嚴寒地區居住建筑低能耗共享空間布局分析

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

0 引言

城市化的快速發展導致能源過度消耗、氣候環境逐漸惡化、資源日趨匱乏。2020 年，我國建筑總能耗幾乎占據了全國能源消費總量的35%[1]，且整體趨勢持續上漲；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了一半[2]。相關報告顯示，“2000—2017 年，全國建筑能源消費總量呈現持續增長趨勢，從2000 年的2.88 億tce，增長到2017年的9.47 億tce，增長了約3.2 倍，年均增長7.25%”[3]。建筑能耗的持續增長將嚴重制約我國碳達峰、碳中和“雙碳”戰略目標的實現，亟需貫徹綠色發展理念，健全相關體系，以加快建筑的綠色可持續發展建設。

1 居住建筑能耗及其節能分區現狀

建筑運行階段能耗主要由公共建筑能耗、城鎮居住建筑能耗、農村居住建筑能耗構成。據統計，2018 年全國建筑存量面積為674 億m2，建筑運行階段能耗為10 億tce，占全國能源消費總量的21.7%。其中，公共建筑面積129 億m2，建筑能耗3.83 億tce，占建筑運行階段能耗的38.3%；城鎮居住建筑面積約307 億m2，建 筑 能 耗3.8 億tce，占建筑運行階段能耗的38%；農村居住建筑面積238 億m2，建筑能耗2.37 億tce，占建筑運行階段能耗的23.7%[4]。可見居住類建筑能耗占建筑總能耗的比重較大。

城市的規劃與建筑的設計都需考慮當地氣候狀況影響，在國內建筑標準體系下，常以《建筑氣候區劃標準》（GB 50178—1993）和《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176—1993）兩本規范作為參考。前者按照溫度、濕度及降水指標劃分一級氣候區，再根據地表及風速特征劃分二級氣候區[5]；后者則從熱工角度進行劃分。雖然兩者是從不同角度對氣候區劃進行劃分，但整體來看，主要分區指標是一致的。在2013 年，中國建筑科學院借鑒美國ASHRAE 標準，以《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176—1993）為基礎，加入氣候、行政區劃分等因素進行細化和調整。這樣的細化和調整為不同氣候區域的建筑節能設計提供了更加具有針對性的指導[6]。因此，從建筑熱工設計來看，相對于其他地區，嚴寒地區在建筑設計要求上也會比較嚴格和復雜。

2 居住建筑中的共享空間

“共享空間”一詞源于“中庭”。被譽為“中庭之父”的美國建筑師約翰·波特曼（John Portman）開創了垂直中庭設計的先河，使之成為一種流行的空間設計趨勢，廣泛應用于商業、酒店和辦公等大型公共建筑中。隨著公共建筑功能的復合化發展，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所，具有可識別性、信息性、領域性等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部空間與自然環境溝通的橋梁[7]。因此，共享空間設計既是基于人性化、靈活化的設計語言，也是將“外部環境、建筑主體、人”三者聯系起來的媒介。其兼具物質和精神兩個層面的作用，可解決城市現有居住模式中缺乏鄰里互動的問題，引發了共享空間應用于居住建筑的思考。由于共享空間常使用通透材質，熱阻較小，容易受外界氣候的影響而產生大量能耗，因此在居住建筑共享空間的設計中，不可盲目跟風，應努力挖掘其潛在的特性，探索合適的設計方案。

3 嚴寒地區建筑共享空間的能耗特征

自然通風依靠室外風力造成的風壓和室內外空氣溫差造成的熱壓，促使空氣流動，完成建筑室內外空氣交換[8]，是一種常用的建筑節能方法。然而，嚴寒地區因其冬季漫長而嚴寒、夏季短暫而溫暖的氣候特點，真正適合自然通風的時期較短，且自然通風中風壓作用受風速、風向等外部因素影響，實際上人為很難控制。因此在現階段，對于嚴寒地區共享空間的設計，一般不會考慮風壓作用因素[9]，而主要考慮形成熱壓通風的情況；導致在建筑設計中無法較好并廣泛地利用自然通風，致使現實中共享空間的通風系統能耗占比偏高[10]。

4 低能耗理念下共享空間布局分析

4.1 共享空間布局對建筑能耗的影響

共享空間在不同地區、不同季節會呈現不同的適應需求，特別是嚴寒地區，差異尤為明顯。一般在夏季，共享空間需要有足夠的遮陽和通風，以避免過熱；而在冬季，需要加強采光和保暖措施。因此，共享空間的布局會對光、熱、風等環境因素產生影響。為提高建筑能效，設計時必須綜合考慮各個因素，對共享空間進行合理布局。

（1）嚴寒地區冬季嚴寒而漫長，往往建筑采暖能耗較高[11]。如果從建筑設計初期開始考慮熱環境因素問題，應該能夠降低很多能耗。

（2）對于進深較大的建筑，可以利用其內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部，再結合一些細部設計和室內設計，合理利用光線，使自然采光達到最佳效果，減少照明能耗。

（3）共享空間對風環境也會造成影響。其作為建筑內外環境之間的媒介，會形成一定條件下的熱壓通風，從而產生正向效應。但不同的布局方式會影響共享空間的通風能力，當共享空間的高寬比較大，且與外界主導風向形成了適宜的風壓通風時，風壓通風就會與熱壓通風結合，形成一種更加有效的通風模式。

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：貫通式常應用于商業屬性較強的建筑；并置式和外包式更適用于和周邊環境互動、交互頻率較高的大型建筑；嵌入式與核心式則應用廣泛，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

過去由于技術匱乏，建筑節能設計主要依靠建筑師的實踐經驗，在計算上存在局限性。隨著BIM 技術廣泛應用與發展，應用Ecotect Analysis（生態建筑大師）軟件進行模擬分析，可彌補其不足。

4.3.1 模型構建

構建建筑標準模型，其標準層基底面積為2 500 m2（50 m×50 m）。在其中構建共享空間理想模型，要求符合當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。根據相關資料，一般單層的共享空間面積占同一樓層平面面積的15%左右。考慮到資料和數據上的取整方便，設置共享空間面積為20 m×20 m，占模型標準層平面面積的16%。作為理想模型模擬，旨在研究空間布局設計上的能耗影響，故對材料簡單分為玻璃材質和混凝土材質，不考慮構件和細部及額外自然采光；另外，核心式共享空間的開窗設置在頂部，且采用百分百的開窗形式。

4.3.2 模擬分析

運用Ecotect Analysis 軟件，輸入嚴寒地區天氣數據信息，并設置建筑人員的工作狀態、活動時期等條件，分析不同類型共享空間對建筑的影響。

由圖2 可以看出：對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其他自然采光，以天窗形式取得采光照明而得出的能耗結果，在建筑設計中并不廣泛，只能為創新和處理獨特的空間提供一定參考。為了獲得更具有普適性的結果，對上述共享空間基本進行改進，增加側面采光。此方案下，嚴寒地區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 增加側面采光的5 種共享空間基本類型能耗情況

4.4 室內布局對共享空間的能耗影響

4.4.1 理想化模型構建

不同的室內布局會對空間室內環境產生影響。設計3 種不同的室內布局模式，分別為開放式、半開放式、封閉式，進行能耗模擬。結合共享空間的5 種基本類型，共構建15 個理想化模型。其中：封閉式室內布局模式中，四周全部采用玻璃界面進行分隔；半開放式室內布局模式中，設有2.8 m 寬的走廊，且與共享空間銜接面的一側設置1.5 m 高的欄板；開放式室內布局中，亦設有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

將模型導入Ecotect Analysis 軟件并輸入嚴寒地區氣候數據，可得到如圖4 所示能耗模擬結果。分析可知：開放式室內布局的總能耗最低。這是因為開放式室內界面沒有實體隔斷，獲取自然采光相對容易，故其照明能耗低于其他兩種模式，相應減少能耗。但是在開放式類型室內界面，共享空間與周圍環境之間能量的交換較強且比較均勻，可考慮使用落地欄板等構件來防止冷氣從上至下流動，以進一步減少能耗。

表1 理想化模型

圖4 不同室內布局方式能耗情況

5 案例應用

上述模擬結果只是基于一種理想化模型，需進一步結合實際應用進行驗證。選取嚴寒地區某公寓樓為對象，進行不同布局模式的模擬。該公寓樓為框架結構，共享空間為半開放并置式布局，有側面采光。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建筑類型，也有應用于住宅類建筑，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行改造。采用Ecotect Analysis 軟件對兩種布局模式進行模擬分析，構建的標準層平面尺寸為13 m×8.5 m，層數為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 某公寓樓標準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，從低能耗設計的理念出發，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 結語

綜上所述，本文通過Ecotect Analysis 軟件構建理想化模型，模擬和分析嚴寒地區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論。進一步結合實例應用，在綜合考慮節能和居住建筑屬性的情況下，開放嵌入式布局更適合于嚴寒地區的居住建筑。這與理想化模型的測算結果基本一致，說明模型的構建模擬是有效的。在實際項目中，如果出現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，通過控制建筑材料的種類、側面的開窗形式等進行節能設計。由于本研究主要針對建筑前期的設計，具有一定局限性；未來可以進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濟適用的建筑空間。