基于节能减碳及光环境性能优化的办公建筑被动式窗墙系统研究

全球气候变化问题已成为国际社会关注的焦点，通过控制温室气体排放来减缓全球增暖的速度已成为社会共识。减少能源消耗不仅是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的关键环节，也是遏制全球气候变化的重要举措。根据相关统计，我国建筑行业全过程能耗和碳排放分别占社会总能源消费和碳排放的46.5 %和51.3 %，其中办公建筑所占比例最大。如何针对办公建筑特点，进一步减少办公建筑能耗、降低办公建筑碳排放是当前亟待解决的问题。天然采光是提升室内照度最为经济的手段，自然光的光色、频闪、显色指数等指标显著优于一般人工光源。办公建筑出于采光和视野的功能性要求，或是基于功能及经济性的考量，常采用较高的窗墙比、较大的建筑进深。但由于窗是围护结构中热工性能最为薄弱的环节，其热损失占到了建筑总能耗的20 %~40 %，高窗墙比不可避免地带来了高能耗的问题。同时普通侧窗或幕墙由于结构限制使得照度在房间进深方向快速下降，因而较大的建筑进深易造成室内常出现如照度不足、照度均匀度低等严重等光环境问题。因此急需展开以节能与提升室内光环境健康性能为目标的办公建筑窗结构优化研究。当前研究或着眼于室内环境对人体影响的优化，或致力于改进窗户节能性能，较少降低建筑能耗与提升建筑光环境健康性能耦合优化技术的研究。将一套具有导光遮阳通风功能的被动式窗墙系统，应用于夏热冬冷地区某办公建筑，通过数值模拟分析其对办公建筑节能与室内光环境健康性能的提升潜力。1 被动式窗墙系统当前办公建筑普遍出于采光及视野的考虑，常会采用较大窗墙比的设计。但由于夏热冬冷地区夏季太阳辐射量大，普通窗或幕墙结构由于窗玻璃对短波透射率较大而对长波透射率小，导致太阳辐射能大量进入室内，使室内过热，从而提升了建筑的制冷负荷。冬季又因窗户综合传热系数远大于围护结构主体部分，使得建筑采暖负荷较高。此外办公建筑基于功能及经济性方面的考量，房间进深通常较大，而一般窗或幕墙在结构上一般并不设置扩散或是定向反射装置，导致室内照度在进深方向下降较快，使室内照度分布不均匀，易引起视觉疲劳。在近窗处常会出现较高的照度而产生不利眩光，导致室内光环境质量恶化。因此设计了被动式窗墙系统（图1），在节能与提升室内光环境性能两个维度对普通窗结构进行优化。该被动式窗墙系统由窗框、下悬窗、遮阳导光板、固定窗、遮阳帘、中悬窗和水平花槽共7部分组成。其中下悬窗与中悬窗用于日常通风使用。而遮阳导光板可降低近窗处的照度，降低产生不利眩光的可能。同时导光板采用高反射系数的阳极氧化光学镀膜铝板作为表面材料，以增加经由导光板反射进入室内的光线，使室内的顶棚成为除太阳直射光外的室内“第二光源”，提升房间进深处的照度，从而提升房间整体光照均匀度。此外，通过遮阳导光板和水平花槽的设计，可以为建筑提供一定的遮阳，从而减少建筑表面的太阳辐射得热量，利于降低建筑空调能耗。图1 被动式窗墙系统结构示意1–窗框；2–下悬窗；3–遮阳导光板；4–固定窗；5–遮阳帘；6–中悬窗；7–水平花槽2 数值模拟2.1 建筑选取与建模选取某一典型大进深办公建筑。出于简化计算的考虑，研究选取了其标准层东南侧的一个大进深办公室进行建模计算，该办公室长宽高尺寸分别为10.9 m×8.2 m×4.2 m。其南向和东向对外开窗，其中南向窗墙比为0.42，东向窗墙比为0.53。在DesignBuilder软件中按实际开窗面积与开窗位置建立了初始模型（图2），并在初始模型的基础上建立了安装有本研究设计的被动式窗墙系统的优化模型（图3）。因本次模拟仅考虑该被动式窗墙系统对模拟房间的影响，而模拟房间西向、北向及楼板与办公楼其他空调采暖房间相邻，因此建模时将模型楼板和东向、北向外墙设置为绝热，以提高模拟的准确性。图2 初始模型图3 优化模型2.2 模型参数设定除优化模型设计有被动式窗墙系统外，初始模型和优化模型其余参数设定均相同。2.2.1 能耗模拟相关参数设定能耗模拟选用绍兴当地气象参数，并参考JGJ/T 449—2018《民用建筑绿色性能计算标准》的规定，将空调和采暖温度分别设定为16 ℃和26 ℃。围护结构热工参数设定见表1。表1 建筑热工参数设定此外，在优化模型中，为降低模型错误率并简化计算，在建模过程中参考了宁博等[9]对墙体垂直绿化的数值模拟研究，将水平花槽组件的构造设置为绿化墙（即简化为贴附在墙上的一层“隔热材料”），其相关参数设定见表2。表2 绿化墙热工参数设定2.2.2 光环境模拟相关参数设定在光环境模拟中，参考GB/T 5699—2017《采光测量方法》的相关规定，将参考面设为距地面0.75 m平面，建筑各表面反射比选取工程常规应用值，其中优化模型中的导光板采用阳极氧化光学镀膜铝板作为表面材料，其光反射比为0.90（表3）。综合考虑计算时间与准确性，设定室内光线反射次数为4次，并将参考面划分为0.3 m×0.3 m的网格，在CIE标准全阴天天空模型下进行蒙特卡洛随机采样，计算室内各点照度情况。表3 建筑各表面光反射比3 结果与分析3.1 评价参数依据现有标准及相关研究，从建筑能耗和室内光环境质量两个维度综合评价被动式窗墙系统的效用。3.1.1 能耗评价现有相关研究，对于办公建筑而言，其照明电器、制冷、采暖三者的能耗占到建筑总能耗的80%以上。因此，对被动式窗墙系统节能潜力的研究主要对比优化前后单位建筑面积照明电器、制冷、采暖3项参数年耗电量的变化情况。3.1.2 光环境质量评价在照度方面，当前我国GB 50033—2013《建筑采光设计标准》中规定了办公建筑中办公室、会议室的最低照度为450 lx，但过高的照度可能会引起视觉的不舒适。因而综合参考我国GB 50033—2013《建筑采光设计标准》和日本建筑物综合环境性能评价（CASBEE），将室内照度达标范围设定为450~750 lx，并对比优化前后室内照度达标面积变化情况。此外，若室内照度差距过大，即照度均匀度低容易造成视觉疲劳，而室内出现极端照度则易出现眩光。因此，将综合室内照度达标面积、照度均匀度、照度峰值3项指标，评价被动式窗墙系统对室内光环境质量的提升性能。3.2 全年能耗DesignBuilder利用EnergyPlus内核，分别计算了初始模型和设计有被动式窗墙系统的优化模型的单位面积年耗电量情况（表4）。可以发现优化模型单位面积年能耗由81.06 kWh降低至74.41 kWh，降幅达8.2 %。在制冷能耗方面，优化模型降幅达19.66 %，这是因为被动式窗墙系统的遮阳导光板及水平花槽均具有一定的遮阳作用，减少了建筑外表面吸收的太阳辐射能，从而大幅降低了建筑的制冷能耗。表4 能耗模拟结果在采暖能耗方面，优化模型也有19.09 %的降幅，这是由于水平花槽等的挡风及土层的保温作用，使得采暖能耗有所降低。但在照明方面，优化模型相较初始模型略微提升2.51 %，这可能是由于在被动式窗墙系统的遮阳影响下，部分时间室内采光不足，从而延长人工照明补光时间。3.3 室内光环境利用DesignBuilder软件分别模拟初始模型和优化模型的室内光环境情况（表5）。可以发现，优化模型在照度均匀度方面（图4），相较初始模型有大幅提升，提升率达41.40 %，可有效改善因室内照度分布不均匀造成的视觉疲劳。在室内照度峰值方面，优化模型的近窗处峰值照度由2 143 lx降低至1 397 lx，降幅达34.81 %，可改善因室内极端照度引起的眩光现象。而照度达标面积方面，优化模型的达标面积由32.70 %提升至34.20 %，提升率为4.59 %。表5 光环境模拟结果（a）（b）图4 优化前后室内照度分布（a）初始模型；（b）优化模型4 结束语在国家提出“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标以及在实施健康中国战略的背景下，如何在降低建筑能耗的同时，提升建筑室内环境健康品质是一个急需研究的课题。我国当前大量办公建筑由于采用高窗墙比和大进深的设计，造成办公建筑的建筑能耗居高不下以及室内光环境质量恶劣的现状。因而从降低建筑能耗和优化建筑室内光环境品质两个维度出发，分析了综合采用遮阳导光板和水平花槽的被动式窗墙系统的优化效果。经模拟计算，在能耗方面，该被动式窗墙系统可大幅降低建筑空调采暖能耗（分别降低19.66 %和19.09 %），并降低8.2 %的建筑总能耗。在室内光环境优化方面，该被动式窗墙系统可提升41.40 %的照度均匀度和4.59 %的照度达标率，同时大幅降低室内近窗处照度峰值，有利于防止室内工作时由于照度范围不舒适及照度分布不均匀造成的视觉疲劳等现