办公建筑方案设计阶段照明能耗预测模型的研究

办公建筑方案设计阶段照明能耗预测模型的研究余琼1林波荣周潇儒清华大学建筑技术科学系【摘要】在办公建筑方案设计阶段，自然采光设计可以有效降低照明能耗。但是设计师缺少辅助设计的工具，以用来在方案设计阶段预测自然采光节能潜力。所以制定基于技术数据的设计导则十分必要。本研究针对不同照明控制方式、采光部件研究办公建筑照明能耗与朝向、窗墙比、外区进深等设计参数的关系，建立照明能耗预测模型。并用详细模拟软件与预测模型对相同案例进行计算，通过对比验证模型的准确性。将照明预测模型联合稳态算法的采暖空调能耗模型，基于整体能量需求，计算方案阶段考虑的设计参数的敏感性，总结办公建筑方案设计阶段自然采光设计中的原则。【关键词】自然采光设计；照明能耗预测模型；方案阶段导则1、引言中国商业建筑中照明能耗占整体能耗的25%——40%[1]。引入自然采光，通过合理的照明设计和控制方式，可以使照明能耗节能率达到60%。而在建筑的全生命周期中，方案设计阶段是进行自然采光设计的关键阶段。在此阶段确定的参数，如窗墙比、玻璃透过率等对建筑整体的能耗具有重要意义。照明能耗还与采暖空调能耗相关，照明能耗降低可以降低室内负荷，从而进一步降低采暖空调能耗。所以在建筑节能的工作中，不应该孤立地看一个方面，而是应该基于包括照明、采暖、空调等在内的整体能耗。但是，方案阶段已知信息量少，且方案变动频繁，要求案例计算时间越短越好，这些都阻碍了目前方案阶段自然采光辅助设计工具的大量应用。提供量化分析的工具有详细模拟软件和简化预测模型。详细模拟软件有ADELINE、SUPERLITE、Radiance及以它们为基础的综合能耗计算软件。这些软件需要详细的输入信息，很多参数是方案阶段无法确定的，而且计算时间长。部分综合能耗软件只考虑单个照明传感器，不符合实际灯具控制方式。简化模型一般将动态计算、图形计算进行合理简化，适合为方案阶段快速分析提供工具。1997年，Lynes和Litterlefair[3]的研究针对方案阶段房间尺度的自然采光节能模型，采用特定参考点的采光系数作为平均采光系数。2004年，Krarti、Erickson和Hillman[4]用DOE-2软件模拟，提出了一个简化的模型，用来计算办公建筑自然采光节能量。国内，天津大学陈红宾[5]博士论文中，针对幕墙建筑这种围护结构形式，应用RADIANCE软件，考虑窗户透过率、窗台高度、窗墙面积比、窗户朝向、遮阳措施、大地反射对自然采光效果的影响，得到采光系数简化计算方法。这些预测采光系数和照明能耗的简化模型一般针对房间尺度，而不是建筑整体，而且不能全面考虑自然采光设计因素。2、能耗预测模型为建立一个简化的建筑整体照明能耗预测模型，本文以自然采光满足率为评价标准，用详细模拟软件回归分析，拟合自然采光满足率的经验公式，建立照明能耗预测模型。2.1节能评价指标用全年采光满足率DA（DaylightAutonomy）评价自然采光节能水平。该指标定义为：室内照度值高于或等于室内照度要求的累计小时数和室内需要照明总小时数的比值。不同的自然采光结合的照明控制方式（连续调节和开关调节），自然采光节能率计算方法有所不同。当室内照度值不满足要求时，连续调节就用人工照明补足，使其达到照度要求，此时DAcon为室内照度值与照度要求值的比值。而开关调节完全依靠人工照明。此时DAmax为0。2.2建筑描述1余琼，硕士生，清华大学建筑学院模型将建筑分为采光外区和内区，对不同朝向分别拟合自然采光满足率的计算公式。图1建筑模型根据自然采光满足率可以计算建筑照明能耗：（1）建筑照明总能耗（包括采光外区和内区）：（2）其中，DAi为不同朝向的自然采光满足率；ρ为照明密度；Fexi为采光外区面积；Fin为采光内区面积。模拟采用天然采光逐时模拟软件Daysim,以DA作为天然采光性能的评价指标，可通过数值模拟计算建筑全年的DA。2.3能耗模型侧窗采光是影响外区自然光水平的主要部件。方案设计阶段对建筑自然采光水平有影响的设计参数是窗户面积、窗户形状、玻璃透过率和采光外区进深。因为办公建筑的窗台高度变化不大，一般为１ｍ。所以窗户形状的变化可以用窗墙比表征。特别地，幕墙类建筑可以不考虑窗户的面积和形状（认为窗墙比为1），影响因素只有玻璃透过率和采光外区进深。表1模拟参数设置窗台高度m窗高m窗宽mm窗间墙mm进深m窗墙比层高进深比透过率0.91.5150036004200120014006004680.30.40.510.6750.450.340.60.70.8通过线性拟合，将自然采光满足率DA拟合成自变量——层高进深比h/r和玻璃透过率δ的关系式，使用数学模型为幕墙类建筑为窗墙比为1的情况。另外，模拟三种窗墙比（0.3、0.4、0.5）下DA关于玻璃透过率和进深关系式。插值得到其它窗墙比下系数，计算公式采光外区采光内区（3）拟合得到系数β如附录1所示。将自然采光满足率的公式代入（2）式，即可得到建筑照明能耗。3模型验证为了验证模型的准确性，将某项目的案例的预测模型与详细模拟软件的计算结果进行对比。此项目方案阶段建筑师给出六种设计方案。方案设计如图所示。方案0#方案1#方案2#方案3#方案4#方案6#图2案例描述4.555.552.152.765.424.532.202.943.824.334.144.4501234560#1#2#3#4#5#kWh/(m2.a)模拟值计算值图3预测模型计算结果预测模型计算结果与模拟软件的结果进行对比，最大误差为33%。从能耗计算结果的数值比较上看，因为预测模型对房间进行了分隔，并且分隔的房间不透光，所以用预测模型计算的能耗值普遍高于模拟软件得到的能耗值。4、设计参数分析4.1方案阶段设计参数对照明能耗影响分析利用建立的照明能耗的预测模型，对设计因子的敏感性系数进行计算，为采光节能设计提供指导。这里只考虑独立窗类建筑。表2基准建筑参数设置建筑边长（m×m）层高m照明密度w/m2有无中庭进深m玻璃透过率00×1002.711无80.8从玻璃透过率的敏感性分析可以看出，采用连续调节时，当玻璃透过率超过某个值时，增加透过率对采光效果的影响不大。而采用开关调节时，当玻璃透过率小于某个值时，改变透过率对采光效果影响不大。0.40.450.50.550.60.650.70.750.851015202530透过率年能量需求（kWh/m2）独立窗连续南向外区北向外区东向外区西向外区建筑整体0.50.550.60.650.70.750.80.850.910152025303540透过率年能量需求（kWh/m2）独立窗开关南向外区北向外区东向外区西向外区建筑整体图4玻璃透过率敏感性分析增加进深会增加建筑采光外区单位平米的照明能耗。这是因为采光外区的平均满足率会随着进深的增加而降低。但是采用连续调节的照明控制方式则可以有效降低大进深建筑整体的照明能耗。在连续调节控制方式下，窗墙比增加引起的能耗变化不大，而在开关调节控制方式下，窗墙比的影响力增加，但是仍低于玻璃透过率的影响。4567891051015202530进深年能量需求（kWh/m2）独立窗连续南向外区北向外区东向外区西向外区建筑整体456789102426283032343638进深年能量需求（kWh/m2）独立窗开关南向外区北向外区东向外区西向外区建筑整体图5采光外区进深敏感性分析0.30.350.40.450.551015202530窗墙比年能量需求（kWh/m2）独立窗连续南向外区北向外区东向外区西向外区建筑整体0.30.350.40.450.516182022242628303234窗墙比年能量需求（kWh/m2）独立窗开关南向外区北向外区东向外区西向外区建筑整体图5窗墙比敏感性分析4.2方案阶段设计参数对整体能耗影响分析因为采光设计因素在影响照明能耗的同时会影响空调能耗，而且对照明能耗的作用与对空调能耗的作用很可能是相反的，所以有必要对照明能耗和空调能耗进行综合评价。利用快速能耗预测模型计算空调能耗。程序的主体基于稳态算法计算空调负荷。整体能耗可表示为：coolingACSheatingHTScoolingHTStotallightingcoolingACSheatingHTScoolingHTSQQQEEEEREEREER=+++（4）其中，E为能耗；EER为系统效率；Q为负荷；下标cooling为制冷；heating为采暖；lighting为照明。下面分析玻璃透过率、采光外区进深和窗墙比对照明能耗和空调采暖能耗的综合影响。玻璃透过率的变化带来的照明能耗与空调采暖能耗变化趋势相反。对于幕墙类建筑，在开关调节下整体能耗变化趋势与照明能耗相同，即随着玻璃透过率的增加而降低。进深的变化，带来照明能耗和空调采暖能耗的改变是相同的。幕墙透过率对全年能耗影响（连续）20304050607080900.50.60.70.8玻璃透过率kWh/m2空调照明(连续)总能耗幕墙透过率对全年能耗影响（开关）20304050607080900.50.60.70.8玻璃透过率kWh/m2空调照明（开关）总能耗图6玻璃透过率对整体能耗的影响窗墙比变化带来的照明能耗与空调采暖能耗的变化趋势是不同的。因为窗墙比对照明能耗影响很小，所以整体能耗的变化趋势与空调采暖能耗相同。随着窗墙比增加整体能耗增加。独立窗进深对全年能耗影响（连续）203040506070809010045678进深mkWh/m2空调照明(连续)总能耗独立窗进深对全年能耗影响（开关）3040506070809010011045678进深mkWh/m2空调照明（开关总能耗图7采光外区进深对整体能耗的影响独立窗窗墙比对全年能耗影响（连续）20304050607080901001100.30.350.40.450.5窗墙比kWh/m2空调照明(连续)总能耗独立窗窗墙比对全年能耗影响（开关）20304050607080901001100.30.350.40.450.5窗墙比kWh/m2空调照明（开关）总能耗图8窗墙比对整体能耗的影响5总结本文以全年自然采光满足率作为照明节能评价标准。建立办公建筑能耗模型。确定方案阶段设计参数。使用线性回归的方法拟合自然采光满足率关于设计参数的计算公式。并且建立建筑整体照明能耗预测模型。用预测模型和详细模拟软件分别对相同项目进行能耗分析和方案评价，对此模型进行验证。方案评价时，预测模型与模拟软件对不同案例建筑模型的比较趋势相同，得到最佳方案相同。在照明能耗预测模型的基础上，对采光设计参数的响力进行敏感性分析。其中玻璃透过率的影响力最大。节能水平由设计参数与照明控制方式共同决定。设计参数有增长限制的临界值。最后，综合考虑照明、空调、采暖整体能耗，分析设计参数对整体能耗的影响。设计参数的影响力同时与照明控制方式和围护结构类型相关。需要针对具体案例进行分析。6参考文献1.清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报（2009）.北京:中国建筑工业出版社,2009.2.SERGESALAT.可持续发展设计指南.清华大学出版社.20063.JALynest,PJLittlefair.Lightingenergysavingsfromdaylight:Estimationatthesketchdesignstage;lightingRes.Technol.1990;22(3):129-1374.玛丽.古佐夫斯基.可持续建筑的自然光运用[美].中国建筑工业出版社.20045.陈红兵.办公建筑的天然采光与能耗分析[D].天津:天津大学环境科学与工程学院.2004