办公建筑方案阶段的能耗影响因素研究（建筑）

                                 刘羽岱

                         华东建筑设计研究院有限公司

摘  要：本文针对办公建筑方案设计阶段的特点，研究节能设计因子如体形系数、朝向、窗墙比、围护结构等参数对建筑能耗的影响。采用单一因子敏感性分析的方法研究不同设计因子对建筑能耗的影响，采用正交试验的方法分析得到不同设计因子的影响水平，并采用遗传算法结合能耗模拟软件的方式来进行多因子组合寻优分析。

关键词：敏感性分析设计因子正交试验优化

0  引言

    建筑设计是一个在满足设计规范的同时，要需要设计师去探索大量的可行方案并在其中做出优化选择的过程。由于建筑物本身及环境控制系统的复杂性，仅凭经验或简单的计算无法准确判断设计方案的优劣，因此运用模拟分析手段指导设计是建筑节能的关键之一。

    近年来，众多学者采用建筑性能模拟的方法来研究建筑节能设计的关键参数，所采用的方法主要包括：敏感性分析、正交试验以及结合优化算法和能耗模拟的智能优化。本文采用上海地区的气象参数，针对办公建筑方案设计阶段的特点，研究方案阶段主要节能设计因子，包括体形系数、朝向、窗墙比、围护结构等参数对建筑能耗的影响。

    所采用的软件工具是在建筑能耗快速模拟工具QEPlus的基础上升级得到的OptimE+，具备更强大的模板建模功能和遗传算法优化功能。OptimE+作为E+的中文输入界面，有着丰富的模板建模功能，根据国内的相关节能标准合理设置软件默认项，可以快速完成建模计算，更适合建筑方案阶段的能耗模拟。

1  单一因子敏感性分析

  敏感性分析是为研究众多不同影响因子属性，令其在可能的取值范围内变动，研究和预测这些属性变动对模型输出值的影响程度。确定敏感性输入变量和建立分析模型是敏感性分析的关键。

1.1不同形状因子对建筑能耗的影响

    对于给定容积的建筑，体形系数与建筑底面形状、面积和建筑高度有关，而当建筑物的底面面积和建筑高度确定好之后，不同的底面形状影响体形系数的值。定义如下形状因子：

    上海地区，用地面积紧张，办公建筑往往以高层建筑或者超高层建筑为主。本文选取层高4.2 m，标准层办公建筑面积为1500 m²的12层高层办公建筑作为研究对象。核心筒面积占16%的建筑总面积，除核心筒外的办公区域均为空调区域。模型内部负荷和时间表等参数设置满足《公共建筑节能设计标准》( GB50189-2015)甲类公共建筑的要求，各朝向窗墙比均为0.5，屋面K值为0.47 W/(m2K)，外墙K值为0.67W/(m2K)，外窗K值为0.24 W/(m2K)，遮阳系数SC为0.32。选择不同长宽的高层建筑进行能耗模型，长宽比分别为1：1、2:1、4:1、8:1。

    如图1～2所示，对于高层办公建筑而言，建筑的长宽比越大，空调负荷越大。相对于空调负荷，建筑形状因子对冷负荷的影响更大。如以长宽比为1:1的正方形建筑单位面积空调负荷为100%，则长宽比为4:1时，单位面积冷负荷比值达123.90%；长宽比为8:1时，单位面积冷负荷比值为136.83%。

1.2建筑最佳朝向

    办公建筑考虑最佳朝向，应该从多方面因素进行考虑，如日照、采光、通风等。根据上海市工程建设规范《公共建筑绿色设计标准》（DG/TJ08-2143-2014）6.1.2条的要求“有日照要求的公共建筑主要朝向宜为南向或南偏东30⁰至南偏西30⁰范围内”。考虑到采光和自然通风的需求，因此本文以5⁰为增量，在南偏东45⁰至南偏西45⁰范围内，分析建筑朝向对建筑空调负荷的影响，各立面朝向窗墙比为0.5。计算结果如图3所示。

  根据图3分析可知：建筑朝向对办公建筑空调负荷的影响较大，朝向对矩形建筑空调负荷的影响沿着正南方向对称。建筑长宽比在1:1～1:2之间时，随着建筑朝向偏离正南方向的角度增大，单位面积的建筑空调负荷增大，成上凹曲线分布；建筑长宽比在1:2～1:8之间时，随着建筑朝向偏离正南方向的角度增大，单位面积的建筑空调负荷减小，成下凹曲线分布。

1.3建筑窗墙比控制

  采用12层典型办公建筑为分析研究对象，建筑朝向为正南。不同的建筑形状因子条件下，建筑单位面积的空调负荷对窗墙比敏感性影响如图4～5所示。从图中可以看出：1）窗墙比对建筑冷负荷和热负荷呈线性变化关系，且相比于热负荷，建筑冷负荷对窗墙比的影响更为敏感，反应在图中则为直线的斜率更大；2）窗墙比一定时，形状因子越大，建筑空调负荷对窗墙比越敏感，对于长宽比为1：1的高层办公建筑而言，窗墙比从0.2变化到0.8，单位面积空调冷负荷从58.80 W/m²增加到107.34 W/m²，增加幅度为82.3%；而对于长宽比为8:1的高层办公建筑，窗墙比从0.2变化到0.8，单位面积空调冷负荷从73.10 W/m²增加到165.82 W/m²，增加幅度为126.8%。

2  正交实验分析

    正交试验设计是利用正交表研究多因素、多水平的一种设计方法。该设计方法是从试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验，它们具备“均匀分散，齐整可比”的特点，通过对部分试验结果的分析了解全面试验的情况，考察各个因素对试验的影响情况，可以根据极差来确定每个因素的影响权重。本研究关注建筑方案阶段的设计参数对建筑能耗的影响，选取建筑长宽比、窗墙比、外窗K值、外窗SC值、外墙K值、屋面K值和朝向共7个因数，每个因素均为三个实验水平，如表1所示。

    设计正交实验表（表2），总共完成共计18组的正交能耗模拟实验分析。

    从表2中，根据极差R值的大小可以得出影响因素的重要程度为：窗墙比>建筑形状因子（体系系数）>朝向>外窗SC值>屋面K值>外墙K值>外窗K值。

3  多设计因子组合寻优计算

    本文采用典型的8层高层办公建筑为例，进行多设计因子的自动寻优分析，分析目标函数为单位建筑面积的能耗。在遗传算法优化程序中，每个种群单体都代表着求解问题的一个解。每一个参数的可能值都采用二进制形式，所有参数连接形成完整的二进制链。当满足收敛或者达到最大迭代次数时，就会产生新一代种群。

  在能耗模拟基本参数设置好之后，可进行优化分析计算分参数配置，主要包括三大部分：方形建筑参数（遗传因子）、限制性参数和遗传算法本身参数设置。方案阶段重点优化分析的遗传因子包括楼层数、层高、长、宽、窗墙比和朝向等。遗传因子的编码方式采用比例编码，将不同的遗传因子转化为相同的数量级，从而具有同等长度的基因位。为便于遗传计算加速收敛，遗传因子均采用数值整型。限制性条件包括总建筑面积固定12000 m²，单层建筑面积在500～2500 m²之间变动。空调系统采用多联机机组。

    遗传算法需要通过大量的种群数量进行寻优计算，每一代计算结果都会得到进化即优化，总共计算将近1000个种群数，以能耗最低为导向的计算结果逐渐收敛。迭代过程中最不利模型计算结果单位面积能耗指标为146.36 kWh/m²，经过近一千代种群数计算之后，遗传算法收敛结果的单位面积能耗指标为94.33 kWh/m²，降低幅度达到35.52%。最终组合寻优因子参数为：建筑层数5层，层高3.2 m，建筑长度60 m，宽40 m，窗墙比0.2，朝向为南偏东2⁰。

4  结论

    1)在建筑总面积确定的前提下，体形系数的大小受不同的建筑平面形式影响，应选择形状因子较小的建筑平面形状。对于方形建筑，需控制建筑的长宽比，建议小于2:1。

    2)办公建筑方案阶段节能设计中，应该在满足采光、通风、视觉和美观等基础上，注重窗墙比的控制，并根据建筑形状因子，优化建筑朝向。

    3 )OptimE+适合用于建筑方案阶段设计因子对能耗的敏感性和寻优分析。