河南財(cái)政金融學(xué)院,河南 鄭州 451464

根據(jù)2018年度報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)建筑能耗總量達(dá)8.99億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占能源消費(fèi)總量的20.6%，在高層辦公建筑建筑上的能耗達(dá)到了總能耗的30%以上，我國(guó)高層辦公建筑逐年新增建筑面積為20億m2。公共建筑能耗占建筑全部能耗三分之一左右，而公共辦公類型建筑占公共建筑總能耗的五分之一。鄭州地區(qū)高層辦公建筑夏天需要制冷，冬天需要采暖，能耗大，節(jié)能潛力巨大。鄭州高層辦公建筑夏冷冬暖，能耗高，節(jié)能潛力巨大[1]。目前，李寶峰[2]、李炳南[3]等學(xué)者對(duì)建筑透明外表皮和外墻被動(dòng)式節(jié)能進(jìn)行了研究。從整體上看，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)是外部防護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能技術(shù)設(shè)計(jì)。目前理論在建筑前期規(guī)劃方案設(shè)計(jì)上未雨綢繆，提前進(jìn)行節(jié)能技術(shù)設(shè)計(jì)的研究較少，本文以鄭州市典型高層辦公類建筑做為研究對(duì)象，利用Design Builder軟件建立典型模型，以平面形狀、建筑表面寬深比、建筑高度、建筑形狀系數(shù)等參數(shù)模擬辦公建筑能耗。回歸分析揭示了辦公建筑能耗數(shù)值與不同設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系式，為鄭州建設(shè)國(guó)家中心城市進(jìn)行綠色節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1 模擬方法

1.1 物理模型

本文主要是研究鄭州高層辦公建筑設(shè)計(jì)參數(shù)與建筑節(jié)能的關(guān)系，主要采用的方法是采用Design Builder軟件進(jìn)行建模，選取了鄭東新區(qū)CBD商務(wù)內(nèi)環(huán)1號(hào)的河南光彩大廈作為建筑物理模型光彩大廈一共20層，包括3層裙房和17層標(biāo)準(zhǔn)間，因設(shè)計(jì)先進(jìn)、施工精準(zhǔn)和用材考究獲得魯班獎(jiǎng)。

本文主要是研究鄭州高層辦公建筑設(shè)計(jì)參數(shù)與建筑節(jié)能的關(guān)系，主要采用的方法是采用Design Builder軟件進(jìn)行建模，選取了鄭東新區(qū)CBD商務(wù)內(nèi)環(huán)1號(hào)的河南光彩大廈作為建筑物理模型光彩大廈一共20層，包括3層裙房和17層標(biāo)準(zhǔn)間，因設(shè)計(jì)先進(jìn)、施工精準(zhǔn)和用材考究獲得魯班獎(jiǎng)。

根據(jù)實(shí)際調(diào)研，光彩大廈首層高度是6 m，第三層為4.5 m，其他標(biāo)準(zhǔn)層建筑高度為3.9 m，利用Design Builder軟件來(lái)建立并命名為真實(shí)模型。第二步建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將建筑平面和建筑外圍護(hù)里面做了合理的簡(jiǎn)化，僅僅保留外圍外墻，內(nèi)部視為一個(gè)大盒子，不扣除非采暖的樓梯間面積。同時(shí)在軟件中加入建筑高度、平面形狀、面寬和進(jìn)深等設(shè)計(jì)因素，命名為簡(jiǎn)化模型。將參數(shù)輸入進(jìn)去后，將真實(shí)模型能耗模擬結(jié)果和精簡(jiǎn)后的模型模擬結(jié)果進(jìn)行比較，將結(jié)論繪制如表1所示。

表1 真實(shí)模型與精簡(jiǎn)模型能耗模擬結(jié)果對(duì)比分析Table 1 Comparison and analysis on the simulation results of energy consumption from the real model and simplified model

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論來(lái)看，通過(guò)對(duì)建筑立面拉直處理，并將原本應(yīng)該刪除的樓梯間面積也考慮在內(nèi)，從而增加了模型采暖建筑面積，簡(jiǎn)化模型能耗大于實(shí)際模型能耗，能耗隨著建筑高度的增加，趨勢(shì)是下降的。簡(jiǎn)化模型和實(shí)際模型能耗走勢(shì)是相似的，由此可以得出結(jié)論，可以將簡(jiǎn)化模型作為研究辦公建筑能耗與設(shè)計(jì)參數(shù)因素的基礎(chǔ)。

1.2 模擬方法

采用Design Builder軟件對(duì)高層辦公建筑平面形式、開(kāi)間與進(jìn)深、高度、體型系數(shù)等不同設(shè)計(jì)變量與其整體建筑能耗之間的定量關(guān)系進(jìn)行研究，分別進(jìn)行了四個(gè)實(shí)驗(yàn)，模擬不同設(shè)計(jì)參數(shù)，分析各設(shè)計(jì)參數(shù)與能耗之間的關(guān)系。

2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)和輔助參數(shù)

本文研究中除了考慮上述四個(gè)變量之外，還需要增加一個(gè)輔助變量，即高層辦公建筑的類型，用以研究不同參數(shù)影響下不同類型高層辦公建筑的能耗。高層辦公建筑分為點(diǎn)式和條式兩類，點(diǎn)式高層辦公樓平面布置形式以樓電梯核心筒為中心，四周布置其他功能房間，是目前非常常見(jiàn)的一種功能布置方式；而長(zhǎng)條形高層辦公建筑大多數(shù)是中間設(shè)計(jì)走廊，兩側(cè)設(shè)置其他功能房間，建筑布局造型宛若長(zhǎng)條形，屬于應(yīng)用較少的一種形式。筆者主要從鄭州既有高層辦公建筑中選取典型案例，并結(jié)合自己專業(yè)背景進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研和勘察，整理歸檔。

3 模擬變量設(shè)置

進(jìn)行模擬研究時(shí)，要根據(jù)每個(gè)單項(xiàng)研究?jī)?nèi)容不同，來(lái)確定單個(gè)研究項(xiàng)目中的主變量、輔助變量等設(shè)置情況。例如：研究平面形狀時(shí)，平面形狀為主變量，建筑類型、建筑高度、進(jìn)深與面寬比和體形系數(shù)為輔助變量?？梢源_保模擬過(guò)程的準(zhǔn)確性、全面性和客觀性。其他以此類推（表2）。

表2 能耗模擬變量設(shè)置情況一覽表Table 2 List of energy consumption simulation variables

4 模擬過(guò)程排序

合理的建筑平面布置是建筑設(shè)計(jì)的首要工作，故首先研究平面形狀與能耗的關(guān)系。后面依次研究面寬與進(jìn)深跟能耗的關(guān)系、高度與能耗的關(guān)系，最后研究體形系數(shù)與能耗的關(guān)系[4]。后期將研究成果繪制成變化曲線圖，并采用軟件分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)能耗影響的具體數(shù)值，得出定量結(jié)果。

4.1 不同參數(shù)下高層辦公建筑能耗模擬

在前期方案設(shè)計(jì)階段最大限度考慮到節(jié)能、環(huán)保、綠色、低碳設(shè)計(jì)理念，可以提前采取措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在進(jìn)行高層辦公建筑設(shè)計(jì)中，將不同空間設(shè)計(jì)要素進(jìn)行分解，考慮到節(jié)能因素進(jìn)行模擬分析。接著是建筑體量包括面寬和進(jìn)深兩個(gè)方面，可以對(duì)應(yīng)平面的長(zhǎng)、寬等關(guān)系；而建筑高度則包括建筑層高和層數(shù)兩個(gè)方面因素。故可以提取高層辦公空間的四個(gè)要素：建筑平面形狀、面寬和進(jìn)深、建筑高度、體形系數(shù)，采用Design builder軟件來(lái)模擬并輸出結(jié)果。

4.2 辦公建筑平面形狀與節(jié)能關(guān)系

高層辦公建筑受結(jié)構(gòu)選型制約和消防要求，點(diǎn)式高層辦公建筑較多采用長(zhǎng)方形、橢圓形、等形狀，根據(jù)不同地形和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行空間設(shè)計(jì)。本文調(diào)研的鄭州地區(qū)50棟高層建筑平面形狀如表3所示。通過(guò)調(diào)查數(shù)據(jù)可以看出來(lái)，長(zhǎng)方形的形狀占比34%，屬于應(yīng)用最廣泛的平面形式。

表3 高層辦公建筑平面形狀分布表Table 3 Distribution of plane shape of high-rise office building

下面針對(duì)不同的平面形狀進(jìn)行能耗模擬實(shí)驗(yàn)，用Design Builder軟件從采暖能耗、制冷能耗和總能耗三個(gè)方面，來(lái)分析鄭州高層辦公建筑平面形狀的影響，并將研究結(jié)果繪制如圖1所示。

4.3 制冷能耗

圖1 平面形狀對(duì)高層辦公建筑能耗的影響Fig.1 Influence of plane shape on energy consumption of point-type high-rise office building

針對(duì)鄭州高層辦公建筑不同平面形狀的模擬分析，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，平面形狀長(zhǎng)寬比為1的高層辦公建筑總能耗數(shù)值最大，第二位的是矩形平面形狀長(zhǎng)寬比為1.3,第三位是長(zhǎng)寬比是1.5，接著是橢圓形，最低的是圓形。矩形平面長(zhǎng)寬比增加，能耗比隨著降低，呈線性下降趨勢(shì)。根據(jù)模擬結(jié)果可以得出結(jié)論：隨著長(zhǎng)寬比增加，采暖能耗不變，制冷能耗降低，總能耗降低。

4.4 建筑高度變化的能耗敏感性分析

建筑高度是由建筑層數(shù)和建筑層高兩個(gè)因素決定的，本實(shí)驗(yàn)選擇了建筑層數(shù)為主要變量，建筑層高為輔助變量進(jìn)行研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，鄭州地區(qū)高層辦公建筑主要層高在3.6～4.2 m之間，因此設(shè)定3.6 m、3.7 m、3.8 m、3.9 m、4.0 m、4.1 m、4.2 m七個(gè)層高變量，裙房統(tǒng)一設(shè)定為5.1 m，共3F，每三層設(shè)一個(gè)層數(shù)變量。根據(jù)模擬原則，建筑朝向采用上北下南朝向，矩形平面，建筑長(zhǎng)度采用鄭州光彩大廈的尺寸，建立模型數(shù)據(jù)如表所示，開(kāi)窗尺寸均按照鄭州光彩大廈的尺寸進(jìn)行模擬。在建筑平面形式、體型系數(shù)一致，當(dāng)建筑高度發(fā)生變化時(shí)，建筑層高變化對(duì)能耗增長(zhǎng)接近線性。冬季氣溫寒冷，太陽(yáng)輻射熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通過(guò)外窗流失的熱量，隨著建筑高度增加建筑通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱的熱損失進(jìn)一步加大，故建筑層高是總能耗和采暖能耗增加的主要原因。

其中：其中：Y—單位高層辦公建筑能耗；X—高層辦公建筑高度；A、B、C、R為不同設(shè)計(jì)參數(shù)為變量，當(dāng)高層辦公建筑的高度為x1時(shí)，假定其單位建筑能耗達(dá)到最低，定義為y1。得到公式（1）：

4.5 建筑平面長(zhǎng)寬比系數(shù)能耗

矩形辦公建筑包括長(zhǎng)和寬兩個(gè)方向的長(zhǎng)度量度，假定建筑寬度不變，將長(zhǎng)度增大，長(zhǎng)寬比增加，根據(jù)圖3 單位建筑能耗是逐步降低的。進(jìn)深越大越節(jié)能。矩形平面的辦公建筑節(jié)能效果優(yōu)于正方形的辦公建筑，故辦公建筑平面長(zhǎng)度大于平面寬度的建筑更節(jié)能[5]。因此確定建筑面積不變的前提下，對(duì)建筑平面長(zhǎng)度和寬度與能耗關(guān)系進(jìn)行如下論證。假定辦公建筑面積為S1，那么辦公建筑單層平面面積S 為S1/n，n-辦公建筑的層數(shù)，x-辦公建筑平面長(zhǎng)度，y-辦公建筑平面寬度。那么可以得出：

且x＞y。假定辦公建筑平面的長(zhǎng)寬比為z，則,那么可以得出：

根據(jù)上述公式，可以得出結(jié)論，假定高層辦公建筑面積S不變，建筑能耗隨著長(zhǎng)寬比變化而變化，當(dāng)建筑層數(shù)為N固定值時(shí)，可求出最低能耗對(duì)應(yīng)的建筑長(zhǎng)寬比Z的數(shù)值。辦公建筑平面尺寸與能耗的關(guān)系曲線為指數(shù)減函數(shù)。建筑能耗隨著長(zhǎng)寬比z的增加而降低，且降低的幅度是從大到小，當(dāng)建筑平面長(zhǎng)寬比z高于0.8時(shí)，建筑能耗基本上不增加，反而有升高的趨勢(shì)。當(dāng)建筑長(zhǎng)寬比z值的增加時(shí)，建筑能耗水平隨著下降，當(dāng)臨界點(diǎn)超過(guò)0.8時(shí)，建筑能耗降低速度趨緩，基本上不再降低,反而增加了。導(dǎo)致這一變化的原因是隨著平面長(zhǎng)寬比增大，建筑體形系數(shù)也增加了，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量損失進(jìn)一步增加。以上數(shù)據(jù)均由鄭州市高層辦公建筑模擬得到的，誤差可控，結(jié)論也具有可參考性。

圖2 建筑平面長(zhǎng)寬比系數(shù)對(duì)高層辦公建筑能耗的影響Fig.2 Influence of building plane aspect ratio coefficient on energy consumption of high-rise office buildings

通過(guò)對(duì)不同建筑平面長(zhǎng)寬比辦公建筑的能耗研究，得出隨著辦公建筑寬度增加，能耗水平呈線性下降趨勢(shì)，得出結(jié)論當(dāng)辦公建筑長(zhǎng)度不變時(shí)，加大進(jìn)深有利于降低建筑能耗，提高節(jié)能水平。

4.6 建筑體形系數(shù)能耗

建筑體形系數(shù)是衡量建筑節(jié)能水平高低的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)流失的熱量在建筑物整體能耗中占據(jù)較大比例。為了有較好的節(jié)能效果，建筑體形系數(shù)應(yīng)該控制在合理范圍內(nèi)，使得通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散失的熱量處于較低的程度。在上文中，通過(guò)對(duì)辦公建筑平面形狀與建筑能耗關(guān)系研究，得出等面積、等體積的高層點(diǎn)式辦公建筑，采用長(zhǎng)方形的能耗最低。進(jìn)一步對(duì)不同平面形狀的高層辦公建筑體形系數(shù)與建筑能耗關(guān)系進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析，如表4所示。

表4 高層辦公建筑體形系數(shù)與能耗分析表Table 4 Form coefficient and energy consumption analysis table of high-rise office building

通過(guò)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出高層辦公建筑體形系數(shù)與建筑能耗關(guān)系并不是線性增加或減少的關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)中考慮建筑外窗對(duì)采暖和制冷能耗的影響，對(duì)于表中前三種平面的辦公建筑，單位建筑能耗與體形系數(shù)成反比。重新對(duì)體形系數(shù)對(duì)建筑能耗影響進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到如下模擬數(shù)據(jù)。

表5 不同窗墻比高層辦公建筑能耗模擬分析表Table 5 Analysis of Energy consumption simulation on high-rise office buildings with different window-to-ground ratio

根據(jù)上述圖表所列數(shù)據(jù)可以看出，扣除外窗影響，高層辦公建筑能耗水平隨著體形系數(shù)增加而增加。而考慮外窗因素時(shí)候，卻看到不同結(jié)果。在節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，不要片面考慮形體造型因素，要考慮外窗的自身熱工性能、獲得太陽(yáng)能熱輻射高低、外窗遮陽(yáng)系數(shù)等因素[6]。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)鄭州地區(qū)高層辦公建筑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，從而得出：

1）通過(guò)分析研究不同平面形狀的高層辦公建筑，得出長(zhǎng)方形的高層辦公建筑是最有利于節(jié)能的平面形式。因此在建筑設(shè)計(jì)前期，為了取得較好的保溫節(jié)能效果，建筑平面應(yīng)該盡可能規(guī)整和簡(jiǎn)潔；

2）通過(guò)對(duì)不同高度的高層辦公建筑研究，發(fā)現(xiàn)層高和建筑能耗成線性關(guān)系，隨著層高的增大，能耗增加；建筑層高變化對(duì)能耗增長(zhǎng)接近線性，并得出建筑高度與能耗關(guān)系的一元方程式；

3）通過(guò)對(duì)高層辦公建筑平面長(zhǎng)寬比研究，得出隨著辦公建筑寬度增加，能耗水平呈線性下降趨勢(shì)，得出結(jié)論當(dāng)辦公建筑長(zhǎng)度不變時(shí)，加大進(jìn)深有利于降低建筑能耗，提高節(jié)能水平。在進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先考慮建筑高度權(quán)重，其次是考慮建筑平面長(zhǎng)寬比系數(shù)；

4）通過(guò)對(duì)高層辦公建筑體形系數(shù)研究，得出：不考慮建筑外窗面積時(shí)，建筑體形系數(shù)與建筑能耗呈線性關(guān)系；當(dāng)考慮建筑外窗面積時(shí)，建筑能耗隨著體形系數(shù)增加先減少后增大。因此我們研究要綜合太陽(yáng)能輻射、窗墻比參數(shù)、建筑自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)狀況、外窗遮陽(yáng)系數(shù)等統(tǒng)一綜合考慮。

對(duì)于鄭州高層辦公建筑節(jié)能研究，是一個(gè)具體而具有重要參考意義的課題項(xiàng)目，本文重點(diǎn)側(cè)重研究基于Design Builder軟件，對(duì)調(diào)研對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬整理，重構(gòu)模型，得出結(jié)論，以期對(duì)鄭州中心城市建設(shè)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。