能耗導控下的上海社區(qū)體育訓練館空間設計探究

■ 秦 雯 QIN Wen 史澤道 SHI Zedao 錢 鋒 QIAN Feng

0 引言

據(jù)2023 年4 月份清華大學發(fā)布的《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2023（城市能源系統(tǒng)專題）》[1]統(tǒng)計，全國公共建筑總面積占比約為20%，而能耗占比卻居于高位，公建能耗已經(jīng)成為中國建筑能耗中比例最大的部分。其中，體育場館因其大空間屬性又成為公建中的能耗大戶[2]。特別對于上海等夏熱冬冷地區(qū)，夏冬季采暖制冷能耗占據(jù)全年絕大部分的空間設計，容易造成巨大的能耗浪費。

另一方面，隨著全民健身政策的推動和大眾體育的普及，體育場館逐漸走向社區(qū)化[3]。為構建完整的社區(qū)服務設施網(wǎng)絡，上海市近年來不斷完善住宅社區(qū)居民的生活配套設施，以社區(qū)體育館為核心建造的體育配套設施為居民的日常體育鍛煉提供了便捷的場所。社區(qū)型體育訓練館空間簡單、布局靈活、實用高效，可以十分自然地楔入城市生活。相比競技類體育場館，社區(qū)體育訓練館的服務人群是社區(qū)居民，用于居民的日常體育鍛煉和舉辦中小型的社區(qū)體育比賽，通常不設看臺，場地具備多功能轉換的特點。在體量布局方面，考慮到經(jīng)濟性，社區(qū)體育訓練館通常體量不大，以中小型多功能體育運動場地為核心組織空間，既可以單一大空間的體量形式存在，如上海青浦區(qū)體育文化活動中心（圖1），又可與其他功能類型的空間疊加組合，形成層疊式綜合體的體量形式，如成都三瓦窯社區(qū)體育設施（圖2）。

圖1 上海青浦區(qū)體育文化活動中心

圖2 成都三瓦窯社區(qū)體育設施

社區(qū)型體育訓練館要實現(xiàn)可持續(xù)性的運營，除了通過高效的業(yè)態(tài)布局獲得良好的租金收入，在運營成本方面的降本增效也至關重要。結合社區(qū)體育訓練館本身在空間設計方面的靈活性特點，通過被動式節(jié)能設計來降低場館能耗，減少場館的運營成本是促進社區(qū)型體育訓練館實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的重要一環(huán)。

1 能耗導控下的社區(qū)體育訓練館設計

1.1 方案設計階段介入的能耗導控策略

體育建筑的節(jié)能設計主要涵蓋空間設計、材料構造、結構設備選型及智能化控制等方面。在目前已完工的體育建筑項目中，大多采用“后處理”的節(jié)能設計方式，即項目完工后，采取一定的節(jié)能補救舉措以降低項目的能耗值，這顯然并未展現(xiàn)出被動式策略的真正意義。優(yōu)化建筑選材或圍護結構構造的做法是降低體育建筑能耗的有效方法[4]，但初始投資成本相對較高，在若干年后才能獲得節(jié)能投資帶來的收益，導致此類節(jié)能措施在實際應用中面臨一定的困難和質疑。因此，以建筑師為主導，在建筑方案設計階段介入的能耗導控策略，在實際應用中更具現(xiàn)實價值。合理的朝向、形態(tài)、尺度和窗墻比不僅與建筑設計方案密不可分，而且與建筑單體的能耗息息相關。

1.2 社區(qū)體育訓練館設計的能耗敏感性參數(shù)

建筑朝向會影響立面接收的太陽輻射得熱，是重要的能耗設計參數(shù)；但在實際項目的建筑朝向布置中，由于大空間占地面積大，場地條件的制約對朝向的布置起決定性作用。另外，形態(tài)參數(shù)與建筑的體形系數(shù)相關，不同形態(tài)對能耗會產(chǎn)生影響；但同樣地，形態(tài)一般由建筑平面與造型決定，并且同時受到城市環(huán)境要素的影響。相比較而言，空間高度和窗墻比在實際項目中受其他條件限制相對較小，在一定范圍內(nèi)具備能耗優(yōu)化的現(xiàn)實條件。根據(jù)相關研究[5]，體育建筑窗墻比與空間高度這兩個設計參數(shù)的全年總能耗負荷影響權重占整體的比重最大，在所有常見的空間設計參數(shù)中具有最高的能耗敏感性，體現(xiàn)了這二者較高的節(jié)能潛力，應在節(jié)能設計中予以精細化控制。因此，選取空間高度和窗墻比這對空間設計參數(shù)作為能耗模擬的研究對象，具備理論與現(xiàn)實的雙重意義。

2 社區(qū)體育訓練館的能耗模擬實驗預設

2.1 能耗模擬實驗設計

同濟大學許鵬教授為第一屆“能耗偵探”建筑能耗預測競賽作總結發(fā)言時提到：“在目前行業(yè)水平下，利用白箱模型進行的能耗預測準確性約為30%。”能耗模擬的前期工作在很大程度上決定了最終成果的準確性。因此，對模擬對象的特征分析是本次實驗模擬的關鍵。

本文實驗模擬的目的是探究體育訓練館空間高度和窗墻比參數(shù)與能耗的關系，在變量的合理取值范圍內(nèi)，通過數(shù)值模擬分析上述兩個設計參數(shù)對能耗變化產(chǎn)生的影響。在模擬軟件的選取方面，基于Grasshopper 平臺的Ladybug Tools 可以實現(xiàn)參數(shù)化建模與性能化模擬的同環(huán)境運行，以較好地滿足本次研究目的。

2.2 自變量參數(shù)取值范圍的設定

2.2.1 空間高度范圍設定

體育訓練館的空間高度要滿足一般性球類運動的需求。國際賽場上對各類球類運動的凈高都有明確要求，但體育訓練館主要考慮日常健身運動，因此可酌情統(tǒng)籌考慮，適當進行調(diào)整。一般情況下，羽毛球和排球場凈高要求至少為9 m，籃球場凈高要求至少為7 m，考慮到體育訓練場地的多功能轉換，選擇9 m 的下限值即可滿足一般性的球類運動要求；另外從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，空間凈高一般不超過15 m。因此，可將體育訓練館空間高度設定為9～14 m 的區(qū)間，取值間隔為0.5 m。

2.2.2 窗墻比范圍設定

窗墻比涉及到體育訓練館的開窗方式。對于體育運動室內(nèi)采光，除了要滿足最低的采光系數(shù)要求，眩光是需要重點考慮的因素。普通側窗不僅會導致眩光，也不利于訓練場館籃球架的壁掛和墻體吸聲材料的布置。因此，人眼高度范圍內(nèi)的側窗不適用于體育建筑，高側窗和天窗才是體育建筑中更常見的開窗方式。例如：努納瓦丁社區(qū)中心體育館采用鋸齒形天窗采光，自然光通過天窗斜面反射再進入室內(nèi)，既避免了眩光的影響，又解放了側界面，方便室內(nèi)墻面布置籃球架（圖3）；奧斯卡·尼邁耶運動文化中心采用高側窗作為開窗方式，為室內(nèi)爭取了均勻的自然采光，一定高度的墻面又可以滿足球類運動設施的貼墻布置（圖4）。

圖3 努納瓦丁社區(qū)中心體育館

圖4 奧斯卡·尼邁耶運動文化中心

為了排除開窗形式對實驗結果的影響，考慮到天窗形式豐富，且不同的形式對能耗的影響較大，而高側窗形式相對單一，因此選取高側窗作為本次模擬窗墻比參數(shù)的采光形式。高側窗窗墻比取值最低要求應滿足《建筑采光設計規(guī)范》（GB 50033—2013）[6]規(guī)定的“采光系數(shù)≥2%”。通過預實驗研究，采用基于Ladybug Tools 的Radiance 計 算采光系數(shù)，得出高側窗窗墻比最低限值為0.11。窗墻比的上限值應滿足《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB 55015—2021）[7]中對夏熱冬冷地區(qū)公共建筑窗墻比的規(guī)定，即窗墻比≤0.20。因此，將窗墻比的取值范圍設定為0.11～0.20，取值間隔為0.01。

2.3 能耗模型搭建

根據(jù)相關研究[8]，以上海市為代表的夏熱冬冷地區(qū)社區(qū)型體育訓練場多以中小型尺度居多，且運動場地可實現(xiàn)多功能的轉換以提高使用效率。結合相關分析，本次模擬采用44 m×25 m 作為模型平面尺寸，布置8 張乒乓球桌的同時，還可布置1片籃球場地、2 片排球場地或者6 片羽毛球場地，并且滿足出入口的交通空間，實現(xiàn)高效利用。模型的朝向沿南北向（長軸）布置；高側窗環(huán)繞4個立面布置，且每個立面的窗墻比保持一致；所有高側窗設置為可開啟的自然通風窗，開啟比例為0.5。為了聚焦于大空間的設計參數(shù)，避免大小空間組合方式帶來的實驗影響[9]，能耗模型中的room 輸入僅為單一大空間，且room 設定為空氣調(diào)節(jié)房間；空間高度和窗墻比兩個離散型變量則通 過Grasshopper 的slider 進 行 輸入。依據(jù)上海市所屬的夏熱冬冷地區(qū)，選取文獻[7]中的各類熱工參數(shù)進行模型設置（表1）。

表1 熱工參數(shù)設置表

至此，實驗研究的前期模型及參數(shù)預設已全部完成。

3 實驗結果分析及設計策略總結

3.1 全年能耗分布

基于Energy Plus 能耗模擬輸出的4 個數(shù)據(jù)分別為全年采暖能耗密度、制冷能耗密度、照明能耗密度和電器設備能耗密度。其中，不同空間高度和窗墻比取值組合的全年能耗數(shù)據(jù)可轉化為如表2 所示的矩陣表。

表2 不同空間高度、窗墻比不同組合下的全年總能耗密度表

從表2 中選取3 組窗墻比和空間高度參數(shù)分布均勻的組合，即窗墻比0.11 與空間高度13.5 m、窗墻比0.15 與空間高度11.5 m、窗墻比0.20 與空間高度10 m，分別繪制全年能耗數(shù)據(jù)柱狀圖（圖5～7）。從圖中可以看出：夏熱冬冷地區(qū)體育訓練館的能耗主要集中在夏冬兩季，且制冷能耗最高，采暖能耗次之；3 組的采暖制冷能耗占比分別為76.4%、76.1%、75.9%，且制冷能耗均在8月份達到最高值。總體而言，采暖與制冷能耗占全年能耗的70%以上，照明能耗與電器設備能耗則比重較小，且全年浮動較小。

圖5 窗墻比0.11 與空間高度13.5 m 組合的全年能耗分布

圖6 窗墻比0.15 與空間高度11.5 m 組合的全年能耗分布

圖7 窗墻比0.20 與空間高度10 m 組合的全年能耗分布

3.2 單一設計參數(shù)與能耗的相關性分析

為進一步探究窗墻比和空間高度參數(shù)與采暖制冷能耗的關系，在空間高度和窗墻比兩種參數(shù)中分別抽取3個代表組合，即在其中一個設計參數(shù)確定的情況下，研究另一個參數(shù)與能耗的關系。數(shù)值模擬的統(tǒng)計結果以點線圖方式表達。

3.2.1 相同空間高度條件下窗墻比與能耗相關性

選取3 種空間高度（10、11.5、13.5 m），研究窗墻比與能耗的關系（圖8～10）。整體上，窗墻比與能耗呈現(xiàn)線性正相關趨勢，即窗墻比增加，能耗值也隨之增加。其中：制冷能耗極差較大，增長趨勢明顯高于采暖能耗；而采暖能耗極差小，變化平緩。

圖8 10 m 空間高度條件下窗墻比與能耗相關性點線圖

圖10 13.5 m 空間高度條件下窗墻比與能耗相關性點線圖

隨著窗墻比增加，再橫向對比不同高度水平所帶來的影響：10 m 空間高度條件下，總能耗的平均增長率為0.7%；11.5 m 空間高度條件下，總能耗的平均增長率為1.4%；13.5 m 空間高度條件下，總能耗的平均增長率為1.7%。由此可知，空間高度的增加會導致能耗增長率隨窗墻比的增加進一步提升。

3.2.2 相同窗墻比條件下空間高度與能耗相關性

選取3 種窗墻比（0.11、0.15、0.20），研究空間高度與能耗的關系（圖11～13）。整體上，空間高度與能耗呈現(xiàn)非線性的正相關趨勢，即能耗變化隨高度的增加出現(xiàn)了不穩(wěn)定的增長趨勢；且制冷能耗的增長趨勢依然高于采暖能耗。

圖11 0.11 窗墻比條件下高度與能耗相關性點線圖

圖12 0.15 窗墻比條件下高度與能耗相關性點線圖

圖13 0.20 窗墻比條件下高度與能耗相關性點線圖

隨著空間高度的增加，再橫向對比不同窗墻比水平所帶來的影響：0.11 窗墻比條件下，總能耗的平均增長率為1.7%；0.15 窗墻比條件下，總能耗的平均增長率為1.8%；0.20窗墻比條件下，總能耗的平均增長率為2.6%。由此可知，窗墻比的增加同樣也會導致能耗增長率隨空間高度的增加進一步提升。

3.3 二元設計參數(shù)與能耗的整體相關性分析

若要將空間高度與窗墻比兩個參數(shù)和能耗的關系從整體上表現(xiàn)出來，繪制三維網(wǎng)格曲面圖可以更加直觀得到二元自變量與因變量的變化關系。以x軸代表窗墻比、y軸代表空間高度、z軸代表全年的能耗密度，在空間中建立xyz三維坐標系；并以不同顏色表示能耗密度值，形成具有三維屬性的網(wǎng)格曲面（圖14）。

圖14 窗墻比、空間高度與能耗關系的三維網(wǎng)格曲面圖

從圖14 可以看出，沿窗墻比最小值到空間高度最大值的對角線方向是顏色變化的梯度方向，可將其在xy平面投影的方向向量定義為向量V。可以看出，向量V體現(xiàn)了能耗從低到高變化的方向。這說明整體而言，空間高度越低，窗墻比越小，則能耗越低；反之亦然。

更深入地，通過觀察三維網(wǎng)格曲面的傾斜度發(fā)現(xiàn)，當曲面的傾斜度沿著V方向越來越大，曲面變得越來越陡，且曲面在中部有沿V方向凹陷的趨勢。這說明隨著空間高度和窗墻比的同時增加，能耗不僅增長更多，而且增長速度加快；反之亦然。

3.4 能耗導控下的設計策略總結

通過上述分析可知，降低高度或者窗墻比都可以有效降低全年總能耗。從全年總能耗的角度出發(fā)，對于44 m×25 m 平面尺寸的體育訓練館，在滿足基本采光條件和熱工條件下，采用9 m 高度和0.11 的窗墻比可獲得最低能耗。在實際應用中，兩個設計參數(shù)可以組合調(diào)控。相比維持一個參數(shù)在較高水平而大幅降低另一個參數(shù)，兩者一起適當降低的節(jié)能效果更明顯。

無論是采暖能耗還是制冷能耗，空間高度的顯著增加（增量大于1 m）都會帶來能耗的不穩(wěn)定性增長，空間高度每增加1 m，能耗平均增長約4.1%。因此，在滿足球類場地最低凈空要求前提下，應盡量降低空間高度。

對于采暖能耗，窗墻比的改變對能耗影響很小，即能耗隨窗墻比增加而緩慢增加；而對于制冷能耗，窗墻比的改變對能耗影響很大，即能耗隨窗墻比增加而顯著增加。因此，設計時可以采用活動式遮陽，在采暖期適當提高窗墻比，讓室內(nèi)獲得充足采光；在制冷期嚴格控制窗墻比，使其維持在較低水平以提升建筑能效。

4 結語

體育建筑融入社區(qū)的過程不僅僅是建筑的形式、空間和功能與社區(qū)環(huán)境的適配，更是在建成后更長的時間維度里與社區(qū)健康發(fā)展的同步協(xié)調(diào)。雖然精細化的能耗導控在實施過程中依舊面臨著諸多挑戰(zhàn)，如能耗預測的準度、實際運營的現(xiàn)實復雜性等，但隨著社會經(jīng)濟技術的發(fā)展，技術問題會得到不斷突破和解決，能耗導控下的精細化設計必然會實現(xiàn)更大的社區(qū)價值，社區(qū)體育訓練館也將為社區(qū)居民提供更高品質的運動體驗。