魏 萊，黨 睿，劉 剛，原 野，黃文龍

(1. 天津大學(xué) a.建筑學(xué)院, b.天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072； 2.中國(guó)中建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100037)

購(gòu)物中心是現(xiàn)代城市的重要組成部分，集成了零售、社交和社區(qū)活動(dòng)等多種功能屬性。近年來(lái)，中國(guó)的購(gòu)物中心增長(zhǎng)迅猛，建筑面積從2001～2016年增加了20億m2[1]。另外，購(gòu)物中心具有空間規(guī)模大、耗電設(shè)備多、營(yíng)業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、人員密度大的特點(diǎn)，其全年總耗電量是普通公共建筑的4～8倍[2]。因此，降低購(gòu)物中心的能耗需求至關(guān)重要。

其中，被動(dòng)設(shè)計(jì)被認(rèn)為是降低建筑能耗最有效的方法之一[3-6]，在方案階段便考慮被動(dòng)設(shè)計(jì)，能最大程度發(fā)揮被動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)建筑的節(jié)能潛力。目前方案階段采用被動(dòng)設(shè)計(jì)在住宅、辦公等規(guī)模較小、功能簡(jiǎn)單的建筑中被廣泛應(yīng)用，且節(jié)能效果顯著[7-11]。然而，被動(dòng)設(shè)計(jì)在規(guī)模巨大、功能復(fù)雜的購(gòu)物中心中研究尚少[12-14]。Carrilho等[12]模擬研究了商場(chǎng)自然通風(fēng)的節(jié)能潛力，結(jié)果表明，良好的自然通風(fēng)在溫和地區(qū)比普通封閉式的商場(chǎng)能減少30%以上的暖通空調(diào)能耗。Wang等[13]分析了商場(chǎng)中庭遮陽(yáng)在中國(guó)夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能潛力，結(jié)果表明，良好的天窗遮陽(yáng)可減少商業(yè)建筑近6.8%的制冷負(fù)荷。同樣的，Kovac等[14]模擬了遮陽(yáng)裝置在某購(gòu)物中心的節(jié)能潛力，并發(fā)現(xiàn)采用合適的遮陽(yáng)設(shè)備可降低該購(gòu)物中心高達(dá)17%～19%的用能需求。然而，購(gòu)物中心被動(dòng)式研究以既有建筑的改造為主，研究對(duì)象多為個(gè)例，不具有普適性，結(jié)果對(duì)大規(guī)模新建購(gòu)物中心的參考價(jià)值有限。其中，將典型或標(biāo)準(zhǔn)的建筑模型應(yīng)用于能耗模擬，是目前研究中一種可靠、有效的方法[15]。綜上，有必要對(duì)購(gòu)物中心在方案設(shè)計(jì)階段展開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)化建模及模擬。

因此，研究旨在基于標(biāo)準(zhǔn)的模擬方法研究寒冷地區(qū)購(gòu)物中心在方案階段的被動(dòng)設(shè)計(jì)節(jié)能潛力。所得的量化節(jié)能潛力結(jié)果涵蓋多種常見(jiàn)購(gòu)物中心類型，結(jié)果具有有效性、準(zhǔn)確性及普適性，可為建筑師在方案階段的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)模擬方法

研究提出一種適用于方案階段購(gòu)物中心被動(dòng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)模擬方法。該方法包括以下4個(gè)方面：總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)幾何模型、確定標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)、選擇標(biāo)準(zhǔn)模擬軟件和匯總標(biāo)準(zhǔn)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)幾何模型

標(biāo)準(zhǔn)幾何模型是根據(jù)寒冷地區(qū)近10年新建的40座購(gòu)物中心圖紙，對(duì)其規(guī)模、形狀、比例、功能及材料等特性的統(tǒng)計(jì)并總結(jié)得到的。圖1展示了寒冷地區(qū)購(gòu)物中心規(guī)模和平面形狀的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖1可知，購(gòu)物中心面積以10～15萬(wàn)m2居多，占比為55%；平面形狀以矩形居多，占比為70%。另外，從圖紙中發(fā)現(xiàn)，受場(chǎng)地形狀限制，矩形平面長(zhǎng)寬比通常在1∶ 1～3∶ 1之間不等，且不同長(zhǎng)寬比購(gòu)物中心的內(nèi)部公共空間及流線組織也不同。因此，為確保標(biāo)準(zhǔn)幾何模型的準(zhǔn)確性及普適性，文章建立了長(zhǎng)寬比分別為1∶ 1(1∶ 1模型)、2∶ 1(2∶ 1模型)、3∶ 1(3∶ 1模型)且總建筑面積在12.7～13.3萬(wàn)m2的3種空間類型的標(biāo)準(zhǔn)幾何模型。表1展示了3種標(biāo)準(zhǔn)模型的基本幾何信息。其中，3種標(biāo)準(zhǔn)模型在層數(shù)、層高、柱距、功能分布和窗墻比(WWR, window to wall ratio)均保持一致。同時(shí)，對(duì)40份圖紙中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)在傳熱系數(shù)、太陽(yáng)得熱系數(shù)(SHGC, solar heat gain coefficient )和氣密性3個(gè)指標(biāo)的典型參數(shù)值。表2列出了標(biāo)準(zhǔn)模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工設(shè)定參數(shù)。

圖1 購(gòu)物中心規(guī)模和平面形狀的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 Scale and shape statistics of shopping centers

表1 3種標(biāo)準(zhǔn)模型基本幾何信息

表2 標(biāo)準(zhǔn)模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工指標(biāo)

1.2 標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)

為充分反映現(xiàn)階段建筑運(yùn)行的實(shí)際情況，標(biāo)準(zhǔn)模型的運(yùn)行參數(shù)是根據(jù)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)及建筑暖通設(shè)計(jì)圖紙確定的。表3列出了部分標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，其中包括氣象參數(shù)、供暖制冷溫度、新風(fēng)量、照明和設(shè)備功率和人員密度。文中重點(diǎn)探討被動(dòng)設(shè)計(jì)在方案階段降低建筑自身負(fù)荷需求的潛力，因此選用理想空調(diào)系統(tǒng)(ideal loads air system)作為暖通空調(diào)系統(tǒng)，其在計(jì)算用能強(qiáng)度時(shí)加熱制冷的性能系數(shù)(COP, coefficient of performance)為1.0, 即模擬結(jié)果不受空調(diào)系統(tǒng)等主動(dòng)設(shè)備的影響[5, 16]。因此，文中的用能強(qiáng)度模擬值均反映了建筑單位面積供暖/制冷/全年的累計(jì)負(fù)荷。

表3 標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)

1.3 標(biāo)準(zhǔn)模擬軟件

以Grasshopper作為參數(shù)化建模軟件，它是一個(gè)在Rhino環(huán)境下運(yùn)行的通過(guò)算法生成模型的插件。圖2是3種購(gòu)物中心標(biāo)準(zhǔn)模型在Rhino中的幾何形態(tài)。以EnergyPlus作為能耗模擬軟件，它由美國(guó)能源部以及勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室共同開(kāi)發(fā)，目前在能耗模擬研究中被廣泛使用。在此，文章選取Ladybug和Honeybee，一種連接Grasshopper與EnergyPlus進(jìn)行能耗模擬的接口插件，實(shí)現(xiàn)3種標(biāo)準(zhǔn)模型在參數(shù)化平臺(tái)下的能耗模擬。

圖2 參數(shù)化建模Fig.2 Parametric modeling

1.4 標(biāo)準(zhǔn)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量

文章總結(jié)了方案階段影響購(gòu)物中心節(jié)能潛力的24個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量。表4描述了24個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量的基本情況，其中包括了場(chǎng)地環(huán)境的3個(gè)參量，建筑單體的4個(gè)參量以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的17個(gè)參量。

表4 被動(dòng)設(shè)計(jì)參量

場(chǎng)地環(huán)境參量是指周邊的城市建設(shè)情況以及場(chǎng)地內(nèi)與其他功能建筑(室外步行街、高層建筑)的組合情況。建筑單體參量是指朝向及內(nèi)部過(guò)渡空間。其中，內(nèi)部過(guò)渡空間包括了入口空間、櫥窗空間及走廊空間。入口空間主要位于建筑地面層，而人流進(jìn)出造成門的頻繁開(kāi)啟會(huì)導(dǎo)致室外風(fēng)的灌入，因而影響建筑能耗；櫥窗和走廊空間是指位于建筑最外層無(wú)需進(jìn)行供暖及制冷的封閉空間，這2種空間可以有效減緩室外環(huán)境對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)參量，包括界面形式(窗墻比、窗頂比)、材料特性(傳熱系數(shù)、太陽(yáng)得熱系數(shù)及氣密性等)以及構(gòu)件特征(遮陽(yáng)構(gòu)件、表皮構(gòu)件)3個(gè)層面。

②在距離標(biāo)準(zhǔn)模型的南/北/東/西側(cè)20 m遠(yuǎn)且高度為20 m的室外步行街;

③標(biāo)準(zhǔn)模型與一棟長(zhǎng)寬高分別為50 m、50 m、100 m的高層建筑之間的組合模式;

④標(biāo)準(zhǔn)模型以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的角度;

⑤購(gòu)物中心實(shí)際運(yùn)行中入口風(fēng)速的均值及變化區(qū)間分別作為入口風(fēng)速的基準(zhǔn)值以及變化范圍。其中，入口的開(kāi)口尺寸固定，均為10.8 m2(2(主要入口數(shù)量)*1.8 m(雙扇門寬)*3.0 m(門高));

⑥1層面向室外的櫥窗空間;

⑦位于2～4層緊貼建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輔助空間;

* 參考標(biāo)準(zhǔn)GB 50189—2015[17]。

2 標(biāo)準(zhǔn)模擬結(jié)果分析

文章首先針對(duì)3種標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行模擬，得到了模型在不改變?nèi)魏卧O(shè)計(jì)參量下用能強(qiáng)度的基準(zhǔn)值，該基準(zhǔn)值是評(píng)估不同被動(dòng)設(shè)計(jì)參量節(jié)能潛力大小的基準(zhǔn)參考。表5是3種標(biāo)準(zhǔn)模型分別在供暖、制冷和全年情況下用能強(qiáng)度的模擬結(jié)果。其中，3種標(biāo)準(zhǔn)模型單位面積的供暖需求在62.25～71.17 kWh/m2之間，制冷需求在106.43～113.99 kWh/m2之間，其整體用能強(qiáng)度在168.68 ～185.16 kWh/m2之間?？梢钥闯?，2∶ 1模型的整體用能強(qiáng)度在3種模型中最低，說(shuō)明了該形態(tài)及內(nèi)部空間組合下的購(gòu)物中心在寒冷地區(qū)具有更優(yōu)的建筑性能。另外，3種模型的制冷基準(zhǔn)值均高于供暖基準(zhǔn)值，這是因?yàn)橘?gòu)物中心的人員密度大、內(nèi)熱源較多，從而導(dǎo)致建筑自身具有較大的產(chǎn)熱能力。

表5 3種標(biāo)準(zhǔn)模型基準(zhǔn)值

3 被動(dòng)設(shè)計(jì)節(jié)能潛力

本節(jié)得到了24個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量在3種模型中用能強(qiáng)度的模擬結(jié)果，并與3種模型的基準(zhǔn)值(表5)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出各個(gè)被動(dòng)參量分別在供暖、制冷及綜合情況下的節(jié)能潛力。

3.1 供暖節(jié)能潛力分析

圖3是24個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量分別在3種模型中供暖用能強(qiáng)度的最大最小變化率。結(jié)果表明，對(duì)于1∶ 1模型(圖3 (a))，供暖用能強(qiáng)度影響最大的前5個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量依次為：入口風(fēng)速、天窗屋頂比、屋頂傳熱系數(shù)、櫥窗空間、走廊空間，其變化范圍絕對(duì)值分別為49.49%、2.99%、1.99%、1.61%、1.54%；對(duì)于2∶ 1模型(圖3 (b))，供暖用能強(qiáng)度影響最大的前5個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量依次為：入口風(fēng)速、天窗屋頂比、屋頂傳熱系數(shù)、區(qū)位、走廊空間，其變化范圍絕對(duì)值分別為52.42%、3.06%、2.25%、2.19%、2.08%；對(duì)于3∶ 1模型(圖3 (c))，供暖用能強(qiáng)度影響最大的前5個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量依次為：入口風(fēng)速、天窗屋頂比、區(qū)位、雙表皮幕墻、屋頂傳熱系數(shù)，其變化范圍絕對(duì)值分別為52.66%、2.80%、2.09%、1.99%、1.95%。綜上可知，入口風(fēng)速、天窗屋頂比、屋頂傳熱系數(shù)在3種模型中的排名均位于前5，說(shuō)明以上3個(gè)參量對(duì)寒冷地區(qū)購(gòu)物中心供暖用能強(qiáng)度具有顯著影響。

圖3 被動(dòng)設(shè)計(jì)參量在供暖用能強(qiáng)度中的最大最小變化率Fig.3 The maximum and minimum percent change of passive design parameters in heating energy intensity

為進(jìn)一步探索3種比例模型節(jié)能潛力的異同，圖4對(duì)3種模型24個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量的供暖節(jié)能潛力進(jìn)行排序，其中，橫坐標(biāo)以2∶ 1模型供暖節(jié)能潛力從大到小依次排列。結(jié)果表明，部分被動(dòng)設(shè)計(jì)參量在3種比例模型中的供暖節(jié)能潛力排序有差異。具體來(lái)說(shuō)，走廊空間的供暖節(jié)能潛力在3∶ 1模型中的排序明顯比其他2種比例模型靠后；街區(qū)組合對(duì)1∶ 1模型的供暖節(jié)能潛力影響更小；雙表皮幕墻、南側(cè)窗墻比在3∶ 1模型中有著更高的供暖節(jié)能潛力；東側(cè)窗墻比和櫥窗空間則在1∶ 1模型中有著更高的供暖節(jié)能潛力。

圖4 供暖節(jié)能潛力排序Fig.4 Sorting of energy saving potential for heating

3.2 制冷節(jié)能潛力分析

圖5是24個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量在3種模型中制冷用能強(qiáng)度的最大最小變化率。結(jié)果表明，對(duì)于1∶ 1模型(圖5 (a))，制冷用能強(qiáng)度影響最大的前5個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量依次為：入口風(fēng)速、天窗屋頂比、雙表皮幕墻、雙表皮季節(jié)控制、走廊空間，其變化范圍絕對(duì)值分別為11.35%、3.41%、2.12%、2.06%、1.97%；對(duì)于2∶ 1模型(圖5 (b))，制冷用能強(qiáng)度影響最大的前5個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量依次為：入口風(fēng)速、天窗屋頂比、走廊空間、區(qū)位、西側(cè)窗墻比，其變化范圍絕對(duì)值分別為8.13%、4.68%、2.81%、2.16%、2.16%；對(duì)于3∶ 1模型(圖5 (c))，制冷用能強(qiáng)度影響最大的前5個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量依次為：入口風(fēng)速、天窗屋頂比、雙表皮幕墻、雙表皮季節(jié)控制、走廊空間，其變化范圍絕對(duì)值分別為11.35%、3.41%、2.12%、2.06%、1.97%。綜上可知，入口風(fēng)速、天窗屋頂比、走廊空間在3種模型中的排名均位于前5，說(shuō)明以上3個(gè)參量對(duì)寒冷地區(qū)購(gòu)物中心制冷用能強(qiáng)度具有顯著影響。

圖5 被動(dòng)設(shè)計(jì)參量在制冷用能強(qiáng)度中的最大最小變化率Fig.5 The maximum and minimum percent change of passive design parameters in cooling energy intensity

圖6對(duì)3種模型24個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量的制冷節(jié)能潛力進(jìn)行排序，其中，橫坐標(biāo)同樣是以2∶ 1模型制冷節(jié)能潛力從大到小依次排列的。結(jié)果表明，部分參量的制冷節(jié)能潛力排序在3種模型中也存在差異。具體講，西側(cè)窗墻比的制冷節(jié)能潛力在3∶ 1模型中的排序明顯比其他2種比例模型靠后；雙表皮幕墻、雙表皮季節(jié)控制在3∶ 1模型中有著更高的制冷節(jié)能潛力；櫥窗空間則在1∶ 1模型中有著更高的制冷節(jié)能潛力。

圖6 制冷節(jié)能潛力排序Fig.6 Sorting of energy saving potential for cooling

3.3 節(jié)能潛力綜合評(píng)價(jià)

為獲得每個(gè)被動(dòng)設(shè)計(jì)參量對(duì)用能強(qiáng)度的綜合影響，表 6匯總了24個(gè)參量在3種模型中用能強(qiáng)度的綜合影響力。排序結(jié)果表明，入口風(fēng)速、走廊空間、天窗面積比、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)4個(gè)參量在3種模型中用能強(qiáng)度的節(jié)能潛力均位于前5。其中，入口風(fēng)速的影響最大，變化范圍絕對(duì)值為60.55%～64.01%；天窗面積比為6.21%～7.74%；走廊空間和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化范圍絕對(duì)值為2%～5%。因此，這4個(gè)參量是影響寒冷地區(qū)購(gòu)物中心節(jié)能潛力的重要因素。另外，部分被動(dòng)設(shè)計(jì)參量在3種比例模型中的節(jié)能潛力存在差異。從排序結(jié)果可知，東側(cè)窗墻比和西側(cè)窗墻比在1∶ 1和2∶ 1模型中的影響力更大；朝向和雙層表皮控制在3∶ 1模型中的影響力更大。

表6 用能強(qiáng)度的節(jié)能潛力及其排序

4 結(jié) 論

文中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的模擬方法，全面分析了中國(guó)寒冷地區(qū)購(gòu)物中心在方案階段被動(dòng)設(shè)計(jì)的節(jié)能潛力。得到不同被動(dòng)設(shè)計(jì)參量在供暖、制冷及整體的節(jié)能變化量及節(jié)能潛力較大的被動(dòng)設(shè)計(jì)參量。具體結(jié)論如下：

1)從3種標(biāo)準(zhǔn)模型的模擬結(jié)果可知，3種標(biāo)準(zhǔn)模型單位面積的供暖需求為62.25～71.17 kWh/m2，制冷需求為106.43～113.99 kWh/m2。寒冷地區(qū)購(gòu)物中心因內(nèi)熱源較多，其制冷需求普遍高于對(duì)供暖的需求。

2)從供暖和制冷的節(jié)能潛力來(lái)看，入口風(fēng)速、天窗屋頂比、屋頂傳熱系數(shù)對(duì)3種模型的供暖節(jié)能潛力影響較大，影響力分別可高達(dá)52.66%、3.06%、2.25%；入口風(fēng)速、天窗屋頂比、走廊空間對(duì)3種模型的制冷節(jié)能潛力影響較大，影響力分別可高達(dá)11.35%、4.68%、2.81%。

3)從節(jié)能潛力的綜合評(píng)價(jià)可知，入口風(fēng)速、走廊空間、天窗面積比和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)3種模型均具有顯著的影響力，影響力分別可高達(dá)64.01%、4.90%、7.74%、2.68%。因此，從降低入口風(fēng)速、采用貫通的走廊形式、在滿足采光的同時(shí)減少天窗面積、增強(qiáng)屋面的保溫性能4個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)寒冷地區(qū)購(gòu)物中心建筑性能會(huì)具有顯著提升。

4)個(gè)別參量在3種模型中的節(jié)能潛力也存在差異。其中，東側(cè)、西側(cè)窗墻比對(duì)1∶ 1和2∶ 1模型的影響力更大，朝向和雙層表皮控制對(duì)3∶ 1模型的影響力更大。因此，對(duì)不同空間形式的購(gòu)物中心在選擇重要被動(dòng)設(shè)計(jì)參量上需要分別對(duì)待。

文章以寒冷地區(qū)購(gòu)物中心為例，提出一種適用于大型公共建筑在方案階段的標(biāo)準(zhǔn)化模擬方法，對(duì)其他氣候區(qū)及建筑類型的標(biāo)準(zhǔn)化模擬具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的模擬結(jié)果全面反映了寒冷地區(qū)購(gòu)物中心在被動(dòng)節(jié)能方面的綠色性能，是對(duì)現(xiàn)階段寒冷地區(qū)大型公共建筑綠色性能數(shù)據(jù)庫(kù)的有效補(bǔ)充。另外，被動(dòng)設(shè)計(jì)參量在不同條件下的重要性排序，有利于設(shè)計(jì)師在方案設(shè)計(jì)階段把握節(jié)能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，從而開(kāi)展合理的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。