《Applied Thermal Engineering》：Percentile-based fa?ade glazing allocation for cost–carbon efficiency in residential retrofits
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建筑节能改造中，基于百分位的幕墙玻璃层级分配框架可依据外立面 HVAC 负荷严重程度动态调整单层、双层或三层中空玻璃配置，通过整合热传导、自然对流和辐射模型计算不同气候（寒温带、地中海、亚热带）下的负荷分布，验证首两次改造可覆盖超50%负荷削减，第三次改造增量效益不足15%，同时降低30%前期成本并减少13-20%运营碳排放。
李东 | 萨曼塔·洛佩兹·萨拉萨尔 | 杨瑞通 | 王子 | 王一然 | 胡婉宇
东北石油大学建筑与土木工程学院，中国大庆市法展路街道163318
摘要
尽管已有文献记录了立面荷载的不对称性，但现有的改造指南并未提供基于立面级暖通空调（HVAC）需求的标准化、可复制的规则来分配玻璃层。本文提出了一种基于百分位的框架，用于根据HVAC荷载的严重程度对立面进行排名、分配玻璃层，并量化从单立面升级到全周边改造范围内的HVAC荷载减少量。四种诊断工具有助于解释这些结果：朝向严重程度指数、四立面替代边界、升级步骤减少指标以及比较双层和三层玻璃效益的边际效率指数。使用玻璃-房间模型计算了年度朝向解析的HVAC荷载；百分位阈值将严重程度排名转换为玻璃层分配。在三种气候条件下（大庆（Dwa）、伊斯坦布尔（Csa）和梅里达（Aw）评估了性能：在大庆和伊斯坦布尔，朝南的立面占据了年度HVAC荷载的大部分；而在梅里达，朝西的立面占据了主要部分。前两次立面升级实现了超过50%的总荷载减少，随后每次升级的减少量均低于15%。相对于双层玻璃，第三层玻璃的成本标准化边际回报在大庆为37-46%，在梅里达为75-83%。与均匀三层玻璃相比，基于朝向的规范将前期资本成本降低了20-30%。在梅里达，与均匀单层玻璃相比，运营二氧化碳排放量减少了13-20%，并且与均匀三层玻璃的水平相差在11-13%以内。在HVAC荷载最高的立面上选择性放置高性能玻璃，实现了接近三层玻璃的热性能，同时大大减少了三层玻璃的面积。该框架保留了立面级别的朝向解析能力，并允许根据具体气候重新校准窗户层阈值，而不仅仅是统一的周边规定。
引言
建筑行业占全球能源消耗和相关二氧化碳排放的很大比例[1]。在极端热条件的气候中——如热浪、寒潮或较大的昼夜温差——空间供暖和制冷通常占建筑能源使用的很大一部分，主要由围护结构的热传递驱动[2]、[3]。因此，围护结构改造策略旨在限制传导损失并减少太阳能吸收[4]。在这种情况下，玻璃往往是限制因素。与不透明组件相比，玻璃具有较低的热阻（较高的U值）并通过其有限的太阳透射率允许太阳辐射进入[5]、[6]。因此，即使在适中的窗墙比下，玻璃也会对住宅热负荷产生显著影响[7]。
为了减少通过窗户组件的传导热传递，改造项目通常用双层或三层玻璃系统替换单层玻璃[8]。然而，实施过程中通常需要验证框架的适配性和结构承载能力，可能涉及加固或部分更换框架，从而增加安装工作和前期成本[9]。这些限制促使采用统一的周边规范以简化采购和合规性。然而，当立面荷载具有强烈的各向异性时，统一规范可能会将高性能玻璃分配给荷载较低的朝向，而忽视了占年度HVAC需求主导的朝向。
此类决策依赖于组件和区域尺度上的综合模型。在组件尺度上，玻璃单元的热传递受玻璃板传导、腔体对流和表面辐射交换的控制，而光学特性则影响太阳能吸收[10]、[11]。在区域或建筑尺度上，能量平衡将立面热通量转换为年度HVAC荷载，而立面解析的输出允许使用标准化的年度荷载指标进行朝向比较[12]。这种多尺度评估支持改造设计，但将立面需求转化为规范需要一个明确的立面级别分配步骤。
朝向为分配步骤提供了物理基础。太阳几何形状和边界条件在周边产生系统性的暴露差异，在给定的气候条件下产生可重复的、依赖于朝向的需求模式[13]、[14]。以往的研究通常将朝向视为分析或报告维度[15]、[16]、[17]、[18]，并量化窗墙比和玻璃属性如何影响年度供暖和制冷需求[19]、[20]。许多研究进一步扩展到经济分析，使用安装成本和年度能源使用或运营支出。同时，较少有研究使用明确的投资标准（如投资回报期或净现值）来规范升级选择[21]、[22]、[23]、[24]。环境评估通常报告运营二氧化碳排放，但立面级别的归因和内在影响报告不够一致[25]、[26]、[27]。模型公式也各不相同，从简化的平衡到基于每小时天气输入或典型年份文件的动态热传递方法都有[28]、[29]、[30]。在这多样化的文献中，朝向通常被保留为报告轴，但将需求严重程度转换为分层玻璃分配的步骤仍然大多是临时的。严重程度的指标、层级的阈值和决策基础在不同研究中各不相同，这限制了统一周边规定与针对特定立面区域的分配之间的直接比较[31]、[32]、[33]。因此，仍然需要一种广泛采用、可审计的映射方法，将立面解析的年度HVAC荷载严重程度转换为分层玻璃规范，并提供一致的生命周期成本和运营二氧化碳排放报告。
本研究通过引入一种基于百分位的方法来解决立面分配问题，该方法将年度HVAC荷载的严重程度按朝向转换为分层玻璃规范。这项工作包括三个关键特点：1. 它建立了精确的百分位映射，将立面荷载严重程度与具体的玻璃分配联系起来；2. 它引入了四种诊断工具，可以详细审查分配逻辑及其在各立面上的权衡；3. 它计算了在不同气候条件下，从单个立面升级到完整周边安装的改造带来的增强效益，同时考虑了生命周期成本和运营二氧化碳排放。该方法通过结合玻璃-房间模型和房间尺度的能量平衡计算，来计算立面级别的供暖、通风和空调需求。它使用年度标准荷载指标评估立面，并按特定百分位水平对玻璃类型进行分类。该框架还评估了改造的增量效果。系统使用朝向严重程度指数、四立面替代边界、升级步骤减少指标和边际效率指数来比较双层和三层窗户配置的效益。性能在以供暖和制冷为主的气候条件下（大庆、伊斯坦布尔和梅里达）进行了评估，并以HVAC荷载、生命周期成本和运营二氧化碳排放的形式报告。
部分摘录
物理和数学建模框架
设计了一个具有四种基本朝向的住宅测试单元，以评估通过玻璃立面的热传递并量化单层（SG）、双层（DG）和三层（TG）玻璃的朝向依赖性热负荷。图1展示了本研究中采用的角部测试单元配置：一个位于角落的独立测试单元，所有四个立面都暴露在室外条件下，每个立面上都有1米高的窗户。该结构具有一个坚固的不透明围护结构，厚度为120毫米
方法论
混合模拟采用了一种耦合算法，将玻璃系统的详细行为与房间的整体热响应相结合。过程从玻璃步骤开始，其中指定了表面温度
结果与讨论
气候条件决定了立面的暴露情况，并影响改造中的玻璃选择。三个城市代表了不同的气候条件，这些条件直接影响热传递、太阳能吸收和湿度控制。大庆（大陆性气候，Dwa）冬季漫长且寒冷，昼夜温差大，需要高热阻和严格的传导及辐射损失控制。伊斯坦布尔（地中海气候，Csa）季节性需求混合，冬季温和，夏季隔热性强，需要平衡
结论
本研究定义了一个可复制的百分位规则，将年度立面级HVAC荷载分布转换为特定朝向的窗户层分配，以成本和运营二氧化碳排放作为决策指标。它将立面需求诊断转化为层规范，而改造实践通常依赖于统一的周边升级。该规则针对大庆、伊斯坦布尔和梅里达中HVAC荷载最高的立面，使用双层和三层窗户，实现了大部分荷载的减少
CRediT作者贡献声明
李东：监督、项目管理、正式分析。萨曼塔·洛佩兹·萨拉萨尔：撰写——原始草稿、软件、方法论、概念化。杨瑞通：撰写——审阅与编辑、概念化。王子：可视化、调查。王一然：调查、概念化。胡婉宇：撰写——审阅与编辑、可视化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
资助：黑龙江省杰出青年学者科学基金 [JQ2024E001] 和 黑龙江省科学技术 [GY2024JD0005]
