东北4个朝向; 三向中庭有一个朝向暴露边,位置分别设置为东、西、南、北4个朝向.
计算得出各组试验方案的SHR值见表4.
以双向中庭为例,双向中庭空间6组不同中庭跨度尺度下的建筑采暖EUI的试验研究结果如图2所示.由图可以得出SHR与建筑采暖EUI之间对应的6组定量关系,经过散点图的曲线拟合均呈乘幂关系.为避免SHR相等但中庭跨度不同导致的EUI相同的结果,将SHR与采暖EUI的定量关系式进行归一化处理,引入中庭跨度S变量.将拟合方程系数a和b分别与S进行拟合回归可得:系数a和b同S均呈线性关系.
Fig. 2 Quantitative relationship of SHR and heating EUI
由此可以得出SHR与建筑采暖EUI的关系式,为
(4)
将a、b两组表达式带入后,可得
(5)
带入系数拟合值,可得
Eheating=(0.108 8S+37.732)SHR-(0.000 4S+0.105 5)(6)
在建筑空间设计的相关标准规范中,实际工程情况通常将中庭空间的跨度高度比限定在1~3的范围内[22],因此在此条件下的任意尺寸的中庭空间均可以根据此关系式计算其建筑采暖EUI,以及边界范围(极大值和极小值).因此,此指标参数可以指导任意建筑平面尺寸和高度的中庭空间节能设计.
按照上文方法计算得出三向中庭SHR与建筑采暖EUI的定量关系式为
Eheating=(0.117 4S+37.443)SHR-(0.000 7S+0.095 9)(7)
四向中庭SHR与建筑采暖EUI的定量关系式为
Eheating=(0.123 6S+38.543)SHR-(0.000 3S+0.127)(8)
计算得出各组试验方案的ABAR值见表5.
以双向非贯通型中庭空间为例,由图3可以得出双向非贯通型中庭空间6组试验研究中ABAR与建筑采暖EUI之间对应的6组定量关系,经过散点图的曲线拟合均呈线性关系.将其中的系数a和b分别与中庭空间跨度S进行归一化分析可得:系数a和b同S均呈乘幂关系.
Fig. 3 Quantitative relationship of ABAR and heating EUI
由此可以得出ABAR与建筑采暖EUI的关系式:
(9)
将a、b两组表达式带入后可得
(10)
带入系数拟合值可得:
Eheating=60.871S-0.226·ABAR+36.268S-0.023(11)
在相同的ABAR条件下,设计师可以设计不同的中庭空间跨度尺寸S以满足建筑的形式与功能需求,按照上文方法计算得出双向贯通型中庭空间ABAR与建筑采暖EUI的定量关系.
Eheating=190.53S-0.015·ABAR+29.236S-0.016(12)
三向非贯通型中庭空间ABAR与建筑采暖EUI的定量关系.
Eheating=51.795S-0.182·ABAR+36.545S-0.026(13)
三向贯通型中庭空间ABAR与建筑采暖EUI的定量关系.
Eheating=192.75S-0.011·ABAR+29.156S-0.018(14)
四向非贯通型中庭空间ABAR与建筑采暖EUI的定量关系.
Eheating=83.289S-0.272·ABAR+36.111S-0.023(15)
四向贯通型中庭空间ABAR与建筑采暖EUI的定量关系.
Eheating=318.41S-0.124·ABAR+22.757S0.041 2(16)
计算得出各组试验方案的OWELSR值见表6.
在OWELSR指标参数的研究过程中,以不同方向的双向中庭和三向中庭空间的暴露边长(Exposed Length of Side, ELS)为试验变量,得到非贯通型中庭空间6组试验研究中OWELSR与建筑采暖EUI之间对应的6组定量关系(见图4),经过散点图的曲线拟合均呈指数关系.将其中的系数a和b分别与中庭空间暴露边长ELS进行归一化分析可得:系数a和b的绝对值同ELS均呈乘幂关系.
由此可以得出OWELSR同建筑采暖EUI的关系式.
(17)
将a、b两组表达式带入后可得.
(18)
带入系数拟合值可得:
Eheating=(51.243ELS-0.065)e-(0.348 7ELS-0.293)OWELSR(19)
在相同的OWELSR条件下,设计师可以设计不同的中庭空间暴露边长ELS尺寸以满足建筑的形式与功能需求,按照上文方法计算得出贯通型中庭空间OWELSR与建筑采暖EUI的定量关系.
Eheating=(69.75ELS-0.043)e-(1.174 7ELS-0.47)OWELSR(20)
将三类不同的中庭空间SHR与建筑采暖EUI的定量关系进行相互比较分析,结合建筑采暖EUI的极值计算结果(见表7)可以得出以下结论:中庭空间SHR与建筑采暖EUI定量关系的取值范围如表7(图5)所示.如图5所示,随着SHR的递增,建筑采暖EUI呈下降趋势.因此,在实际工程中普遍应用的SHR取1~3范围内时,从建筑节能角度上应尽量选择SHR较大的设计; 通过对三种中庭空间形式之间的相互比较能够得出,四向核心中庭空间由于冬季无法直接获得太阳辐射透过玻璃幕墙的热量,因此建筑采暖EUI最高,双向中庭和三向中庭空间的建筑采暖EUI相近.
表7 建筑采暖EUI极值与中庭跨度S和跨度高度比SHR的关系
Tab.7 Maximum and minimum value of heating EUI with different S and SHR of the atrium
非贯通型中庭空间的建筑采暖EUI较贯通型过渡空间有明显的节能优势,这主要是因为围护结构蓄热性能的显著提升以及周边采暖房间的户间传热效应导致的.因此在讨论ABAR的优选区间问题上,选用非贯通型中庭空间的建筑采暖EUI极大值作为控制贯通型中庭空间ABAR的约束条件.
将本研究中的中庭跨度下限S=20与上限S=40分别带入贯通型与非贯通型中庭空间ABAR与建筑采暖EUI归一化处理后的定量关系表达式中,可以得出各类型双向贯通型和双向非贯通型中庭空间的建筑采暖EUI的取值范围及相互关系.
表8 建筑采暖EUI极值与中庭跨度S和空间建筑面积比ABAR的关系
Tab.8 Maximum and minimum value of heating EUI with different S and ABAR of the atrium
如图6所示,无论贯通型中庭还是非贯通型中庭空间,建筑采暖EUI取值区域的上限均落在S=20时的曲线上,下限均落在S=40时的曲线上,说明在中庭平面面积与建筑平面面积比值相同时(ABAR一定),优先选择尺寸较大的中庭空间.随着ABAR指标参数的递增,建筑采暖EUI呈现递增的趋势,因此从建筑节能角度出发尽量选取ABAR较小的中庭空间.
确定贯通型中庭空间ABAR取值上限的方法如下:以非贯通中庭空间ABAR=1时的建筑采暖EUI作为控制贯通型中庭空间ABAR取值的上限,分别以非贯通型中庭空间在ABAR=1时的建筑采暖EUI极大值和极小值(S=20和S=40)为起点,作与X轴的平行线,于两平行线与贯通型中庭空间建筑采暖EUI的交点处分别作与X轴的垂线,两垂线与X轴的交点所对应的ABAR的取值即为贯通型中庭空间ABAR极大值的取值范围,在0.182 6~0.196 4之间.此结论为依据非贯通型中庭空间给出的贯通型中庭空间尺度设计的指导建议,推荐将贯通型中庭空间的ABAR控制在0.182 6~0.196 4(分别对应双向、三向及四向中庭空间形式)以下,能够有效降低建筑采暖EUI.
设置OWELSR指标参数的目的是将原本为朝向方位的定性概念进行合理量化,因此该参数的取值为非连续性的独立点.本研究将南、北、西、东、东北、西南、东南和西北8个中庭朝向用分别用OWELSR进行量化表示,即OWELSR共有8个取值.中庭空间暴露边长ELS的取值与其OWELSR相互独立,OWELSR的大小表示的是中庭空间在相同的暴露边长ELS条件下设置在不同朝向上的等效暴露边长,暴露边长ELS本身不随该参数的变化而变化.
将本研究中的中庭跨度下限ELS=40与研究上限ELS=80分别带入贯通型与非贯通型中庭空间OWELSR与建筑采暖EUI的定量关系表达式中,可以得出贯通型和非贯通型中庭空间的建筑采暖EUI的区间范围及相互关系(见图7).
无论在贯通型中庭空间还是非贯通型中庭空间中,能耗区域的上限均落在ELS=40时的曲线上,能耗区域的下限均落在ELS=80时的曲线上,说明在OWELSR取值一定时,优先选择尺寸较大的中庭空间.
随着OWELSR指标参数的递增,建筑采暖EUI呈现递减的趋势,因此从建筑节能角度出发尽量选取OWELSR较大的朝向设置中庭空间的位置,冬季有利于获得更长时间、更理想角度的太阳辐射得热的朝向更能够有效补偿其较大的热负荷,从而降低建筑采暖能耗.OWELSR取值即代表对应的中庭空间朝向,因此推荐的严寒地区办公建筑中庭空间设置朝向次序见表9.
基于空间尺度概念提出严寒地区办公建筑中庭空间节能设计的三项指标参数:跨度高度比(SHR)、空间建筑面积比(ABAR)和朝向加权暴露边长比(OWELSR),通过数值模拟计算及归一化处理等方法,分别确定了节能设计指标参数SHR、ABAR和OWELSR与建筑采暖EUI的定量关系的数学表达,给出了基于空间节能设计指标参数的严寒地区办公建筑中庭空间节能设计建议.主要结论如下:
(1)设置有四向中庭空间的办公建筑采暖EUI值最高,设置有双向中庭和三向中庭空间的办公建筑采暖EUI水平相近,略低于设置有四向中庭的办公建筑采暖EUI值.
(2)在实际工程设计允许的范围内(SHR取1~3),应优先选择SHR较大的设计方案.
(3)优先选取ABAR较小的中庭空间设计方案; 贯通型中庭空间建筑采暖EUI值远高于非贯通型中庭空间建筑采暖EUI值; 贯通型中庭空间ABAR的节能设计极大值应控制在0.182 6~0.196 4之间.
(4)严寒地区办公建筑中庭空间朝向设置推荐次序为:南向、东南向、西南向、东向、西向、东北向、西北向、北向.