Case study 10.6: Phân tích năng lượng tòa nhà hiện hữu 1

Loại dự án: Tòa văn phòng hiện hữu

Địa điểm: Newport Beach, California

Công ty thiết kế/ mô phỏng : Callison/KEMA Energy Analysts

---

Một công trình tiêu thụ năng lượng thấp đòi hỏi các mục tiêu ban đầu, toàn bộ nhóm dự án tương tác trong suốt quá trình và một loạt các loại mô phỏng được sử dụng ở các giai đoạn khác nhau của dự án để đảm bảo thành công.

Tổng quan

Đối với DPR Construction, tu sửa lớn không gian văn phòng mới được thuê của họ ở Newport Beach, các mục tiêu năng lượng đã được đặt ra tại khởi động dự án sinh thái charette. Trong khi Net Zero Energy được nhắm mục tiêu, một số hạn chế của vị trí đã hạn chế khả năng nhóm để đạt được nó. Kết quả thiết kế, cân bằng hiệu suất năng lượng, mong muốn của chủ nhà về các sửa đổi tối thiểu có thể nhìn thấy bên ngoài, tái sử dụng hệ thống cơ khí hiện có và chi phí hợp lý, hiệu suất khoảng 35 kBtu/ft2/năm, thấp hơn 67% so với người thuê không gian trước đó và thấp hơn 58% so với tiêu đề 24 nghiêm ngặt của California. Điều này đã được thực hiện với lợi tức đầu tư trong hợp đồng thuê 9 năm.

Nhóm dự án đã gặp gỡ thường xuyên để thảo luận ý tưởng về sử dụng năng lượng. Một thành viên trong nhóm sau đó đã nhận xét rằng việc thiết lập các mục tiêu năng lượng sớm đã làm trơn tru quy trình làm việc bởi vì chỉ có các lựa chọn hiệu quả nhất về năng lượng cần được nghiên cứu. Ngoài ra, có một nhà phân tích và nhà vô địch về năng lượng được chỉ định (KEMA) đảm bảo rằng các tác động năng lượng của các quyết định luôn luôn là trên bàn trong các cuộc họp nhóm. Với các tấm pin mặt trời được thêm vào năm 2013, dự án dự kiến ​​sẽ giảm thêm 25% sử dụng năng lượng.

Mô phỏng

Đầu thiết kế, nhóm đã đánh giá tiềm năng chiếu sáng ban ngày trong phạm vi hình học và kích thước cửa sổ, vị trí và thuộc tính hiện có. Các mô phỏng hiển thị false colors cho các khu vực trên 25fc và được cắt bớt để bỏ qua các màu ở các khu vực dưới ngưỡng này. Các mô phỏng cho thấy lớp vỏ hiện tại có thể tuân thủ các khoản tín dụng LEED. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cảm thấy rằng để tạo ra cảm giác được chiếu sáng tốt và cân bằng trong không gian, một số ánh sáng điện sẽ được sử dụng cho phần lớn số giờ cư trú.

Mặc dù các ống ánh sáng ban ngày đã được sử dụng tại các văn phòng DPR khác, vì không gian này nằm ở tầng dưới của tòa nhà, các ống không thể sử dụng được. Vì lý do này, thiết kế ánh sáng tập trung vào các đèn LED hiệu quả cao được điều khiển bởi mỗi người dùng. Thay vì chiếu sáng không gian bằng trần trắng liên tục, trần thả với đèn chiếu sáng được sắp xếp theo nhóm, với không gian giữa chúng để quạt lớn lưu thông không khí hoặc để không khí phân tầng vào thời điểm khác.

Nhóm nghiên cứu cũng theo đuổi các chiến lược che nắng để giảm thiểu tải làm mát, nhưng nhóm cảm thấy tác động thẩm mỹ sẽ không được chủ nhà chấp thuận.

Đối với việc xây dựng văn phòng cải tạo Net Zero Energy đầu tiên của DPR Energy ở San Diego, nhóm đã học được rằng tải cắm cao hơn nhiều so với dự đoán trong quá trình thiết kế. Để kiểm soát tải cắm trong văn phòng này và các văn phòng khác, một công tắc tiêu diệt đã được sử dụng tại mỗi máy trạm để loại bỏ tải cắm trong giờ không sử dụng.

Thông gió tự nhiên

Ngoài ánh sáng hiệu suất cao, chiến lược thay đổi trò chơi khác là giới thiệu thông gió tự nhiên. Do hệ thống Variable Air Volume HVAC đã được đưa ra trước khi cho thuê, nên hệ thống này không thể thay thế hoặc sửa đổi đáng kể. Điều này có nghĩa là nhóm không thể tận dụng tối đa hệ thống cơ học được thiết kế đặc biệt để đi kèm với các chiến lược làm giảm tải làm mát.

Mô phỏng ánh sáng ban ngày, các mức độ chiếu sáng Mô phỏng ánh sáng ban ngày, các mức độ chiếu sáng

Ngày 21/09 lúc 9h sáng Ngày 21/09 lúc 3h chiều

Thay vào đó, nhóm nghiên cứu tìm cách hạn chế sử dụng hệ thống cơ học thông qua các công nghệ thụ động. Kết quả thiết kế đã giảm mức sử dụng năng lượng làm mát hàng năm HVAC trung bình 64% trên các không gian khác nhau.

Để đảm bảo thông gió tự nhiên sẽ liên tục chảy qua tòa nhà, đặc biệt là trong thời gian làm mát cao điểm, một mô hình CFD ngoài trời đã được sử dụng để ước tính áp lực gió khác biệt tại các mặt đứng khác nhau của tòa nhà, xem Nghiên cứu trường hợp 9.4. Sau đó, một mô hình luồng không khí số lượng lớn sử dụng DesignBuilder đã được sử dụng để xác định vị trí của các cửa sổ để cung cấp đủ gió mát để duy trì sự thoải mái khi sử dụng thông gió tự nhiên.

Khi thông gió tự nhiên trở thành chiến lược giảm năng lượng chính, nhóm dự án bắt đầu thiết kế lại nội thất. Mọi yếu tố của thiết kế nội thất mới bắt đầu hỗ trợ thông gió tự nhiên bằng cách cho phép các luồng khí không bị cản trở đi qua không gian.

Mặt bằng văn phòng mở hiện được thiết kế với trần nhà cao, trần thả không liên tục để phản chiếu ánh sáng và chiều cao phân vùng thấp. Các khu vực yêu cầu một số sàng lọc trực quan được thiết kế với các khu vực mở để tạo ra sự tách biệt trong khi không cản trở luồng không khí.

Các khu vực đòi hỏi sự riêng tư nhiều hơn được đặt ở nơi không thể thông gió chéo, chẳng hạn như ở phần sâu nhất của tòa nhà nơi đặt phòng tắm. Các phòng có áp suất không khí tiêu cực, chẳng hạn như phòng tắm và phòng copy, được đặt trong các khu vực chết đường dẫn khí, được thiết kế để hỗ trợ tạo luồng không khí đến các khu vực mà hệ thống thông gió tự nhiên không hỗ trợ tốt. Các phòng hội thảo được đặt để có thể đạt được thông gió chéo mà không cần mở ra phần còn lại của văn phòng trong các cuộc họp riêng. Một khu vực trung tâm bao quanh được uốn cong để giảm sức cản không khí và cung cấp một biểu tượng của thẩm mỹ thông gió tự nhiên.

Chủ đầu tư yêu cầu rằng việc bổ sung các cửa sổ có thể thao tác phải được nhìn thấy tối thiểu và được tích hợp với kiến ​​trúc hiện có. Nhóm thiết kế đề xuất các cửa sổ đóng khung bên trong có thể hoạt động, hầu như không đáng chú ý khi đóng, cùng với việc xác nhận năng lượng tiềm năng và tiết kiệm chi phí từ mô hình hiệu suất tòa nhà. Chủ nhà đã đồng ý với đề xuất này, một phần dựa trên hiệu suất năng lượng, cho phép tiến hành chiến lược thông gió tự nhiên.

Mặt bằng mở của văn phòng DPR có trần thả không liên tục cho phép luồng không khí

và những chiếc quạt lớn để cung cấp các điều kiện thoải mái.

Source: Courtesy of Callison and KEMA.

Sơ đồ mặt bằng sàn sau khi tích hợp các chiến lược luồng khí.

Source: Courtesy of Callison and KEMA.

Một không gian trung tâm đòi hỏi sự riêng tư đã Chủ tòa nhà đã quan tâm đến bất kỳ thay đổi có thể

được uốn cong để lưu thông luồng không khí đi qua nhìn thấy đối với mặt tiền. Các cửa sổ có thể vận

văn phòng, và tạo nên một biểu tượng của mục đích hành được thêm vào như một phần của bản tu sửa

thiết kế. chính này đã được chọn để có tầm nhìn tối thiểu từ

bên ngoài khi đóng cửa.

Source: Courtesy of Callison and KEMA.

Thoải mái

Vì DPR sẽ phải trả chi phí cho bất kỳ cửa sổ có thể thao tác nào được thêm vào để thông gió tự nhiên, nên số lượng cửa sổ có thể thao tác cần được giảm thiểu. Để duy trì các điều kiện tiện nghi PMV ASHRAE 55, với nhiệt độ từ 68 °F đến 75 °F, mô hình năng lượng dự đoán rằng 20% ​​mặt đứng sẽ cần phải hoạt động. Giảm số lượng cửa sổ yêu cầu thảo luận về các thông số tiện nghi bên trong mà DPR ưa thích. Nó cũng dẫn đến việc loại bỏ các màn hình cửa sổ, cản trở luồng không khí.

Cuộc thảo luận về sự thoải mái đã được thông báo một phần bởi DPR’s successful Net Zero offices tại San Diego, được thiết kế bởi cùng một nhóm dự án. Ở đó, không gian được thiết kế cho mức nhiệt độ tối đa 81 °F. DPR, tuy nhiên, cho phép nhiệt độ tối đa tăng chậm trong năm đầu tiên sử dụng. Vì không có khiếu nại, họ nhận ra rằng nhiệt độ lên tới 83 °F là thoải mái. Trên thực tế, nhiệt độ lên tới 86 °F đã được ghi lại mà không có khiếu nại.

Trải nghiệm này, cùng với nghiên cứu bổ sung, cho phép khách hàng mở rộng phạm vi thoải mái thiết kế cho các văn phòng Newport Beach lên tới 83 °F. Điều này đã giảm ngưỡng cửa sổ có thể hoạt động cần thiết xuống còn 10%, tiết kiệm tiền và khiến chủ nhà cảm thấy thoải mái hơn với các sửa đổi.

Lời kết

Thành công tạo ra một thiết kế tiêu thụ năng lượng thấp trong lớp vỏ hiện có mà không sửa đổi đáng kể bên ngoài hoặc hệ thống cơ học đòi hỏi một đội ngũ tuyệt vời và liên tục xác nhận thiết kế được đề xuất với mô phỏng. Do DPR vận hành các văn phòng Net Zero khác được thiết kế bởi cùng một nhóm dự án, kiến thức đầu tiên về các nguyên tắc bền vững cũng có ảnh hưởng.

Mô phỏng chu kỳ nhiệt độ bên trong được hiển thị trong vài ngày. Thời gian làm mát cao điểm được hiển thị ở đây với nhiệt độ bên trong đạt đến giữa thập niên 80 oF trong vài giờ vào những ngày cao điểm trong tháng Bảy. Biểu đồ thấp hơn cho thấy PMV dựa trên các điều kiện bên trong.

Source: Courtesy of Callison and KEMA.