本发明属于节能建筑设计领域，特别涉及一种针对办公建筑采用夏季空调制冷能耗模拟进行节能设计的方法。
背景技术
随着世界能源问题的不断恶化，节能研究尤其使针对建筑设计节能的研究越来越成为全世界关注的焦点。而在以往的建筑设计中，尤其在设计初期的方案阶段，由于缺乏相应的能耗模拟技术，设计师只能从建筑新材料、新工艺以及新的建筑构件或构造做法以及对新能源、新设备的运用等方面进行“绿色表皮”的节能建筑设计。
随着经济的快速发展和城市可开发土地的紧缺，各地办公建筑发展迅猛，建筑数量和建筑面积在每年新建公共建筑中占比34％，是我国能耗比较高的建筑类型，从用能分项上看，空调系统的能耗约占30％～40％，是节能的重点。而办公建筑的空调能耗具有明显的季节特征，其中冬季和夏季为用电高峰，空调能耗高，因此，合理的空间设计是空调系统节能的关键。
designbuilder是英国designbuilder公司开发的建筑模拟软件。通过与美国环境部开发的建筑能源模拟程序energyplus实现连动。是一款针对建筑能耗动态模拟程序energyplus开发的综合用户图形界面模拟软件，可对建筑采暖、制冷、照明、通风、采光等进行全能耗模拟。
在目前的节能设计中，仅仅将建筑能耗模拟这一过程用于建筑方案设计完成后，对其进行是否满足规范的能源消耗最小值的判断，甚至在建筑落地时，才对其进行简单粗犷的节能设计手段验证。这样的节能建筑设计流程极大降低了节能效率，使节能设计缺少可靠度。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种以夏季空调制冷能耗控制为目标的办公建筑空间节能设计方法，以解决现有节能建筑设计过程中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种以夏季空调制冷能耗控制为目标的办公建筑空间节能设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据所处的物理环境确定办公建筑基本体型模型及确定影响该建筑能耗的体型设计因素；
在designbuilder软件中迅速建立办公建筑基本体型模型，控制建筑的正投影面积为1000㎡,并根据办公建筑所处物理环境确定影响该建筑能耗的体型设计因素为：平面形状、平面长宽比和层高；
步骤二：对在步骤一designbuilder软件中建立的基本体型模型分别以不同平面形式、平面长宽比、层高为单一变量进行夏季空调制冷能耗模拟分析；
载入统一设置的能耗模拟相关的计算参数到指定的体型模型，包括需根据建筑所处具体物理环境确定：建筑尺寸及热工参数、气候环境、建筑空调系统模板，还包括默认参数：建筑模板的主预置模板、建筑玻璃参数、室内照明模板；
根据影响建筑能耗的三个体型设计因素在designbuilder软件中共进行三组单独的模拟实验：分别以每种因素作为唯一变量进行能耗模拟，得出不同设计参数下建筑的制冷总能耗和单位建筑制冷能耗，单独分析每个设计参数与夏季空调制冷能耗之间的关系；
步骤三：根据步骤二所得，获得夏季空调制冷能耗相对较低的办公建筑体型模型，即综合建筑制冷总能耗及节能效率两项指标最低的模型，并在此基础上再次确定影响该建筑能耗的体型设计因素为：建筑朝向、空间组合形式；
步骤四：对在步骤三所得夏季空调制冷能耗相对较低的办公建筑体型模型分别以不同朝向、空间组合形式为单一变量再次进行夏季空调制冷能耗模拟分析；
载入统一设置的能耗模拟相关的计算参数到指定的体型模型，包括需根据建筑所处具体物理环境确定：建筑尺寸及热工参数、气候环境、建筑空调系统模板，还包括默认参数：建筑模板的主预置模板、建筑玻璃参数、室内照明模板；
根据影响建筑能耗的二个体型设计因素在designbuilder软件中共进行二组单独的模拟实验：分别以每种因素作为唯一变量进行能耗模拟，得出不同设计参数下建筑的制冷总能耗和单位建筑制冷能耗，单独分析每个设计参数与夏季空调制冷能耗之间的关系；
步骤五：进一步挖掘该建筑形态的被动式节能设计潜能，实现对夏季空调制冷能耗的控制，降低办公建筑设计能耗；
以被动式空间节能设计为基础，结合办公建筑的立面形式要素、围护结构构造和设备系统的节能设计，挖掘被动式节能设计潜能，最终实现办公建筑节能目标。
进一步的，步骤一具体包括：根据项目基地相关资料对该地区节能建筑发展，总结该地区办公建筑的体型特点，讨论影响办公建筑体型设计的因素；并结合我国节能建筑设计现行的相应规范及相关标准，对影响办公建筑能耗的体型设计因素进行确定；所确定影响能耗的设计因素为：平面形状、平面长宽比和层高。
进一步的，步骤二具体包括：
a、根据建筑物所处地区物常见围护结构的热传递特点来确定相应的建筑、结构尺寸及热工设计参数；
b、直接选择designbuilder软件的引擎enerlyplus自带的中国标准气象数据库—cswd数据，即夏季设计气候及模拟气象资料；
c、根据建筑所在地区具体情况选择相应的通风和空调系统模板，并根据实际情况设置空调运行方式、室内设定温度、开启时间段及换气次数；
d、然后，根据具体的办公建筑类型选择建筑模型的主预置模板，该模板中包含了建筑内部人员活动情况、夏季室内计算温度、室内照度、空气新风状况、生活热水使用情况与建筑能耗有关的因素；
e、在设置建筑玻璃窗参数时，直接选择默认的能耗计算模块generalenergycode，且模拟时不考虑建筑遮阳；
f、将室内照明模块lightingtemplate选择为generalenergycode模板的缺省设置，照明功率密度值根据《建筑照明设计标准》gb50034-2004的规定，住宅的lpd值设定为7w/㎡，室内的照明方式选择为吸顶灯照明。
进一步的，步骤二具体包括：
a、以建筑的平面形式为变量：在建筑面积与其他因素不变的条件下，对矩形、三角形、十字形、圆形、四种平面形式在步骤二参数设定条件下进行能耗模拟；
b、以建筑的长宽比为变量：在建筑面积与其他因素不变的条件下，对长宽比分别为2:1、1.5:1、1:1、1:1.5、1:2五种不同平面长宽比在步骤二参数设定条件下进行能耗模拟；
c、以建筑的层高为变量：在其他因素不变的条件下，对3.6m、3.9m、4.2m、4.5m四种层高在步骤二参数设定条件下进行能耗模拟。
进一步的，步骤二designbuilder模型数据完整传到energyplus进行模拟分析。
进一步的，步骤三具体包括：根据该地区办公建筑的体型特点，并结合我国节能建筑设计现行的相应规范及相关标准，对影响办公建筑能耗的体型设计因素再次进行确定为：建筑朝向、空间组合形式。
进一步的，步骤四具体包括：
a、以建筑的朝向为变量：以建筑模型南向为01，将模型绕几何中心逆时针旋转15°、30°、45°、60°、75°，控制其他因素不变，在步骤二参数设定条件下进行能耗模拟，得出建筑朝向与能耗的关系曲线；
b、以建筑的空间组合形式为变量：在建筑面积与其他因素不变的条件下，对串联式、并列式、单元式、集中式四种空间组合形式分别在步骤二参数设定条件下进行能耗模拟，得出建筑的空间组合形式与能耗的关系曲线。
进一步的，步骤五中，被动式节能设计潜能包括：调整天然采光面积、增加必要的遮阳措施、增加建筑被动得热、增大夏季建筑内部通风及减小冬季建筑内部风压差。
本发明在确定常见办公建筑的典型体型后，分两个层次，首先对影响建筑能耗的基本设计因素，即建筑平面形状、平面长宽比及层高进行能耗模拟，在初步确定相对节能的建筑体型基础之上，针对不同建筑朝向、空间组合形式再次进行能耗模拟分析，从而准确得出建筑体型设计参数与能耗的关系。
在具体进行建筑能耗模拟的过程中，通过在designbuilder软件中快速建立模型，并将建筑物划分成不同区域，对围护结构、建筑物内部人员活动、hvac及照明系统进行设置，然后对影响建筑能耗的不同体型设计参数进行全年8760h的总能耗量模拟计算。
为了保证模拟结果的正确性，建筑模型的各项指标如体形系数、窗墙比、围护结构热工性能须严格按照该地区节能建筑规范中的要求，不得超过各项指标中的限值。其中各项指标中的窗墙比应当按照办公建筑节能设计标准的规定，取各项规定值中的最高值。
本发明一种以夏季空调制冷能耗控制为目标的办公建筑空间节能设计方法：
首先，根据项目基地相关资料对该地区节能建筑发展，总结该地区办公建筑的体型特点，讨论影响其节能建筑体型设计的因素。并结合我国节能建筑设计现行的相应规范及相关标准，对影响建筑能耗的体型设计因素进行确定。
在designbuilder软件中迅速建立建筑体型模型，根据该软件特点，载入统一设置的能耗模拟相关的计算参数到指定的体型模型，包括需根据建筑所处具体物理环境确定：建筑尺寸及热工参数、气候环境、建筑空调系统模板，还包括默认参数：建筑模板的主预置模板、建筑玻璃参数、室内照明模板。
建筑模型在进行构造选择时，由于软件预置模块(constructiontemplate)都是以英国的建筑为例来设置，应当根据建筑物所处地区物常见围护结构的热传递特点来确定相应结构的尺寸及热工参数。
能耗模拟时的气象数据直接使用该软件的引擎enerlyplus自带的中国标准气象数据库——cswd(chinesestandardweatherdata)数据，该数据主要包括冬季、夏季设计气候及模拟气象资料。
建筑供热通风和空调系统(hvac)应当根据建筑所在地区具体情况选择相应模板，并设置空调运行方式、室内设定温度、开启时间短及换气次数。
建筑模型的主预置模板(activitytemplate)根据具体的建筑类型选择模板，该模板中包含了建筑内部人员活动情况、夏季室内计算温度、室内照度、空气新风状况、生活热水使用情况等与建筑能耗有关的因素。但是由于该模板中采用的数据均是参照英国的标准，部分数据不符合我国的现状，故为了使模拟准确性得到保障，可根据建筑物具体设计情况进行调整。
建筑的玻璃窗(glazingtemplate)选择默认的能耗计算模块(generalenergycode)，且模拟时不应考虑建筑遮阳。
建筑的能耗主要是由空调系统能耗、办公电耗、照明能耗以及电梯能耗四大方面构成，相对于占建筑总能耗40％的空调能耗来说，照明能耗显得微不足道。因此，室内照明模块(lightingtemplate)选择“generalenergycode”模板的缺省设置，照明功率密度值(lpd)根据《建筑照明设计标准》(gb50034-2004)的规定，住宅的lpd值设定为7w/㎡，室内的主要照明方式选择为吸顶灯照明。
模拟计算将根据影响建筑能耗的体型设计的因素进行五个单独的模拟实验，即分别以每种因素作为唯一变量进行能耗模拟，单独分析每个设计参数与能耗之间的定量关系。
本发明主要采用计算机模拟的方法进行能耗研究，其内嵌的energyplus能耗模拟器可以对建筑在使用过程中的所有能耗进行模拟计算，其中包括采暖能耗(heatgeneration)、空调能耗(chiller)、照明能耗(lighting)、系统循环水泵能耗(systempumps)。由于designbuilder软件采用energyplus能耗模拟引擎，是对建筑全年8760小时的总能耗的模拟输出，能耗单位是kwh。而根据《办公建筑节能设计标准》中用来评价建筑物能耗的指标为耗热量指标，单位采用w/㎡，即单位建筑面积在单位时间内消耗的需由室内采暖设备供给的热量。故在进行能耗指标评价时，应将designbuilder模拟所得数据转换成每平米建筑每小时的能耗值。
分别得出不同设计参数下建筑的总能耗和单位建筑能耗，并对单一影响因素的不同状况进行能耗水平及节能率对比，运用excel软件得出影响建筑节能的的五大体型设计因素与建筑能耗之间的定量关系曲线。
结合建筑体型设计参数与能耗的定量关系，得出建筑的最佳节能体型，并可在此基础上，得出设计方案的相对节能效果，进而进行下一步的设计。
以上的结论从节能角度为建筑师最初的设计决策提供依据和借鉴，并应以被动式空间节能设计为基础，结合办公建筑的立面形式要素、围护结构构造和设备系统的节能设计，挖掘被动式节能设计潜能，最终实现办公建筑节能目标的实现。
本发明在以夏季空调制冷能耗控制为目标的节能设计导向下，使办公建筑设计在初始阶段便可采用定量的方法来分析建筑体型设计参数与能耗之间的准确关系，提高节能效率，实现节能目标，推动了办公建筑节能设计的发展。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
a、基于designbuilder软件对模型进行模拟分析，确保了分析模型的准确性，从而保证了分析结果的真实可靠性。
b、将deignbuilder软件与节能建筑设计相结合，使各个步骤都基于软件的分析模拟，变得有理可依，提高了设计质量和合理性。
c、充分结合designbuilder与节能建筑设计，使建筑设计初期形成完整的的工作链条，使方案通过率和施工可行性增强。
d、通过创新设计逻辑，形成设计与模拟分析不断优化的反馈机制，提高节能建筑设计能耗模拟的效率和准确性。
e、充分模拟了建筑在每种变量下的物理反应，避免了设计过度或设计欠缺，极大提高了建筑的经济性与实际效益。
附图说明
图1为基本体型模型的示意图；
图2为建筑的平面形状与能耗的关系曲线；
图3为建筑的平面长宽比与能耗的关系曲线；
图4为建筑的层高与能耗的关系曲线；
图5为建筑朝向与能耗的关系曲线；
图6为建筑空间组合形式与能耗的关系曲线；
图7为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
请参阅图7所示，本发明一种以夏季空调制冷能耗控制为目标的办公建筑空间节能设计方法，具体包括以下步骤：
步骤一：根据所处的物理环境确定办公建筑基本体型模型及确定影响该建筑能耗的体型设计因素；
在designbuilder软件中迅速建立办公建筑基本体型模型，如图1所示，控制建筑的正投影面积为1000㎡,并根据办公建筑所处物理环境确定影响该建筑能耗的体型设计因素为：平面形状、平面长宽比和层高；
步骤二：对在步骤一designbuilder软件中建立的基本体型模型分别以不同平面形式、平面长宽比、层高为单一变量进行夏季空调制冷能耗模拟分析；
载入统一设置的能耗模拟相关的计算参数到指定的体型模型，包括需根据建筑所处具体物理环境确定：建筑尺寸及热工参数、气候环境、建筑空调系统模板，还包括默认参数：建筑模板的主预置模板、建筑玻璃参数、室内照明模板；具体的操作步骤如下；
a、根据建筑物所处地区物常见围护结构的热传递特点来确定相应的建筑、结构尺寸及热工设计参数；
b、直接选择designbuilder软件的引擎enerlyplus自带的中国标准气象数据库—cswd数据，即夏季设计气候及模拟气象资料；
c、根据建筑所在地区具体情况选择相应的通风和空调系统模板，并根据实际情况设置空调运行方式、室内设定温度、开启时间段及换气次数；
d、然后，根据具体的办公建筑类型选择建筑模型的主预置模板，该模板中包含了建筑内部人员活动情况、夏季室内计算温度、室内照度、空气新风状况、生活热水使用情况与建筑能耗有关的因素；
e、在设置建筑玻璃窗参数时，直接选择默认的能耗计算模块generalenergycode，且模拟时不考虑建筑遮阳；
f、将室内照明模块lightingtemplate选择为generalenergycode模板的缺省设置，照明功率密度值根据《建筑照明设计标准》gb50034-2004的规定，住宅的lpd值设定为7w/㎡，室内的照明方式选择为吸顶灯照明。
根据影响建筑能耗的三个体型设计因素在designbuilder软件中共进行三组单独的模拟实验：分别以每种因素作为唯一变量进行能耗模拟，得出不同设计参数下建筑的制冷总能耗和单位建筑制冷能耗，单独分析每个设计参数与夏季空调制冷能耗之间的关系；
模拟计算在上述a～f条件下的三个影响因素为变量的全年能耗模拟实验，即分别以每种因素作为唯一变量进行模拟，单独分析每个设计参数与能耗之间的定量关系，具体操作步骤如下：
a、以建筑的平面形式为变量：在建筑面积与其他因素不变的条件下，对矩形、三角形、十字形、圆形、四种平面形式在步骤二参数设定条件下进行能耗模拟；
b、以建筑的长宽比为变量：在建筑面积与其他因素不变的条件下，对长宽比分别为2:1、1.5:1、1:1、1:1.5、1:2五种不同平面长宽比在步骤二参数设定条件下进行能耗模拟；
c、以建筑的层高为变量：在其他因素不变的条件下，对3.6m、3.9m、4.2m、4.5m四种层高在步骤二参数设定条件下进行能耗模拟。
步骤三：根据步骤二所得，获得夏季空调制冷能耗相对较低的办公建筑体型模型，即综合建筑制冷总能耗及节能效率两项指标最低的模型，并在此基础上再次确定影响该建筑能耗的体型设计因素为：建筑朝向、空间组合形式；
载入统一设置的能耗模拟相关的计算参数到指定的体型模型，包括需根据建筑所处具体物理环境确定：建筑尺寸及热工参数、气候环境、建筑空调系统模板，还包括默认参数：建筑模板的主预置模板、建筑玻璃参数、室内照明模板；具体的操作步骤如下；
a、根据建筑物所处地区物常见围护结构的热传递特点来确定相应的建筑、结构尺寸及热工设计参数；
b、直接选择designbuilder软件的引擎enerlyplus自带的中国标准气象数据库—cswd数据，即夏季设计气候及模拟气象资料；
c、根据建筑所在地区具体情况选择相应的通风和空调系统模板，并根据实际情况设置空调运行方式、室内设定温度、开启时间段及换气次数；
d、然后，根据具体的办公建筑类型选择建筑模型的主预置模板，该模板中包含了建筑内部人员活动情况、夏季室内计算温度、室内照度、空气新风状况、生活热水使用情况与建筑能耗有关的因素；
e、在设置建筑玻璃窗参数时，直接选择默认的能耗计算模块generalenergycode，且模拟时不考虑建筑遮阳；
f、将室内照明模块lightingtemplate选择为generalenergycode模板的缺省设置，照明功率密度值根据《建筑照明设计标准》gb50034-2004的规定，住宅的lpd值设定为7w/㎡，室内的照明方式选择为吸顶灯照明。
步骤四：对在步骤三所得夏季空调制冷能耗相对较低的办公建筑体型模型分别以不同朝向、空间组合形式为单一变量再次进行夏季空调制冷能耗模拟分析；
根据影响建筑能耗的二个体型设计因素在designbuilder软件中共进行二组单独的模拟实验：分别以每种因素作为唯一变量进行能耗模拟，得出不同设计参数下建筑的制冷总能耗和单位建筑制冷能耗，单独分析每个设计参数与夏季空调制冷能耗之间的关系，具体操作步骤如下：
模拟计算在上述步骤三述a～f条件下的二个影响因素为变量的全年能耗模拟实验，即分别以每种因素作为唯一变量进行模拟，单独分析每个设计参数与能耗之间的定量关系，具体操作步骤如下：
a、以建筑的朝向为变量：以建筑模型南向为01，将模型绕几何中心逆时针旋转15°、30°、45°、60°、75°，控制其他因素不变，在步骤二参数设定条件下进行能耗模拟，得出建筑朝向与能耗的关系曲线；
b、以建筑的空间组合形式为变量：在建筑面积与其他因素不变的条件下，对串联式、并列式、单元式、集中式四种空间组合形式分别在步骤二参数设定条件下进行能耗模拟，得出建筑的空间组合形式与能耗的关系曲线。
步骤五：进一步挖掘该建筑形态的被动式节能设计潜能，实现对夏季空调制冷能耗的控制，降低办公建筑设计能耗；
以被动式空间节能设计为基础，结合办公建筑的立面形式要素、围护结构构造和设备系统的节能设计，挖掘被动式节能设计潜能，最终实现办公建筑节能目标。
以上的结论将从节能角度为建筑师最初的设计决策提供依据和借鉴，并应以被动式空间节能设计为基础，结合办公建筑的立面形式要素、围护结构构造和设备系统的节能设计，挖掘被动式节能设计潜能，最终实现办公建筑节能目标。