庭院式建筑设计参数的能耗敏感性研究—以夏热冬冷地区办公建筑为例

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伴随城市化的快速发展,建筑消耗的能源和资源急剧上升,使得城市能源和环境问题日益严重,低能耗建筑设计已成为城市可持续发展的必需。庭院式建筑具有良好的气候适应能力,不但可以缓解城市热岛,还可以调节室内环境、降低能耗。但是,庭院相关设计参数与庭院式建筑能耗的作用机制尚不清楚,特别是关键参数不明确,导致了设计参数取值和建筑能耗充满不确定性。
  本文以夏热冬冷地区武汉城市的庭院式办公建筑为例,采用定性结合定量的敏感性分析方法,分别从庭院建筑布局、形体设计和围护结构设计三个角度,借助拉丁超立方抽样(LHS)的仿真试验、EnergyPlus能耗模拟及R语言编程技术,对共计37个设计参数的能耗敏感性进行定量计算,识别影响庭院式建筑能耗的显著性参数,并揭示了关键参数对供暖、制冷、照明和总能耗的影响机制。在此基础上,提出相应的节能优化策略,为低能耗庭院建筑设计提供理论基础。
  针对建筑布局参数对庭院式建筑各项能耗影响机制及强度的问题,采用标准回归系数(SRC)和树状高斯过程模型(TGP)敏感性分析方法,对9个布局参数的敏感性进行了量化分析,主要结论如下:1)布局参数对庭院建筑能耗的影响呈单调性变化,当周边建筑尺寸超过目标建筑时,能耗随布局参数的变化速度减缓。2)对于多层和高层方形庭院建筑,西侧建筑高度对制冷和总能耗有显著影响,其全效应都达0.3以上;南侧建筑间距和高度是影响高层庭院建筑供暖能耗最主要的参数,两者之和决定了供暖能耗70%以上的变化。3)庭院建筑平面形式较建筑高度对布局参数的敏感性影响显著。
  针对形体参数对庭院式建筑能耗影响程度的问题,采用单参数局部敏感性、偏相关系数(PCC)、SRC和TGP敏感性分析方法,对共计15个形体参数进行了敏感性分析,主要结论如下:1)当建筑面积和比例固定时,无论庭院面积和庭院比例在其取值范围内如何变化,都有一个相对稳定的庭院比例使得建筑总能耗最小。2)建筑和庭院面积对各项能耗的影响都十分显著,降低庭院所占建筑平面的比例,是低能耗形体设计的重要措施。3)当建筑和庭院面积固定时,建筑层高是影响供暖、制冷和总能耗的最敏感参数,其贡献率分别达50%、40%和60%左右。
  针对庭院式建筑围护结构设计参数的能耗敏感性问题,采用散点图结合TGP的敏感性分析方法,分别从庭院外墙、整合庭院形式变化和增加建筑外围护结构参数的三个方面,分析了共计16个围护结构设计参数的能耗敏感性,主要结论如下:1)仅考虑庭院外墙相关参数时,建筑朝向是影响建筑总能耗的最关键参数,对方形和长条形庭院建筑总能耗的影响分别达40%和80%以上。2)整合庭院形式变化后,庭院比例成为影响建筑总能耗的决定性参数,可以解释总能耗70%以上的变化。3)增加建筑外围护结构参数后,各项能耗中敏感性参数显著增加。
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