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严寒地区办公建筑外窗布局与热工性能的相关性及优化策略思考

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  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 作者:上海论文网
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  • 日期:2025-09-09
  • 来源:上海论文网

建筑学论文哪里有?本文从建筑能耗角度出发,室内自然采光有降低办公建筑照明能耗的潜力;从光环境角度发现侧窗采光有室内照度衰减快、均匀度差的问题,从热环境角度发现办公建筑冬季和过渡季易出现室内温度较高现象,同时办公人员对封闭式办公建筑光热舒适满意度低。

1绪论

1.2.1国外相关研究现状

(1)1970年,国外的研究人员已有对建筑窗墙比以及建筑能耗进行的讨论,围绕建筑开窗参数进行的研究也就此起步。1977年,Arumi[5]选择建筑窗墙比对建筑能耗进行了进一步的研究,其结论为建筑物的制热能耗和制冷能耗以及照明能耗受到窗墙比的影响。1985年,Jonhson[6]围绕窗户展开讨论,选择建筑能耗作为研究对象,其研究结论为,建筑能耗的显著减少可以从设计层面提升建筑窗墙比这一措施实现,窗墙比是建筑能耗的最重要影响因素。

(2)C.Marino,A.Nucara[7]等学者围绕办公建筑内的开窗形式展开研究,通过EnergyPlus这一软件进行数值模拟,其研究结论为,办公建筑总能耗会受到不同区域窗户开窗最佳尺寸的影响。AllamA.S.教授[8]围绕PC对建筑性能的影响展开研究,该团队选择使用机器学习算法(MLA),并结合PCA进行分析。其研究结果为,窗墙比(WWR)、窗宽(WW)、窗高(WH)、窗台高(SH)是对建筑性能最有影响的几种建筑设计参数。Ayoub[9]认为窗墙比是对近似所有性能指标影响最大的变量。

(3)RobertPhillips[10]等学者围绕办公建筑内的开窗设计展开研究,对办公建筑的能耗及其窗户属性进行探讨,其研究结论为,不同地理环境下,办公建筑能耗的影响因素也大不相同,需从多角度对其设计参数进行考量。FabrizioAscione[11]等人围绕建筑热舒适性和光舒适性及其运行能耗进行研究,选择实际建筑物作为研究对象,以办公建筑能耗的减少作为研究目标,最终得到该状态下的Pareto最优解集。

3严寒地区办公建筑模拟原型与评价体系

3.1评价体系搭建

3.1.1绿色建筑评价构

成现阶段,我国的建筑设计方案都是依据绿色建筑评价标准进行制定的,该标准详细规定了具体的节能目标。同时,随着对建筑节能研究的深入,绿色建筑的评价体系也逐渐被补充完善,资源和气候以及建筑本体节能之间的关系也随之得到深入研究。虽然对建筑是否满足绿色建筑的评估是在施工完成后进行的,但该评估对建筑全生命周期内所使用的能源都有着明确定义。除此之外,在该评价体系内对建筑物在各个时间所使用的能源都进行了明确。建筑在制定设计方案时,更是要达成各种标准内的相关要求。目前,世界各国都将可绿色发展设为目标,构建了相关的绿色建筑评价体系,从设计层面和施工层面指导绿色建筑的建立与发展。

3.1.2建筑能耗评价体系

建筑能耗的主要用途为,通过各种设备对建筑内部进行调控以满足使用者的日常需求。其主要构成大致分为三类,分别是制冷和采暖以及照明。建筑的能耗效率的结果判断通常使用EUI,单位为每平米单位耗能。办公建筑的总能耗包括但不限于采暖能耗、制冷能耗、照明能耗、设备能耗等。设备负荷的影响因素主要为两点,分别为建筑面积以及设备功率密度,设备的能耗会随着建筑面积的改变而改变。除此之外,考虑到建筑的形态及其光热性能都不会随设备运行能耗的改变而产生波动。因此,本文主要的研究对象确定为照明能耗和制冷能耗以及采暖能耗。

5严寒地区实例办公建筑外窗布局优化策略

5.1办公建筑外窗布局优化设计策略

本章的严寒地区办公建筑优化设计,通过第4章的模拟优化发现界面设计要素、布局设计要素对建筑性能影响最大。进一步确定设计参数(采光口排布形式、窗墙比、窗高、窗台高)对严寒地区办公建筑性能优化的影响。

具体的设计策略:办公建筑的南向窗墙比取0.3~0.5,北向窗墙比取0.3~0.4,东向窗墙比取0.3~0.5,西向不超过0.4。各朝向的窗高取2.0~3.0m。其他各朝向窗台高取0.6~0.8m。

根据模型建立、改造策略、模拟程序搭建优化策略模型(见图5.1),对建筑模型的外部环境进行控制,使用Grasshopper模拟结果对比选择最佳的优化策略,同时为严寒地区部分办公建筑提供设计策略。

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5.2办公建筑实际案例现状分析

5.2.1案例介绍

(1)气候特征现状

鞍山,属于严寒C地区,夏季气温较高但较少酷热,而冬季寒冷且漫长。通过运算器下载鞍山当地的气候条件信息,并读取相关内容,方便后续的模拟研究。

(2)建筑基本信息

该建筑整体共2层(见图5.2),体积为4049.14m3,总建筑面积为752.4m2,标准层面积为376.2m2。其外墙、外窗、屋面的传热系数分别为0.28W/(m2·K)、1.4W/(m2·K)、0.41W/(m2·K),建筑气密性等级为4级。

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6结论与展望

6.1结论

本文选取严寒地区办公建筑外窗布局的设计要素作为研究对象,对其现状进行调研。严寒地区办公建筑具有建筑能耗和光热舒适度不平衡的现象。从建筑能耗角度出发,室内自然采光有降低办公建筑照明能耗的潜力;从光环境角度发现侧窗采光有室内照度衰减快、均匀度差的问题,从热环境角度发现办公建筑冬季和过渡季易出现室内温度较高现象,同时办公人员对封闭式办公建筑光热舒适满意度低。考虑建筑能耗、光热性能,选取EUI、UDI、PMV作为性能指标评价建筑设计要素,对于建筑外窗与其相关性进行深度研究,便于提供优化策略和指导未来设计方向。本研究主要结论如下:

(1)针对于外窗布局与建筑热工性能的相关性展开深度研究,为后续建筑优化设计提供方向。通过数据表明,对外窗设计要素进行优化,可有效改善建筑能耗和光热舒适度。在建筑设计阶段,为降低建筑能耗应优先考虑窗墙比的设计;为优化UDI应优先考虑窗墙比、窗高、采光口布局形式;为优化PMV应优先考虑窗高、采光口布局形式。

(2)优化窗墙比、窗高、窗台高对建筑能耗有着显著的节能效益表现,在建筑朝向方面进一步研究发现:在建筑南向上,窗墙比和窗台高优化效果更明显;而建筑东向上,窗高优化效果更明显。在建筑设计阶段为考虑优化建筑能耗和光热性能,在保证建筑外观美观的前提下,可应用RH+GH平台前置进行针对性设计模拟。

(3)在既考虑建筑能耗又考虑室内光热舒适度的前提下,对开窗设计要素进行进一步研究,依照以下的建议区间在建筑设计阶段对建筑进行模拟,可以更直接有效的找到开窗设计方案最优解:办公建筑的窗墙比南、东向取值接近0.5,西向取值不超过0.4;各朝向的窗高取值3.0m;各朝向窗台高取0.7m。

参考文献(略)

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