邴赫亮

(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

引言

隨著科技的發(fā)展、社會的進步，人們對于空間舒適度的期望越來越高，同時，人們的環(huán)保節(jié)能意識也越來越強。因此，單獨探討使用空間的舒適度或僅僅關(guān)注于使用空間的節(jié)能情況是并不全面的，有必要將二者相結(jié)合，在保證空間舒適度的情況下有效地降低能耗。

采光設(shè)計作為建筑設(shè)計中不可或缺的一部分直接影響著整個空間光環(huán)境的舒適度，采光設(shè)計的合理與否影響著人的心理狀態(tài)和生理健康[1-5]。 同時，自然采光作為綠色的、無能耗的照明手段其節(jié)能方面的應(yīng)用也越來越受到人們的重視。據(jù)統(tǒng)計，照明能耗占整個建筑能耗的25%～35%，占全國電力總消耗的13%，可見照明節(jié)能有很大的潛力和空間[6]。

由于采光設(shè)計影響著維護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和參數(shù)，因此其不但影響著空間內(nèi)的光環(huán)境，還影響著空間內(nèi)的熱環(huán)境。光環(huán)境與熱環(huán)境對于空間的舒適度都具有很大影響，在我國和國際上的設(shè)計規(guī)范中對于光環(huán)境和熱環(huán)境的設(shè)計參數(shù)有一系列相應(yīng)的范圍限定及推薦，以保證所設(shè)計空間的舒適度和節(jié)能性的下限。在很多地區(qū)，為給空間提供良好的熱環(huán)境，暖通系統(tǒng)是必不可少的，而暖通負荷也是建筑能耗中所占比例較大的一項。因此，有必要探究采光設(shè)計在提高光環(huán)境舒適度和照明節(jié)能性的同時，對于熱環(huán)境的影響、以及綜合條件下怎樣才是更節(jié)能的。

由辦公空間自身的性質(zhì)及功能性要求所決定，辦公空間具有照明時間長、照度要求高、照明能耗大等特點；同時，辦公空間具有相對統(tǒng)一的照明設(shè)計要求和較強的可推廣性。因此，選擇辦公空間為對象，針對辦公空間的采光設(shè)計進行研究，探究其對于照明及暖通負荷的能耗影響。

1 能耗模型分析

1.1 模型參數(shù)分析

建筑物所在的地理位置及建筑朝向?qū)τ诮ㄖ牟晒饧盁岘h(huán)境影響非常重要，這是模擬分析之初需要首先確定的。在本次研究中選取上海作為研究對象的地理位置，并利用建筑環(huán)境模擬軟件Ecotect對上海地區(qū)的建筑最佳朝向進行計算與確定，其計算結(jié)果為正南向，與《民用建筑綠色設(shè)計規(guī)范》中上海的最佳朝向為正南至南偏東15°相吻合，故本次研究中取正南朝向進行模擬分析[7]。

采光設(shè)計的不同，會直接影響到室內(nèi)的自然光分布，進而影響照明能耗的大小。經(jīng)過查閱資料、設(shè)計手冊及相關(guān)規(guī)范，分析得到主要的影響因素如下：

(1)窗墻比，改變窗墻比會直接影響室內(nèi)的采光量，進而顯著地影響室內(nèi)的采光情況和自然光照度，由此對于室內(nèi)的照明能耗造成顯著的影響，一般來說這是對于采光情況及照明能耗影響最大的因素。

(2)可見光透射比，指透過透明材料的可見光光通量與投射在其表面可見光光通量之比。一般人們習(xí)慣于用透光率來代替可見光透射比，描述玻璃的透光性能?？梢姽馔干浔鹊母淖儗τ诓晒庑Ч?、照明能耗有著直接的影響，但一般情況下可見光透射比的取值范圍不會相差太大。

(3)窗高，窗的高度會直接影響自然光在室內(nèi)的分布情況，進而對人工照明的需求產(chǎn)生影響。因此，窗高會對照明能耗產(chǎn)生影響。

(4)窗的形狀，在窗的面積確定的情況下，改變窗的形狀會影響室內(nèi)的采光分布，進而對照明能耗造成一定的影響。

1.2 能耗模型建立

采光設(shè)計涉及到許多的相關(guān)參數(shù)，每一個參數(shù)的變化都可能影響到照明及暖通負荷能耗的變化。雖然，每個參數(shù)在相應(yīng)變化趨勢下對于能耗的影響趨勢是可知的，但是由于參數(shù)較多且每個參數(shù)相關(guān)的計算公式都非常復(fù)雜，這導(dǎo)致所有參數(shù)混合在一起之后整體情況的計算更為復(fù)雜，因而導(dǎo)致使用公式進行理論推導(dǎo)計算獲得多種參數(shù)下的最優(yōu)解幾乎不可能完成。

在不便利用公式計算獲得影響因素與能耗關(guān)系的情況下，可將該問題轉(zhuǎn)化為灰箱模型，通過仿真軟件對確定的輸入?yún)?shù)進行條件仿真獲得相應(yīng)的能耗結(jié)果，并利用大量的仿真結(jié)果建立系統(tǒng)的輸入與輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。由模型參數(shù)分析可知系統(tǒng)的相關(guān)輸入?yún)?shù)，并根據(jù)根據(jù)《辦公建筑設(shè)計規(guī)范》、《建筑采光設(shè)計標準》、《建筑照明設(shè)計標準》等國家規(guī)范及實際工程和材料性能對各參數(shù)的模擬值進行了限定，具體如下：

(1)窗墻比x，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》及《建筑采光設(shè)計標準》的要求，窗墻比x為0.2～0.7，從實際工程中玻璃幕墻的支撐材料占比、滿足防火要求及保溫隔熱要求導(dǎo)致實際情況下窗墻比不會超過0.7。

(2)可見光透射比(透光率)y，綜合《建筑采光設(shè)計標準》中各種建筑玻璃的透光率參數(shù)值以及《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》中對于透光率y的要求綜合考慮，將透光率的模擬邊界選定在0.6～0.8，該取值符合多數(shù)現(xiàn)有工程和實計工程設(shè)計取值的要求[8-10]。

(3)窗高h，窗高h為每種窗墻比下的每個可能情況，非玻璃幕墻情況下窗高不低于0.8 m，且窗底高度不高于1.4 m。

(4)窗的形狀k的影響，在模擬分析中對每種窗墻比下對不同的窗的形狀進行模擬，取采光效果最佳的形狀計入數(shù)據(jù)。

(5)傳熱系數(shù)z，通過查詢樣本及規(guī)范中各種窗的傳熱系數(shù)值確定目前技術(shù)條件下窗的傳熱系數(shù)范圍在1～4 W/(m2·K)[11]。

(6)遮陽系數(shù)s，規(guī)范中要求的遮陽系數(shù)s的取值受多種因素的影響，如窗、遮陽棚、窗簾的材質(zhì)和設(shè)置情況，本次研究及模擬中僅考慮窗本身的材質(zhì)及參數(shù)對于遮陽系數(shù)的影響，結(jié)合各種窗的材質(zhì)情況，將遮陽系數(shù)的模擬值范圍確定在0.4～0.8[12]。

通過不斷改變灰箱模型的輸入?yún)?shù)，仿真獲取能耗計算結(jié)果，并利用數(shù)據(jù)處理軟件對所得數(shù)據(jù)進行分析，最終可獲得模型的輸入?yún)?shù)與系統(tǒng)輸出之間的函數(shù)關(guān)系式。通過灰箱模型建立的，各參數(shù)對綜合能耗進行影響的能耗模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 能耗模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of energy consumption model

2 照明能耗的分析與計算

通過良好的采光設(shè)計可以達到降低照明能耗的效果，那么在對照明能耗的分析中尋找自然采光和人工照明之間的聯(lián)系則尤為重要。照度作為照明最為重要的評價指標為二者的聯(lián)系提供了橋梁。規(guī)范及設(shè)計手冊中規(guī)定，高級辦公室工作面照度為500 lx，普通辦公室工作面照度為300 lx[13，14]。為保證辦公空間人員的舒適性及人們生活水平、要求的提升，按照較高等級的辦公空間照度要求500 lx進行研究，在暖通能耗的研究中同樣按照較高等級辦公空間的要求進行能耗模擬。

首先，在僅考慮人工照明的情況下，設(shè)計滿足相關(guān)照明設(shè)計規(guī)范的人工照明方案。選擇辦公照明常用的高效節(jié)能燈具T5直管熒光燈，技術(shù)參數(shù)參考飛利浦公司的TL5 HE28 W/840，光源光通量為2 800 lm功率為28 W，配電子鎮(zhèn)流器(功率損耗按2 W另計)。通過查詢本人所在設(shè)計院近年設(shè)計的新建辦公建筑數(shù)據(jù)，上海地區(qū)的一類辦公建筑層高大致在4.5～4.9 m，若考慮辦公區(qū)域進行吊頂，凈高一般不低于3 m(規(guī)范要求最低值為2.7 m)[15]，近年來辦公空間也有不設(shè)置吊頂采用工業(yè)風設(shè)計的情況。綜合上述情況，在后續(xù)采光及暖通能耗的模擬中按照4 m高度進行建模。以長8 m、寬5 m、高4 m作為空間模型的尺寸進行計算時，在所建模型中均勻布置16盞熒光燈即可滿足要求。計算公式如下：

(1)

其中K1為利用系數(shù)，K2為維護系數(shù)，根據(jù)規(guī)范分別取值為0.6和0.8。計算結(jié)果在規(guī)范要求的500 lx偏差范圍10%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。同時，對該照明設(shè)計的LPD值(建筑房間中單位面積的照明安裝功率)進行計算，以核查該設(shè)計是否符合節(jié)能標準。計算公式如下：

(2)

計算所得LPD值為12 W/m2，不但小于節(jié)能規(guī)范的現(xiàn)行值15 W/m2，還小于其規(guī)定的目標值13.5 W/m2，可見該照明設(shè)計不僅是符合標準要求的，還是具有節(jié)能效果的照明設(shè)計。

將房間均分為4行4列共計16個區(qū)域，每個燈具對應(yīng)其中一個區(qū)域，計算每種工況下小塊區(qū)域的自然采光照度，以是否達到500 lx為條件決定是否開啟該區(qū)域的人工照明進行補光。

根據(jù)《上海通志》中的數(shù)據(jù)，上海晴天約占41%、陰天約占15%、曇天(即云量為2～8層，大于8層為陰天，小于2層為晴天)約占44%。在此次研究中，利用建筑環(huán)境模擬軟件Ecotect進行了共計44組工況下的仿真，對每組工況分別采用晴天模型及全陰天模型進行模擬。其中，將曇天以晴天及陰天進行代替，按照全年60%的工作時間以晴天模型進行模擬，全年40%的工作時間以全陰天模型進行模擬，并將兩種情況的照明節(jié)約能耗折算至該工況下的總照明節(jié)約能耗中。鑒于篇幅所限僅列出在全陰天條件下窗高0.8 m、透光率為0.6、窗墻比0.2時的仿真結(jié)果，如圖2所示。

圖2 Ecotect采光仿真結(jié)果Fig.2 The daylighting simulation result of Ecotect

經(jīng)過對模擬結(jié)果進行分析和計算，獲得了不同工況下的照明節(jié)約能耗。在進行節(jié)能性計算時，所提供的自然光照明有效節(jié)能時間按照8小時日間工作時間進行統(tǒng)計，且不計休息日的照明節(jié)約能耗。再利用數(shù)據(jù)處理軟件SPSS對每種工況下照明節(jié)約的能耗數(shù)據(jù)進行計算和分析，獲得了不同透光率下的系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系圖，通過關(guān)系圖可以直觀地看到三者之間的關(guān)系，以及不同因素變化時，能耗情況的變化趨勢。其中透光率為0.6和0.8時的窗高、窗墻比及照明節(jié)約能耗關(guān)系表如表1所示，關(guān)系圖(系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系圖)如圖3所示，其中左側(cè)三位點狀圖為0.6透光率計算結(jié)果，右側(cè)為0.8透光率計算結(jié)果。

表1 不同工況下的照明節(jié)能情況

圖3 系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系圖Fig.3 Diagram of system input and output relationships

從圖3可以看出，窗墻比對于照明能耗具有顯著的影響，窗高由于可以改變室內(nèi)采光的照度分布，在一定程度上對照明能耗同樣具有影響。但由于窗高不會改變總光通量，因此對于照明的能耗的影響沒有窗墻比顯著。利用數(shù)學(xué)分析軟件SPSS對三者的關(guān)系進行求解，可以獲得三者之間的函數(shù)關(guān)系式，具體關(guān)系如下。

(3)

式中f1為透光率為0.6情況下的照明節(jié)約能耗，單位kWh；f2為透光率為0.8情況下的照明節(jié)約能耗，單位kWh；x1為窗墻比；x2為窗的高度，單位m。

經(jīng)過調(diào)查研究表明，一般情況下人們所能接受的非玻璃幕墻形式的合理窗高在0.8～1.2 m之間[16]。再對不同工況下，不同窗高的照明能耗進行分析可知，在相同透光率和窗墻比的條件下，窗高為1.2 m時的照明節(jié)約能耗較高。與窗高1.4 m時的情況相比較，窗高為1.2 m時室內(nèi)采光分布在大部分工況下具有相同的照明能耗節(jié)約值，同時室內(nèi)的采光均勻度明顯優(yōu)于窗高為1.4 m的工況。因此，綜合主觀需求和客觀分析結(jié)果可知，在窗高為1.2 m時采光設(shè)計具有最高的合理性。這樣便可將上述函數(shù)關(guān)系進一步簡化，如下：

(4)

3 暖通能耗的分析與計算

對于同樣的暖通系統(tǒng)，不同的建筑工況有著不同的暖通能耗。在模型的建立中，選用了與照明能耗分析中相同的各種工況，并對建筑空間的功用以及室內(nèi)的各項參數(shù)進行定義，以便為建筑的熱工性能計算提供依據(jù)。其中，需要定義的參數(shù)有：房間類型、最低照度設(shè)定、人員作息情況、人均發(fā)熱量、人均產(chǎn)濕量、人均最低新風、燈光熱擾、設(shè)備熱擾等情況。各項參數(shù)的設(shè)定值均依據(jù)相關(guān)熱工規(guī)范及設(shè)計手冊確定及選取。

在建筑的各個結(jié)構(gòu)及維護系數(shù)確定后，便可根據(jù)需要調(diào)節(jié)與窗相關(guān)的各項參數(shù)，模擬不同工況下的能耗情況。在采光分析中確定了一些與照明能耗相關(guān)的窗參數(shù)，如窗墻比、窗高及透光率。在暖通能耗分析中，窗墻比的改變會顯著地改變圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，對室內(nèi)外的熱傳遞情況以及自然光照射引入的熱量情況產(chǎn)生顯著的影響。窗高在采光分析中會改變自然光的分布，進而影響室內(nèi)照明能耗，但對于暖通能耗而言，窗高的改變并不會改變引入室內(nèi)的自然光的總光通量，因此不會改變自然光照射所引入室內(nèi)的總熱量，在暖通能耗分析中無需考慮窗高的影響。

通過利用建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬軟件DeST對各個工況(共計110個不同工況)的能耗情況進行仿真計算后，得到了不同工況下的全年熱負荷能耗、全年制冷能耗以及總能耗。將各個工況下的能耗情況按照一定的規(guī)律進行整理，得到了不同窗墻比下的能耗情況。鑒于篇幅受限，僅列出窗墻比為0.2時模擬軟件DeST的能耗模擬結(jié)果，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

通過利用數(shù)學(xué)分析軟件SPSS對各種工況下照明能耗以及暖通能耗數(shù)據(jù)的進行計算分析，可確定對于綜合能耗影響最大的參數(shù)為窗墻比，并獲得如下參數(shù)：最佳窗高h為1.2 m、透光率y為0.8、遮陽系數(shù)s為0.8、傳熱系數(shù)z為1～2之間。窗墻比與總體能耗的函數(shù)關(guān)系如式(5)所示。增加窗墻比0.25及0.35條件下4種照明節(jié)能情況及4種暖通能耗情況的進一步的模擬和計算，結(jié)果如表3所示，最終獲得該區(qū)間內(nèi)更為精細的能耗關(guān)系圖，如圖4所示(以傳熱系數(shù)為2為例)。

W(x,0.8,1,0.8,1.2)=

1611.719x2-764.634x+3210.828

W(x,0.8,2,0.8,1.2)=

1611.719x2-738.005x+3220.645

(5)

表2 窗墻比為0.2時各工況的能耗情況

表3 窗墻比為0.25和0.35時各工況的能耗情況

圖4 窗墻比與總體能耗關(guān)系圖(傳熱系數(shù)為2)Fig.4 Relationship diagram of window-wall ratio and total energy consumption

經(jīng)過計算分析可知，在窗墻比為0.25～0.3之間時總體能耗最低，節(jié)能性最佳。結(jié)合采光設(shè)計主觀舒適性的研究，在上海地區(qū)的辦公空間最佳窗墻比為0.3，在實際工程中建議窗墻比取值在0.3～0.4之間。最終確定上海地區(qū)辦公建筑的采光節(jié)能模型各參數(shù)的最優(yōu)值，具體取值如下：窗墻比x為0.3，透光率y為0.8，傳熱系數(shù)z為1～2 W/(m2·K)，窗高h為1.2 m，遮陽系數(shù)s為0.8。其中傳熱系數(shù)的取值，滿足上海《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》中對于該窗墻比0.3～0.4時的限值不超過2 W/(m2·K)要求。

4 總結(jié)及展望

本文結(jié)合國家規(guī)范和產(chǎn)品性能手冊等相關(guān)資料，從辦公空間的功能性和需要出發(fā)，分析光環(huán)境的各項指標需求。各種工況的輸入?yún)?shù)邊界條件均在國家規(guī)范對采光設(shè)計、照明設(shè)計以及各種維護結(jié)構(gòu)性能的限定下進行選取，同時緊密結(jié)合工程實際，各種材料及輸入?yún)?shù)的選取范圍也在實際工程中可能達到的值作為限定標準。分析了采光設(shè)計中對照明能耗及暖通負荷產(chǎn)生影響的設(shè)計因素，在確定最佳朝向以及建筑所在位置的氣象信息后，利用建筑環(huán)境模擬軟件Ecotect對不同參數(shù)下的采光效果進行了模擬分析，共獲得48種不同工況下的模擬結(jié)果；利用建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬軟件DeST對不同參數(shù)下的能耗情況進行了模擬分析，共獲得114種不同工況下的模擬結(jié)果。利用數(shù)學(xué)分析軟件SPSS對162組模擬數(shù)據(jù)進行分析，進而獲得了采光設(shè)計參數(shù)變化時，對應(yīng)年總照明節(jié)能量、暖通總能耗及綜合能耗的函數(shù)變化關(guān)系式及函數(shù)曲線圖。通過該關(guān)系式，可以清楚地了解在采光設(shè)計改變的情況下對應(yīng)的能耗節(jié)約情況。

本文對今后的采光節(jié)能設(shè)計提供了一定的數(shù)據(jù)支持，也為綜合節(jié)能的分析提供了一個可行的研究方向。同時，證明了在合理進行采光設(shè)計的前提下，照明的節(jié)能量是大于圍護結(jié)構(gòu)改變而導(dǎo)致暖通負荷的耗能量的，而且在今后不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)應(yīng)用下，采光節(jié)能大有可為。

另外，國外已經(jīng)有諸多天然光對人有利的研究結(jié)果，如提高人的工作積極性、工作效率、健康情況等。雖然目前人們都十分關(guān)心能耗的節(jié)約，但是人的需求更應(yīng)當受到關(guān)注。國外有調(diào)查表明，一個工作人員一年的照明用電費用僅和他一小時的薪金相當。因此，有人提出天然采光的經(jīng)濟性主要表現(xiàn)在促進生產(chǎn)力、提高工作效率和增加出勤率等方面。在未來的研究中，可以嘗試將采光設(shè)計對人的影響以函數(shù)關(guān)系式的方式進行表達，與客觀的節(jié)能模型相關(guān)聯(lián)，以獲得不僅僅是在節(jié)能性上的最優(yōu)模型。