高校专业绘图空间双侧外窗几何参数与照明的碳排放量影响研究.pdf

32Green BuildingsJournalofBEENo.8 in 2023(Total Vol.51,No.390)绿色建筑2023年第8 期（总第51卷第39 0 期）建筑节能（中英文doi;10.3969/j.issn.2096-9422.2023.08.005高校专业绘图空间双侧外窗几何参数与照明的碳排放量影响研究丁建华，吕沐容，邹欣怡，周海民（东北大学江河建筑学院，沈阳110167)摘要：低碳校园是践行我国建筑行业“双碳”目标的重要举措。据统计，高校建筑照明能耗约占校园建筑总能耗的2 0%40%，建立校园建筑的设计方法与碳排放量影响的直接关联，对于校园建筑低碳建筑设计以及打造低碳校园建筑具有重要的现实意义。以沈阳地区某高校专业绘图教室为空间原型，以天然光和人工照明日间协作机制，并以人工照明所反映的碳排放量为目标，结合DIALux evo软件的天然光和人工照明交互协同的性能模拟分析属性，在时时满足该空间绘图区、讨论区和交通区的基本光环境指标（最小照度标准值、最低采光系数和日光自主权)前提下，研究该空间外窗几何参数与碳排放量之间的影响，研究得出：分析回归了该原型空间的碳排放量与对应双侧外窗几何参数的多元线性关系；不同朝向条件下，空间双侧外窗的窗地比（WFR）、窗墙比（WWR）、窗台高（Hws）、窗宽（Ww）、窗高（Hw）对其碳排放量存在抑制作用；该空间不同朝向的碳排放量总体趋势为：西向 东向 南向 北向，且上午时段碳排放量相对最低；在同时满足WFR和WWR要求范围内，“开大窗”和“开高窗”对于该空间降低碳排放量更有效果。该项研究可用于建筑设计阶段的建筑外窗设计对碳排放量影响的前置判断，为低碳建筑设计提供定量设计参考依据。关键词：高高校专业绘图空间；综合光环境；外窗几何参数；碳排放量影响中图分类号：TU11文献标志码：A文章编号：2096-9422(2023)08-0032-06Influence of Geometric Parameters of Opposing Exterior Windows on CarbonEmissions from Lighting in Professional Drawing Space of UniversitiesDING Jianhua,LYU Murong,ZOU Xinyi,ZHOU Haimin(Jangho Architecture,Northeastern University,Shenyang 110167,China)Abstract:Implementing low-carbon campuses is an important measure towards achieving China sconstruction industry s goals of carbon peaking and carbon neutrality.Statistically,lighting energyconsumption accounts for 20%40%of the total energy consumption of campus buildings.Therefore,it isimportant to establish a direct correlation between the design of campus buildings and the impact of carbonemissions for designing and creating a low-carbon campus.The article takes a professional drawingclassroom in a university in Shenyang as a spatial prototype.And it takes the daytime collaborationmechanism of natural light and artificial lighting,and aims at the carbon emission reflected by artificiallighting.Also,it combines the simulated properties of natural light and artificial lighting interaction withthe collaboration performance of DIAlux evo to meet the basic lighting environment indexes(minimumilluminance standard value,minimum daylight factor and spatial daylight autonomy)of the drawing area,discussion area and aisle area in this space at time.The study concluded that:(I)The carbon emission ofthe prototype space is analytically regressed on the multivariate linear relationship between the geometricparameters of the corresponding opposing exterior windows.(2）T h e w i n d o w-t o-f l o o r r a t i o（W FR),收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 7；修回日期：2 0 2 3-0 8-19*基金项目：东北大学第十七批大学生创新训练项目（2 312 7 3）33建华，等：高校专业绘图空间双侧外窗几何参数与照明的碳排放量影响研究window-to-wall ratio(WWR),windowsill height(Hws),window width(Ww)and window height(Hw)of the opposing exterior windows of the space have a suppressive effect on the carbon emission underdiferent orientation conditions.(3)The overall trend of the carbon emission of the space is:west east south north,and the carbon emission is relatively low in the morning hours.(4)Within the range of WFRand wwR,larger windows and higher windows are more effective in reducing carbon emission in this space.This study can be used to determine the impact of building facade or window design on carbon emissions inthe design stage,and provide a quantitative design reference for low-carbon architectural design.Keywords:professional drawing classroom;comprehensive lighting environment;geometricparameters of exterior window;impact on carbon emission0引言建筑空间良好的综合光环境品质往往遵循着天然采光与人工照明的动态协同，即：在满足不同空间类型的光环境品质前提下，最优进行空间的天然采光利用，以及同步实施人工照明的时时主动响应配置，以达成空间对光环境的健康、效率、节能、低碳等多目标的实现。根据国内外相关文献分析可知，现有研究主要涉及建筑空间外窗几何参数与空间光环境质量和建筑节能等领域，主要聚焦以下两个方面：围绕天然光利用方面：如围绕建筑外窗几何参数（如外窗形状、单向或双向开窗、窗口朝向等)与建筑室内空间的天然采光性能影响研究 1,2 ；围绕建筑所属的不同光气候分析区，以及建筑外窗构件和开窗限制（如有无遮阳设施、窗墙比、窗地比等）等因素与建筑室内光性能、围护结构热动和建筑能耗等影响研究 3.4;围绕建筑外窗玻璃性能指标（如透射率、反射率、玻璃三性等）和建筑室内空间界面参数（如反射率、界面色彩等)与建筑室内空间光性能的研究 3。围绕天然光和天然光协同利用方面：如对天然光与人工照明调节机制、天然光影响参数对建筑室内空间人工照明的照明能耗、建筑总能耗和节能潜力的影响研究 4；预测天然光调控方案与节能灯具的电力需求探讨研究 5；通过照明模拟分析建筑年度日光照明节能潜力研究 6 ；围绕照明控制系统的人工照明优化和能耗的关联 7 ；通过日光照明控制器对不同气候区的建筑总能耗和照明能耗的影响预测等研究 8 。然而，从低碳角度，直接涉及建筑外窗设计几何参数与碳排放量影响关联的相关研究尚属空白。因此，本文结合我国“碳中和碳达峰”目标背景，拟以严寒地区沈阳高校专业绘图教室空间为例，基于DIALuxevo对天然光和人工照明的动态交互响应和同步碳排放量模拟分析属性，实施该专业绘图教室空间外窗几何形状、人工照明布局方案和照明运行时段三因素与碳排放量的关联研究，拟建立不同朝向的专业绘图教学空间在综合光环境质量满足前提下，建立外窗几何形状因素与碳排放量影响预测模型，为严寒地区高校专业绘图教室光环境低碳设计与运营提供定量参考。1原型与工具1.1原型选定本研究的样本空间原型为我国高校建筑学专业绘图教室空间，笔者调研了沈阳和我国“建筑学八校”的专业绘图教室空间，空间类型主要为以班级为单位的单向独立教室空间和以年级为单位的双向开式大空间教室空间（见图1），结合调研结果与专业教育发展趋势判断，双向开式大空间教室空间逐渐成为绘图+讨论区绘图+讨论区绘图+讨论区绘图+讨论区公共走廊公共走廊绘图+讨论区绘图+讨论区绘图+讨论区绘图+讨论区该类空间高校：清华建筑学院、同济建筑与城市规划学院、该类空间高校：重大建筑学院、天大建筑学院、哈工大华工建筑学院、西建建筑学院、东南建筑学院、东大建建筑学院筑学院图1高校建筑学专业绘图教室空间类型Fig.1 Types of professional drawing classroom space for architecture in universities34DING Jianhua，e t a l.In f l u e n c e o f G e o me t r i c Pa r a me t e r s o f O p p o s i n g Ex t e r i o r W i n d o w s o n Ca r b o n Emi s s i o n s f r o m Li g h t i n g i n Pr o f e s s i o n a l D r a w i n g Sp a c e o f U n i v e r s i t i e s建筑学专业绘图教室的主流空间类型。因此，本研究选取的空间原型为双向开窗的开式大空间专业绘图空间，相关参数以沈阳某高校建筑学专业绘图空间为基础进行提炼。原型空间基本参数设定主要涉及两个方面，分别为：空间原型尺寸设定：依据建筑类专业教学的物理空间与招生人数宜不小于5.7 0 m/人的配比要求，以及我国高校每年招收建筑类本科学生为3个班（9 0 10 0 人），可知该类专业教学用房空间规模应在513 57 0 m之间 9 。因此，原型空间设定为三开间（10 m）、两进深（9 m）和层高为4.2 0 m，空间内部的矩形结构柱为0.6 m0.6m。外窗形式和功能分区设定：原型空间的功能划分一般为中间公共交通区和两侧专业“教学+讨论”区，教学与讨论区沿空间开间方向分置两侧，每个区域外墙界面均开设外窗做天然光引入（见图2）。B区域C区域走道区域A区域绘图区域讨论区域走道区域LED灯管图2高校建筑学专业绘图教室原型空间Fig.2 Prototype of professional drawing classroom space for architecture in universities1.2分析工具首先，研究以Rhinoceros 和Grasshopper为建模和可视化平台，使用Ladybug和Honeybee为性能模拟插件进行采光模拟计算，验证筛选符合标准的模型；其次，通过DIALuxevo分析模拟软件，进行空间照明能耗、照明造价和碳排放量的实验模拟输出；最后，利用SPSS进行数据录人、整理和分析。2参数设定2.1原型空间参数原型空间主要包含3个方面参数，分别为：空间基本参数：长为30.0 0 m（W p c），宽为18.0 0 m（D p e），高为4.2 0 m(H。）9)。其中，矩形结构柱平面尺寸为0.6 0 m0.60m，结构柱沿进深和开间方向的距离分别为9.0 0 m和10.0 0 m。设施布置参数：空间内设置A、B两个学习讨论区和公共交通C区，进深分别为9 m(b）、6.3m(d)和2.7 0 m(c）。绘图区分为单侧桌和双侧桌两类，绘图桌面高度为0.7 5m，宽度为0.8 m（单侧）和1.6 m（双侧）。讨论桌面高度为0.7 5m,宽度为1.1m。开窗几何参数：原型空间设置双侧外窗，每个开间内的外窗形式为水平整窗和竖向多带窗两种。外窗水平左右起始开启边界为固定值0.3m（f），窗台高度不小于0.7 5m（H w s），窗上沿高度小于3.3m（e 0.9 m），窗间墙宽为Wwbw，窗高为Hw，窗宽为Ww，窗口宽度平均分布，外窗宽度随着窗间墙宽度的变化而变化（见图3）。fW.WuW.WoWwfB区HsMH域C区域a=10.0mb=9.0 mW.=30mc=2.7mD.=18 md=6.0 mH.,=4.2 mA区域e0.9m绘图区域讨论区域走道区域LED灯管a图3原原型空间参数设置Fig.3 Spatial prototype parameters2.2区域与气候参数沈阳属于类光气候分区，全年平均总照度为3540klx10。依据IWEC沈阳典型气象年数据，单日逐时水平面总辐射（Global horizontal illuminance）最高在6 月，为8.0 kWh/m（见图4）。单日逐时水平面总照度（Globalhorizontalradiation）最高在6 月，35丁建华，等：高校专业绘图空间双侧外窗几何参数与照明的碳排放量影响研究为35.8 klx(见图5)O8406.007565.40逐时水平面总辐射6724.80逐时散射辐射5884.20逐时法向辐射5043.604203.003362.402521.801681.20840.600123456789101112月份图4沈阳典型气象年水平面太阳辐射强度统计Fig.4 Statistics of horizontal surface solar radiation intensity oftypical meteorological year in Shenyang35875.0032287.50逐时水平面总照度28700.00逐时散射照度25112.50逐时法向照度X/21.525.0017 937.5014 350.00照10762.507175.003587.500123456 789101112月份图5沈阳典型气象年水平面照度统计Fig.5 Statistics of horizontal surface illuminance of typicalmeteorological year in Shenyang2.3空间室内光环境指标室内光环境指标主要包括4个方面，分别为：采光系数：外窗窗台高度取值为0.7 5m（0.7 5m）,类光气候分区的室外天然光设计照度值为150 0 0 1x，工作区参考平面取距地面0.7 5m水平面，走道区参考平面取地面，绘图区和讨论区的采光系数标准值定为4.0%，交通区采光系数标准值定为1.0%，最低采光系数满足率不小于6 0%可视为优级 10.12 ;室内天然光照度标准值：绘图区和讨论区的室内天然光照度标准值为6 0 0 1x，交通区室内天然光照度标准值为150 1x101;空间日光自主权：根据IES发布的LM8 312，sDA5001x.50%75%时，可以认为该区域的日光充足度较高 13；照度标准值：根据JGJ3102013要求以及实际情况考量，绘图区和讨论区照度标准值不应低于500 1x,交通区照度标准值不应低于150 1x14 O2.4空间室内界面参数根据GB500332013与GB501892015相关规定，样本模型的内界面参数取规范规定的平均值，外窗参数取最小值，具体参数设置见表11.,51表1空间室内界面参数设置Table 1 Parameters of spatial interior surface界面参数模型设置顶棚反射比0.75墙面反射比0.55地面反射比0.30绘图区和讨论区界面反射比0.40外窗透射比0.402.5运行时段设置根据沈阳地区高校运行调研可知，周一至周五为日常教学使用期，全月平均累计教学日数为2 2 d，全天分为3个时段，即：上午（8：0 0 12：0 0）、下午（14:0 0-18:0 0）和晚上（19:0 0-2 2:0 0）。结合昼间天然采光与人工照明时时动态耦合，以及夜间人工照明主动开启的空间日运行一般模式,形成原型空间全年碳排放量的运行影响关联。3分析与结论3.1双侧外窗几何形状对原型空间的碳排放影响双侧外窗几何形状对专业绘图原型空间的碳排放量影响分析数据见表2 和图6。表2（昼间）外窗几何参数与碳排放量的相关性分析统计结果Table 2 Correlation analysis results of exterior window geometry with Carbon emissions C朝向指标HHwsWwbwWWWFRWWR南向CO2(昼间)-0.529*-0.563*0.581*-0.581*-0.794*-0.794*北向CO2(昼间)-0.599*-0.463*0.591*-0.591*-0.848*-0.848*西向CO2(昼间)0.578*0.527*0.579*0.579*-0.825*-0.825*东向CO2(昼间)-0.547*-0.524*0.585*-0.585*-0.809*-0.809*注：当显著性值Sig0.05时，自变量和因变量之间存在显著相关性，标注为一颗星（*）；当显著性值Sig0.01时，自变量和因变量之间存在极显著相关性，标注为两颗星（*）。相关系数（r)绝对值越大，表明两者之间的关系越密切。（1）建筑外窗几何形状、面积、位置等影响建筑室内天然采光利用能力，进一步影响其对应空间室内人工照明运行配置。模拟分析显示，两者关系显著且呈现负相关，即：天然光利用能力越大，人工照明运行配置需求越小。同时，人工照明运行可直接以用电负荷为媒介进行C转换。故，本研究所讨论的外窗几何形状和人工照明耦合作用与碳的影响关联假设成立可行。(2)Hw、H w s、W w b w、W w、W w R 和WFR构成外窗几何形状与碳排放量关联的参数指标体系。其中,H,与H影响外窗纵向位置，Wwbw和Ww影响外窗横向位置，WwR和WFr对外窗面积起双重限定作用。(3）W FR、W w R、H w s、W w、W w w、H w 与C存在显著相关性。在空间面积确定的前提下，Wr和Wwr直接影响建筑外窗面积和对应的天然采光利用能力，与C的关联程度最大。模拟分析显示,Hw、W w 和Hws与C36DING Jianhua，e t a l.In f l u e n c e o f G e o me t r i c Pa r a me t e r s o f O p p o s i n g Ex t e r i o r W i n d o w s o n Ca r b o n Emi s s i o n s f r o m Li g h t i n g i n Pr o f e s s i o n a l D r a w i n g Sp a c e o f U n i v e r s i t i e s(8/(e/8)/(e/8)/210021002100200020002000190019001900180018001800最大值最大值最大值1700中值1700中值1700中值一最小值一最小值一最小值1600160016002.22.42.62.83.03.21.92.02.12.22.32.4 2.5 2.60.3250.3750.4250.475.0.5250.5750.3750.4250.4750.525窗户宽度/m窗户宽度/m窗墙比(a)窗户宽度与碳排放量线性关系(b)窗户高度与碳排放量线性关系(c)窗墙比与碳排放量线性关系(a)Carbon emission trends of window width(b)Carbon emission trends of window height(c)Carbon emission trends of window-to-wall ratio(e/)/(e/)/(e/210021002100200020002000190019001900180018001800最大值最大值一最大值1700中值1700中值1700中值一最小值一最小值一最小值1600160016000.150.170.190.210.00.20.40.60.81.01.20.70.80.91.01.1 1.21.31.40.230.250.170.190.210.230.250.27窗间墙宽度/m窗台高度/m窗地比(d)窗间墙宽度与碳排放量线性关系(e)窗台高度与碳排放量线性关系()窗地比与碳排放量线性关系(d)Carbon emission trends of width of wall between windows(e)Carbon emission trends of windowsill height(f)Carbon emission trends of window-to-floor ratio图6外窗几何形状因素与碳排放量线性关系Fig.6 Carbon emission trends of geometric shape factors of exterior windows呈负相关。Hw和Ww共同确定外窗几何形状和面积，进而影响对应空间的天然采光利用能力和受日光控制的人工照明碳排放量。Hws主要影响开窗位置的高低，模拟分析显示,Hws越大，有更多的区域能通过天然采光达到最低标准，对人工照明的依赖越低，并在一定程度上“开高窗”能优化天然采光在室内的利用效果。3.2不同朝向外窗几何形状对原型空间的碳排放量影响不同朝向外窗几何形状对原型空间的碳排放量分析数据见表3。表3C在不同朝向的专业绘图教室中多元线性回归模型的综合分析结果Table 3 Results of the combined analysis of multiple linear regression models for C in professional drawing classrooms with different orientations朝向调整后的R2显著性值自变量标准化回归系数值显著性值VIF值常量一58.7470.000一Hw0.56215.9240.0001.000南向0.9400.000Hws0.576-16.3410.0001.000Ww-0.541-15.3410.0001.000常量63.8300.000一一Hw-0.598-15.2140.0001.000北向0.9260.000Hws0.487-12.3770.0001.000Ww-0.57414.5780.0001.000常量71.8410.000一Hw0.62922.4670.0001.000西向0.9620.000Hws-0.544-19.4060.0001.000-0.510-18.2180.0001.000常量49.5290.000Hw0.552-12.9820.0001.000东向0.9130.000Hws-0.528-12.3960.0001.000WW0.57913.6040.0001.000（1)在双侧开窗条件下，昼夜不同运行时段对C有较大影响且存在差异；夜间C为同一值（C=851kg/a）。本研究所选取的原型空间整体C趋势为：西向 东向 南向 东向 南向 北向,其空间DA值越大,所反映的天然采光满足工作面最低采光标准的区域越多，室内照明环境对人工照明的依赖越低，也就意味着电损耗所产生的C越少，即：不同朝向的碳趋势与DA值呈正相关。（2）不同朝向多元线性回归方程的自变量的影响程度不同,即：朝南向时,HwsHwWw;朝北向时，HwWwHws;朝西向时,HwHwsWw;朝东向时，WwHwHwso37建华，等：高校专业绘图空间双侧外窗几何参数与照明的碳排放量影响研究3.3不同运行时段不同朝向对高校专业绘图教室空间的碳排放影响间运行时段，外窗几何参数直接影响其空间天然采光效果，天然采光与人工照明处于动态耦合关系，因此，专业绘图空间外窗几何与C存在较为显著关联。以实验模拟所选取的沈阳地区某高校专业绘图空间为例，上午时段（8：0 0 12：0 0）天然采光显著优于下午时段（14:0 0 18:0 0），所属时段相较于下午对室内照明的依赖程度低,能耗与C相对更低。夜间运行时段为晚上（19:0 0-2 2：0 0）时天然采光对C没有影响，外窗几何与C不存在数据关联（见图7、8）。2200斤工主体数据均值数据(e/8)/210020001900180017001600南向教室北向教室西向教室东向教室教室朝向图7朝向影响下碳排放量变化分布趋势Fig.7 Distribution trends of carbon emissions variationunder the influence of orientation11001050(e/8)/1000950900850工主体数据均值800数据750上午下午运营时间段图8运行时段影响下碳排放量变化分布趋势Fig.8 Distribution trends of carbon emissions variationunder the influence of operational hours3.4局限性本次研究结论受7 个方面的局限性，分别为：本次研究气候区选择为严寒C区；样本原型不做竖向层数条件下分析；外窗窗台最低分析高度为0.75m；外窗开窗数量仅做整窗和三条带窗两种该工况；室内人工照明方案为优化后的固定照明方案；DIALuxevo进行单空间模拟分析只能设置一个传感器；样本原型的室内眩光问题不在本次研究范围内。4结语研究分析证明，以高校专业绘图教室为原型单元，在优化后的人工照明布局方案和不同照明运行时段对高校建筑学专业绘图教室的碳排放量进行关联研究，以教室外窗几何形状为自变量，在以专业绘图教室的sDA达标为前提下，建构了不同朝向专业绘图教室天然采光和人工照明与建筑碳排放的预测模型。模型拟合度高，该模拟分析和统计分析具有显著意义。该预测模型对于为高校专业绘图教室的低碳设计、高校建筑的低碳运营管理和低碳校园建设提供了定量依据和评价指引。参考文献：1 Rubeis T D,Nardi I,Mutillo M,et al.Room and Window GeometryInfluence for Daylight Harvesting Maximization-Effects on Energy Savingsin an Academic Classro0m J.Energy Procedia,2018,148:1090-1097.2范征宇，徐若变，刘加平.夏热冬暖地区中小型铁路客站候车厅自然采光优化设计一一以海口某高铁站为例J.建筑节能（中英文），2023,51(7):1-7.3JMangkuto R A,Koerniawan M D,Hensen J L,et al.Optimization ofDaylighting Design using Self-Shading Mechanism in Tropical SchoolClassrooms with Bilateral Openings J.Journal of Daylighting,2022,9:117 136.【4 柴云峰.基于低碳可延续性的高层办公楼遮阳采光节能设计 J.建筑节能,2 0 2 0,48(6)：55-58.5 Lakhdari K,Sriti L,Painter B.Parametric Optimization of Daylight,Thermal and Energy Performance of 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0 17：8 5.12 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB500332013，建筑采光设计标准 S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 13.13 National Renewable Energy Laboratory,the U.S.Department ofEnergy,et al.Weather Data EB/OL.(2023-05-28).https:/ 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T503782019,绿色建筑评价标准 S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 19.15 Society I E.Approved method:IES spatial Daylight autonomy(sDA)and annual sunlight exposure（A SE)S.Ne w Yo r k,N Y:I ES-Iluminating Engineering Society,201216 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ3102013，教育建筑电气设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 14.17 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB501892015，公共建筑节能设计标准S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 15.作者简介：丁建华（19 8 0），男，辽宁人，毕业于哈尔滨工业大学，建筑学专业，博士，教授，主要从事可持续建筑设计、技术及其理论方面的研究(a-djh )。