近零能耗高层住宅关键参数量化设计策略研究——以上海地区为例

Nearly Zero-energy building design is one of the effective ways to achieve energy-saving emission reduction and building a resource-saving society. Taking the high-rise residential building in Shanghai as an example, this research focuses on nearly Zero-energy consumption targets, and starts from three aspects, environmental adaptation, architecture design and system design, the key parameters that closely affected the high-rise residential buildings in Shanghai to achieve nearly zero-energy consumption will be selected, such as shape coefficient, residential flat, envelope, sun / back surface area ratio, the vertical installation area and form of photovoltaic, and air conditioning methods. Based on case studies, the typical high-rise residential energy consumption simulation prediction model will be established for the purpose of parameters quantification. Simulation calculation method of multiple parameters with signal variable to analyze the influencing residence operational energy consumption will be used to analyze the sensitivity of the parameters closely related to housing energy consumption and housing index, and quantify their energy-saving contribution rate. Finally, the multidimensional combinatorial optimization method is used to optimize the typical residential building design, and the ideal model of nearly zero-energy high-rise residential building in Shanghai will be obtained, and then the design strategies suitable for the nearly zero-energy high-rise residential building in Shanghai will be put forward. The research results can provide reference for energy saving design and technical scheme selection of high-rise residential buildings under similar climatic conditions.

近零能耗建筑设计是实现节能减排、建设资源节约型社会的有效途径之一。本项目以上海地区高层住宅为研究对象，以近零能耗目标为导向，从环境信息、建筑设计和系统设计三个层面展开研究，分析选取影响该地区高层住宅实现近零能耗的关键参数，如体形系数、住宅平面、围护结构、向/背阳面表面积比、立面光伏有效安装面积和形式，以及空调方式等。以案例调研为基础，以参数量化为研究目的，建立该地区典型高层住宅能耗预测模型，采用多重能耗影响参数单一变量下的住宅能耗仿真计算方法，对不同关键参数对住宅的建筑和性能指标，以及运行能耗的影响进行敏感性分析，量化其节能贡献率；最后，采用多变量组合优化法对典型住宅建筑方案进行优化，得出上海地区近零能耗高层住宅的理想模型，进而提出适合上海地区近零能耗高层住宅的设计策略。研究成果可为类似气候条件下的高层住宅节能设计和技术方案选择提供参考与借鉴。

面对全球化的能源与环境问题，从居住建筑的发展趋势来看，以零能耗为导向的近零能耗居住建筑必将会成为未来居住建筑发展的目标之一，是实现节能减排、建设资源节约型社会的有效途径之一， 符合我国建筑节能领域的发展方向，具有一定的科学性、紧迫性和前沿性。本研究以上海地区高层住宅为研究对象，以近零能耗目标为导向，从适应气候环境、低能耗 设计和可再生能源利用三个方面进行展开，针对上海地区特定的地域气候环境、经济水平、标准体系、住宅类型、居住习惯和舒适度要求等条件，总结近零能耗高层住宅设计中可行的被动和主动技术集合。建立该地区高层住宅典型模型，通过PKPM软件进行能耗模拟计算，分析研究与建筑能耗密切相关的多种影响因素。对典型模型不同楼层的外围护结构负荷、保温层的厚度与位置、凸窗与外遮阳的设置、体形系数和空调方式对住宅得房率和容积率，以及建筑能耗的影响进行比较研究，提出上海地区高层住宅的被动式超低能耗设计策略。再利用PV-system软件对该住宅的光伏发电量进行测算，计算出其光伏发电极限值，最后得出了典型模型案例在上海地区的光伏替代率和总节能率极限值，提出上海地区高层住宅实现近零能耗的可能性。再基于Rhinoceros+Grasshopper模拟工具，搭建数字化平台，进行以零能耗为导向的建筑能源需求最低、光伏发电量最大、增量成本最低的多目标优化，实现同一平台下的多参数、多目标优化解集分析。借助跨学科研究平台，将住宅节能从定性研究向定量研究推进,建立上海地区典型高层住宅建筑设计的参数体系，选取关键参数，找到参数量化的方法，建立模型，通过数字化算法对建筑设计方案进行优化，提出上海地区近零能耗高层住宅的理想模型和设计策略。从而使节能设计能够更早、更准确 地介入到住宅建筑设计之中，避免方案成型后建筑空间模式和能源系统的反复修改调整，为建筑设计提供科学依据，具有很好的应用前景。研究成果可以为类似气候条件下的高层住宅节能设计和技术方案选择提供参考与借鉴。