基于性能模擬的嚴寒地區體育館低能耗空間布局設計

丁 典

(龍湖集團 蘇南公司，江蘇 無錫 214000)

自2016年《體育產業發展“十三五”規劃》[1]發布后，體育建筑事業迎來發展契機，城市和社區將建設更多的體育館。作為滿足競技比賽、運動訓練和文娛展覽的大型體育館，特別是嚴寒地區的體育館，在冬季將產生高額的采暖能耗，進一步增加運營成本。因此，在體育館的方案設計前期，選取合理的布局方式，被動式降低場館能耗，成為嚴寒地區體育館設計需要考慮的重要問題。

1 性能導向下的體育館設計

在由“建筑群與場地環境—建筑單體的空間組織—空間單元—圍護結構和室內分隔”構成的建筑空間形態的基本層級[2]中，圍護結構限定了空間的外部形態，室內分隔則影響了空間的具體進深與開間，從而以被動式設計手段對氣候要素進行阻隔、過濾、傳導、吸納等。從性能角度看，建筑性能指建筑物對外部荷載或沖擊的響應，主要包括能量效率、熱舒適性、室內空氣質量和采光等指標。性能導向下的建筑設計，應當通過合理的空間布局，在滿足體育館溫度、濕度、照度、新風量等物理品質需求的前提下，盡可能降低主動設備的數量與參數取值，利用自然氣候環境的響應，提高建筑能量效率，達到被動降低能耗的目的。

對于嚴寒地區體育館這類體積大、能耗高的特殊建筑，目前已有一些研究進行了初步定性探討[3-4]，而上升到定量模擬時大多數研究則局限于空間的外部形態，回避了空間的內部布局問題，或是在類型模擬中割裂了自變量的連續變化邏輯。針對此不足可以在方案前期，確定空間尺度，劃分空間類型，設定空間物理環境與時態特征，并借助參數化平臺的運算優勢對“空間布局”這一較難量化卻與設計相關度極高的要素進行大批量、多組合的模擬，力求達到滿意的結果，并可總結規律以指導設計實踐。

按照上述邏輯，為得到體育館能耗與空間布局的具體關系，本文首先基于Grasshopper軟件建立體育館能耗動態化的物理模型，覆蓋自變量的所有組合解；然后基于Ladybug和Honeybee將物理模型轉化為能量模型，并以EnergyPlus為引擎進行能耗模擬；利用Design Explorer軟件分析能耗模擬結果，探尋自變量對于能耗的影響規律，并結合氣候適應性進行解析；最后基于SPSS建立線性回歸方程，得到體育館能耗與空間布局的具體關系。

2 典型模型設計

2.1 空間劃分

比賽廳是體育館的核心，通常由比賽場地區和觀眾看臺區兩部分組成，在空間上具有平面大、縱向高的顯著特征，以滿足競技比賽的場地需求和觀看比賽的視線要求。比賽廳一般利用看臺下方空間，將其由碗形補形為方形；體育館其余空間沿比賽場地區向外擴展，形成比賽廳空間的基座。通常體育館一層為輔助用房，高度為4～5 m，包括運動員區、貴賓區、新聞媒體區、場館運營區、設備器材區等；二層為觀眾看臺和觀眾休息廳，輔助空間屋頂往往可作為觀眾入口平臺使用。因此，依據空間的功能和尺度差異，可將體育館模型劃分為比賽場地、輔助用房、觀眾看臺和觀眾休息廳4個區塊。

2.2 模型建構

為使能耗模擬對建筑布局特征更具針對性與普適性，本研究模型不設置開窗與洞口，避免日照因素對模擬結果的干擾，也不設置具體的場地遮蔽物。考慮到現有寒地體育館的200份統計樣本中，矩形平面加平屋頂的組合占比較大，具有典型研究意義[5]。因此本研究運用Grasshopper軟件，以嚴寒地區的典型城市哈爾濱為模擬地點，以矩形平面加平屋頂的組合為體育館的基礎模型。

在體育館的基礎模型中，參考《公共建筑節能設計標準》[6]、《體育建筑設計規范》[7]等，其靜態參數設定如表1所示，動態參數設定如表2所示。表1靜態參數中，體育館基底面積設為8 100 m2，凈高15 m；比賽廳尺寸取中型體育館主流選型53 m×38 m，規模為4 500座。依據體育館視線要求，計算得出觀眾看臺的平面尺寸約為75 m×60 m。表2動態參數中，選取了3個自變量，其中輔助用房的總寬度V表征了體育館基座在固定面積下的變化，比賽廳南北向偏移度、東西向偏移度表征了比賽廳在體育館整體空間中的具體方位。

按照表1、表2中各參數的數據，共建立體育館物理模型9×7×7=441個，而當V取兩個極限值60 m和108 m時，比賽廳只能在單方向產生7種偏移變化，實際納入分析的有效模型為441-(7×7-7)×2=357個。

表1 體育館模型靜態參數設定Table 1 Static parameter setting of gymnasium model

表2 體育館模型動態參數設定Table 2 Dynamic parameter setting of gymnasium model

3 能耗模擬試驗及結果分析

能耗模擬試驗經常采用Energy Plus能量模型，但該能量模型的正確運用需要滿足凸空間的前提條件[8]，即空間體內所有角點的連線都要被包絡在該空間體內(圖1)，原因在于Energy Plus計算空間時采用的是一種面域的“視點”機制(Surface View Factors)。而體育館的輔助用房、觀眾看臺和觀眾休息廳形成的回形空間為非凸空間，不滿足計算規則，因此運用Ladybug和Honeybee軟件將體育館的幾何模型轉化為能量模型時，需要通過角點相連將回形空間拆分為4個子空間，如圖2所示。

設體育館圍護結構的材質傳熱系數為外墻0.4 W/(m2·K)、屋面0.3 W/(m2·K)、底面接觸室外的樓板0.3 W/(m2·K)，利用TT Toolbox插件記錄每次模擬對應的輔助空間基座的體形系數、比賽廳位置等變量數值與可視化的能耗(單位面積全年制冷能耗、采暖能耗與制冷采暖總能耗)分布結果。體育館模擬程序框架如圖3所示。

圖1 凸空間與非凸空間Fig.1 Convex space and non-convex space

圖4為利用Design Explorer軟件得到體育館的3個自變量與3個因變量的數值分布關系以及按總能耗由低到高排列的部分布局模型。由圖4可知，單位面積制冷能耗分布為38.65 kWh/m2～39.33 kWh/m2，單位面積采暖能耗分布為239.00 kWh/m2～240.43 kWh/m2。整體上看，采暖能耗約為制冷能耗的5.7倍，占到總能耗的86%左右，體現了寒地體育館冬季保溫需求遠高于夏季散熱需求的建筑特征。

整個模擬試驗中總能耗最高和最低的布局方式見表3。顯然，同樣體積和能耗參數的空間，通過簡單的布局變化可以體現出一定的節能潛力。比如在輔助用房中，當V取90 m、84 m、78 m時，單位面積總能耗較低，集中分布于278.20 kWh/m2左右；當V取106 m和66 m時，單位面積總能耗較高，集中分布于279.20 kWh/m2左右(圖5)。在觀眾休息廳中，當觀眾休息廳外側無輔助空間作為一層基座時，體育館采暖能耗有明顯降低，制冷能耗有明顯增加，但總能耗是否有利取決于朝向。具體地說，當觀眾休息廳位于北側邊緣時，體育館總體節能有利；位于南側邊緣時，體育館總體節能不利；位于東側和西側邊緣時，對節能影響不大，即觀眾休息廳位于輔助用房基座的位置對于節能影響的有利排序是北側>西側>東側>南側(圖6)。在比賽廳中，當V固定90 m，東西偏移度固定Middle時，南北偏移度的能耗分布為N100%

圖2 體育館模擬模型Fig.2 Simulation model of gymnasium

圖3 體育館模擬程序框架Fig.3 Simulation program framework of gymnasium

圖4 體育館模擬結果與部分布局模型Fig.4 Simulation results and partial layouts of gymnasium

表3 體育館總能耗最高和最低的布局方式Table 3 The layout with the highest and lowest total energy consumption of gymnasium

實際建筑中由于還有更詳細的圍護結構和開窗等界面設計，會進一步放大能耗差異，因此合理選擇布局方式可以在前期設計階段有效達成數量可觀的被動式節能。

為了進一步解析空間布局特征與能耗的關系，以UTCI(通用熱氣候指標)規定的9 ℃、26 ℃的冷熱分界線，繪制哈爾濱地區全年室外氣溫低于9 ℃、高于26 ℃時的風玫瑰圖，分別如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知，哈爾濱熱風風頻只有冷風風頻的十分之一，且冷風主風頻南向最大，說明哈爾濱全年采暖能耗遠高于制冷能耗，當比賽廳、觀眾休息廳偏北布置時，南向輔助用房有更多的空間作為熱阻減少熱量耗散，使總能耗降低，與前文分析結論一致。

圖5 能耗與輔助空間選型的關系Fig.5 Relation between energy consumption and auxiliary space selection

圖6 能耗與觀眾休息廳位置的關系Fig.6 Relation between energy consumption and the location of audience lounge

圖7 能耗與比賽廳偏移度的關系Fig.7 Relation between energy consumption and the deviation of competition hall

圖8 全年氣溫低于9 ℃時的風玫瑰圖Fig.8 Wind rose diagram when the temperature is lower than 9 ℃ throughout the year

4 多重線性回歸分析

基于SPSS軟件，以模擬得到的357組數據進行線性回歸分析，說明比賽場地邊緣至體育館外邊緣的距離與體育館全年采暖制冷總能耗的關系。以比賽場地邊緣在東、西、南、北4個方向至體育館外邊緣的距離為自變量，體育館全年采暖制冷總能耗為因變量，利用SPSS軟件，得到體育館全年采暖制冷總能耗的回歸方程為Y=2 896 979.124+581.334LS+693.608LN+530.451LW+521.342LE(Y表示能耗，kWh；LS、LN、LW、LE分別表示比賽場地至體育館邊緣的南邊距、北邊距、西邊距與東邊距，m)。由于回歸模型具有統計學意義，F(4，352)=66.385(P<0.001)，調整后R2=0.424；納入模型的4個自變量的顯著性P值均小于0.001，說明它們對總能耗的影響足夠顯著；繪制學生化殘差與未標化的預測值之間的散點圖，證實數據具有等方差性，而回歸標準化殘差的直方圖和正態P-P圖顯示，研究數據滿足正態假設。因此，依據標準化系數，各自變量對于體育館能耗影響的重要程度排序是北邊距>南邊距>西邊距>東邊距，且北邊距的影響能力遠大于其他三項。

圖9 全年氣溫高于26 ℃時的風玫瑰圖Fig.9 Wind rose diagram when the temperature is higher than 26 ℃ throughout the year

5 結論

通過性能模擬分析，得出影響嚴寒地區體育館低能耗設計空間布局的結論：

(1)采暖制冷能耗與輔助空間基座的體形系數呈較為明顯的正相關關系，盡量選用接近方形體育館的平面，當長寬比較大時需要特別考慮設計需求與能耗的利弊關系。

(2)觀眾廳休息廳外側無輔助空間作為一層基座時，體育館采暖能耗降低，制冷能耗增加，但總的來說，休息廳位于冬季主風頻方向總體更耗能，位于反方向總體更節能，位于垂直方向總能耗變化不大。

(3)比賽廳布局位置越遠離冬季主風頻能耗遞減，在垂直于冬季主風頻的方向能耗對稱分布，越靠近體育館邊緣能耗越低。

(4)總能耗的線性回歸方程為Y=2 896 979.124+581.334LS+693.608LN+530.451LW+ 521.342LE，各變量對總能耗的重要程度排序是北邊距>南邊距>西邊距>東邊距。