■ 謝伊萌 XIE Yimeng 鞏玉發(fā) GONG Yufa 肖木峰 XIAO Mufeng

0 引言

城市化的快速發(fā)展導(dǎo)致能源過度消耗、氣候環(huán)境逐漸惡化、資源日趨匱乏。2020 年，我國(guó)建筑總能耗幾乎占據(jù)了全國(guó)能源消費(fèi)總量的35%[1]，且整體趨勢(shì)持續(xù)上漲；而在溫室氣體排放總量中，建筑用于制冷和采暖的碳排放量占據(jù)了一半[2]。相關(guān)報(bào)告顯示，“2000—2017 年，全國(guó)建筑能源消費(fèi)總量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，從2000 年的2.88 億tce，增長(zhǎng)到2017年的9.47 億tce，增長(zhǎng)了約3.2 倍，年均增長(zhǎng)7.25%”[3]。建筑能耗的持續(xù)增長(zhǎng)將嚴(yán)重制約我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，亟需貫徹綠色發(fā)展理念，健全相關(guān)體系，以加快建筑的綠色可持續(xù)發(fā)展建設(shè)。

1 居住建筑能耗及其節(jié)能分區(qū)現(xiàn)狀

建筑運(yùn)行階段能耗主要由公共建筑能耗、城鎮(zhèn)居住建筑能耗、農(nóng)村居住建筑能耗構(gòu)成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年全國(guó)建筑存量面積為674 億m2，建筑運(yùn)行階段能耗為10 億tce，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的21.7%。其中，公共建筑面積129 億m2，建筑能耗3.83 億tce，占建筑運(yùn)行階段能耗的38.3%；城鎮(zhèn)居住建筑面積約307 億m2，建 筑 能 耗3.8 億tce，占建筑運(yùn)行階段能耗的38%；農(nóng)村居住建筑面積238 億m2，建筑能耗2.37 億tce，占建筑運(yùn)行階段能耗的23.7%[4]?？梢娋幼☆惤ㄖ芎恼冀ㄖ偰芎牡谋戎剌^大。

城市的規(guī)劃與建筑的設(shè)計(jì)都需考慮當(dāng)?shù)貧夂驙顩r影響，在國(guó)內(nèi)建筑標(biāo)準(zhǔn)體系下，常以《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50178—1993）和《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—1993）兩本規(guī)范作為參考。前者按照溫度、濕度及降水指標(biāo)劃分一級(jí)氣候區(qū)，再根據(jù)地表及風(fēng)速特征劃分二級(jí)氣候區(qū)[5]；后者則從熱工角度進(jìn)行劃分。雖然兩者是從不同角度對(duì)氣候區(qū)劃進(jìn)行劃分，但整體來看，主要分區(qū)指標(biāo)是一致的。在2013 年，中國(guó)建筑科學(xué)院借鑒美國(guó)ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)，以《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—1993）為基礎(chǔ)，加入氣候、行政區(qū)劃分等因素進(jìn)行細(xì)化和調(diào)整。這樣的細(xì)化和調(diào)整為不同氣候區(qū)域的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供了更加具有針對(duì)性的指導(dǎo)[6]。因此，從建筑熱工設(shè)計(jì)來看，相對(duì)于其他地區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)在建筑設(shè)計(jì)要求上也會(huì)比較嚴(yán)格和復(fù)雜。

2 居住建筑中的共享空間

“共享空間”一詞源于“中庭”。被譽(yù)為“中庭之父”的美國(guó)建筑師約翰·波特曼（John Portman）開創(chuàng)了垂直中庭設(shè)計(jì)的先河，使之成為一種流行的空間設(shè)計(jì)趨勢(shì)，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、酒店和辦公等大型公共建筑中。隨著公共建筑功能的復(fù)合化發(fā)展，中庭空間類型也越來越多樣化，僅以“中庭”一詞稱之具有局限性，于是提出“共享空間”（sharing space），用以全面形容此類空間。

共享空間是公眾共同使用的空間，通常指具有兩層及以上通高的室內(nèi)公共空間。從功能角度，共享空間是人員流通及娛樂休憩的場(chǎng)所，具有可識(shí)別性、信息性、領(lǐng)域性等3 種特征，兼具交通和交往等功能；從精神角度，共享空間是人類身在建筑內(nèi)部空間與自然環(huán)境溝通的橋梁[7]。因此，共享空間設(shè)計(jì)既是基于人性化、靈活化的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也是將“外部環(huán)境、建筑主體、人”三者聯(lián)系起來的媒介。其兼具物質(zhì)和精神兩個(gè)層面的作用，可解決城市現(xiàn)有居住模式中缺乏鄰里互動(dòng)的問題，引發(fā)了共享空間應(yīng)用于居住建筑的思考。由于共享空間常使用通透材質(zhì)，熱阻較小，容易受外界氣候的影響而產(chǎn)生大量能耗，因此在居住建筑共享空間的設(shè)計(jì)中，不可盲目跟風(fēng)，應(yīng)努力挖掘其潛在的特性，探索合適的設(shè)計(jì)方案。

3 嚴(yán)寒地區(qū)建筑共享空間的能耗特征

自然通風(fēng)依靠室外風(fēng)力造成的風(fēng)壓和室內(nèi)外空氣溫差造成的熱壓，促使空氣流動(dòng)，完成建筑室內(nèi)外空氣交換[8]，是一種常用的建筑節(jié)能方法。然而，嚴(yán)寒地區(qū)因其冬季漫長(zhǎng)而嚴(yán)寒、夏季短暫而溫暖的氣候特點(diǎn)，真正適合自然通風(fēng)的時(shí)期較短，且自然通風(fēng)中風(fēng)壓作用受風(fēng)速、風(fēng)向等外部因素影響，實(shí)際上人為很難控制。因此在現(xiàn)階段，對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)共享空間的設(shè)計(jì)，一般不會(huì)考慮風(fēng)壓作用因素[9]，而主要考慮形成熱壓通風(fēng)的情況；導(dǎo)致在建筑設(shè)計(jì)中無法較好并廣泛地利用自然通風(fēng)，致使現(xiàn)實(shí)中共享空間的通風(fēng)系統(tǒng)能耗占比偏高[10]。

4 低能耗理念下共享空間布局分析

4.1 共享空間布局對(duì)建筑能耗的影響

共享空間在不同地區(qū)、不同季節(jié)會(huì)呈現(xiàn)不同的適應(yīng)需求，特別是嚴(yán)寒地區(qū)，差異尤為明顯。一般在夏季，共享空間需要有足夠的遮陽(yáng)和通風(fēng)，以避免過熱；而在冬季，需要加強(qiáng)采光和保暖措施。因此，共享空間的布局會(huì)對(duì)光、熱、風(fēng)等環(huán)境因素產(chǎn)生影響。為提高建筑能效，設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮各個(gè)因素，對(duì)共享空間進(jìn)行合理布局。

（1）嚴(yán)寒地區(qū)冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)，往往建筑采暖能耗較高[11]。如果從建筑設(shè)計(jì)初期開始考慮熱環(huán)境因素問題，應(yīng)該能夠降低很多能耗。

（2）對(duì)于進(jìn)深較大的建筑，可以利用其內(nèi)部共享空間來獲得更多的自然采光：通過共享空間將自然光線引入到建筑的內(nèi)部，再結(jié)合一些細(xì)部設(shè)計(jì)和室內(nèi)設(shè)計(jì)，合理利用光線，使自然采光達(dá)到最佳效果，減少照明能耗。

（3）共享空間對(duì)風(fēng)環(huán)境也會(huì)造成影響。其作為建筑內(nèi)外環(huán)境之間的媒介，會(huì)形成一定條件下的熱壓通風(fēng)，從而產(chǎn)生正向效應(yīng)。但不同的布局方式會(huì)影響共享空間的通風(fēng)能力，當(dāng)共享空間的高寬比較大，且與外界主導(dǎo)風(fēng)向形成了適宜的風(fēng)壓通風(fēng)時(shí)，風(fēng)壓通風(fēng)就會(huì)與熱壓通風(fēng)結(jié)合，形成一種更加有效的通風(fēng)模式。

4.2 共享空間基本類型

共享空間主要分為嵌入式、貫通式、核心式、并置式、外包式等5 種基本類型（圖1），其中：貫通式常應(yīng)用于商業(yè)屬性較強(qiáng)的建筑；并置式和外包式更適用于和周邊環(huán)境互動(dòng)、交互頻率較高的大型建筑；嵌入式與核心式則應(yīng)用廣泛，常見的建筑類型中基本都有采用。

圖1 共享空間的基本布局類型

4.3 整體布局下5 種基本類型共享空間能耗模擬

過去由于技術(shù)匱乏，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)主要依靠建筑師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在計(jì)算上存在局限性。隨著BIM 技術(shù)廣泛應(yīng)用與發(fā)展，應(yīng)用Ecotect Analysis（生態(tài)建筑大師）軟件進(jìn)行模擬分析，可彌補(bǔ)其不足。

4.3.1 模型構(gòu)建

構(gòu)建建筑標(biāo)準(zhǔn)模型，其標(biāo)準(zhǔn)層基底面積為2 500 m2（50 m×50 m）。在其中構(gòu)建共享空間理想模型，要求符合當(dāng)下前景并具有廣泛使用性，面積占比適中，且不同類型的共享空間具有相同的底面積、垂直高度和材料。根據(jù)相關(guān)資料，一般單層的共享空間面積占同一樓層平面面積的15%左右?？紤]到資料和數(shù)據(jù)上的取整方便，設(shè)置共享空間面積為20 m×20 m，占模型標(biāo)準(zhǔn)層平面面積的16%。作為理想模型模擬，旨在研究空間布局設(shè)計(jì)上的能耗影響，故對(duì)材料簡(jiǎn)單分為玻璃材質(zhì)和混凝土材質(zhì)，不考慮構(gòu)件和細(xì)部及額外自然采光；另外，核心式共享空間的開窗設(shè)置在頂部，且采用百分百的開窗形式。

4.3.2 模擬分析

運(yùn)用Ecotect Analysis 軟件，輸入嚴(yán)寒地區(qū)天氣數(shù)據(jù)信息，并設(shè)置建筑人員的工作狀態(tài)、活動(dòng)時(shí)期等條件，分析不同類型共享空間對(duì)建筑的影響。

由圖2 可以看出：對(duì)于共享空間基本類型，能耗最高的是貫通式，而嵌入式、核心式、并置式、外包式的能耗相差不大。但這是基于共享空間不增設(shè)其他自然采光，以天窗形式取得采光照明而得出的能耗結(jié)果，在建筑設(shè)計(jì)中并不廣泛，只能為創(chuàng)新和處理獨(dú)特的空間提供一定參考。為了獲得更具有普適性的結(jié)果，對(duì)上述共享空間基本進(jìn)行改進(jìn)，增加側(cè)面采光。此方案下，嚴(yán)寒地區(qū)的共享空間布局能耗情況由高到低依次為：外包式、并置式、貫通式、嵌入式、核心式（圖3）。

圖2 5 種基本類型共享空間能耗情況

圖3 增加側(cè)面采光的5 種共享空間基本類型能耗情況

4.4 室內(nèi)布局對(duì)共享空間的能耗影響

4.4.1 理想化模型構(gòu)建

不同的室內(nèi)布局會(huì)對(duì)空間室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)3 種不同的室內(nèi)布局模式，分別為開放式、半開放式、封閉式，進(jìn)行能耗模擬。結(jié)合共享空間的5 種基本類型，共構(gòu)建15 個(gè)理想化模型。其中：封閉式室內(nèi)布局模式中，四周全部采用玻璃界面進(jìn)行分隔；半開放式室內(nèi)布局模式中，設(shè)有2.8 m 寬的走廊，且與共享空間銜接面的一側(cè)設(shè)置1.5 m 高的欄板；開放式室內(nèi)布局中，亦設(shè)有1.5 m 高欄板，且不采用任何隔斷，其自然采光界面完全由共享空間界面提供。

4.4.2 模擬分析

將模型導(dǎo)入Ecotect Analysis 軟件并輸入嚴(yán)寒地區(qū)氣候數(shù)據(jù)，可得到如圖4 所示能耗模擬結(jié)果。分析可知：開放式室內(nèi)布局的總能耗最低。這是因?yàn)殚_放式室內(nèi)界面沒有實(shí)體隔斷，獲取自然采光相對(duì)容易，故其照明能耗低于其他兩種模式，相應(yīng)減少能耗。但是在開放式類型室內(nèi)界面，共享空間與周圍環(huán)境之間能量的交換較強(qiáng)且比較均勻，可考慮使用落地欄板等構(gòu)件來防止冷氣從上至下流動(dòng)，以進(jìn)一步減少能耗。

表1 理想化模型

圖4 不同室內(nèi)布局方式能耗情況

5 案例應(yīng)用

上述模擬結(jié)果只是基于一種理想化模型，需進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。選取嚴(yán)寒地區(qū)某公寓樓為對(duì)象，進(jìn)行不同布局模式的模擬。該公寓樓為框架結(jié)構(gòu)，共享空間為半開放并置式布局，有側(cè)面采光。其建筑基底面積為993.26 m2，總建筑面積4 739.25 m2；建筑層數(shù)為5 層，高15.8 m。由于公寓樓為居住使用的建筑空間，共享空間受使用功能和建筑形態(tài)限制，不適宜采用貫通式和外包式；而核心式雖常見于大多數(shù)建筑類型，也有應(yīng)用于住宅類建筑，但是考慮到建筑空間的使用率，此處并不適用。綜合考慮下，選擇開放嵌入式布局方案進(jìn)行改造。采用Ecotect Analysis 軟件對(duì)兩種布局模式進(jìn)行模擬分析，構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸為13 m×8.5 m，層數(shù)為5 層，且兩種共享空間的體積、高度不變，即除共享空間布局不同外，其他模擬條件一致（圖5）。

圖5 某公寓樓標(biāo)準(zhǔn)層兩種共享空間布局模型

由圖6 可以看出，共享空間改為開放嵌入式布局后，其建筑能耗明顯少于半開放并置式布局。因此，從低能耗設(shè)計(jì)的理念出發(fā)，公寓樓更適合選擇開放嵌入式共享空間。

圖6 兩種共享空間布局模式能耗比較

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過Ecotect Analysis 軟件構(gòu)建理想化模型，模擬和分析嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑低能耗共享空間的不同布局類型，得出開放式布局總能耗最低的結(jié)論。進(jìn)一步結(jié)合實(shí)例應(yīng)用，在綜合考慮節(jié)能和居住建筑屬性的情況下，開放嵌入式布局更適合于嚴(yán)寒地區(qū)的居住建筑。這與理想化模型的測(cè)算結(jié)果基本一致，說明模型的構(gòu)建模擬是有效的。在實(shí)際項(xiàng)目中，如果出現(xiàn)一定條件約束下不能直接改變建筑布局的情況，也可以其中較特殊的建筑造型為切入點(diǎn)，通過控制建筑材料的種類、側(cè)面的開窗形式等進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。由于本研究主要針對(duì)建筑前期的設(shè)計(jì)，具有一定局限性；未來可以進(jìn)一步圍繞嵌入式類型展開更加深入的研究，為使用者提供更加經(jīng)濟(jì)適用的建筑空間。