辅助空间的缓冲热效应及平面布局优化探析＊——以经济发达地区大量性普通办公建筑为例

赵惠惠 傅筱 张钤

南京大学建筑与城市规划学院

除了我国的严寒地区，其他地区的大多数建筑都实施“部分空间+部分时间”1的室内环境控制系统和运行模式，大量性普通办公建筑作为公共建筑中建设量大、能耗高的建筑类型之一，辅助空间通常占建筑总空间的25%左右，且属于非制冷或非采暖的能耗空间[1]。结合“部分空间”的建筑能耗运行模式，充分利用辅助空间作为缓冲空间，能否降低用能空间的能耗？其缓冲能效如何？且何种布局模式更有利于发挥其缓冲性能？这些都是急需研究的问题。虽然有些学者已经提出了缓冲空间的相关概念并对此进行了研究，但多数是定性描述，鲜有定量化研究[2-6]。尤其对于大量性普通办公建筑辅助空间的缓冲热效应研究更是缺乏对空间模式的深入剖析以及相应数据的支撑。虽有一些建筑师凭借自身经验或气候学知识将其应用于实践，但属于经验化策略，缺乏数据证实其策略作用的有效性。因此，基于中国的建筑能耗运行模式，通过模拟研究定量，分析辅助空间热缓冲效应与其布局模式的关系，将辅助空间的被动式策略由定性阶段推向定量的精细化研究阶段，对于中国本土的低能耗空间设计而言是有参考价值的。

1 研究对象及外界影响因素

对建筑来说，辅助空间布局模式对建筑能耗的影响必然会受到外界因素的影响和制约。建筑主体朝向通常是首要的外界影响因素，对课题组研究的三个气候分区而言，朝向可分为正南北向和适宜朝向2，而正东西朝向在概念设计阶段予以避免（因场地限制形成的东西向办公属于特殊案例，因此不在本研究范围之内）。第二个外界影响因素是辅助空间与外界接触的界面，由于高效保温材料的使用，窗洞口是能耗的主要进出口，因此辅助空间外立面窗墙比是必须考虑的外界因素之一。在上述两个外界因素的制约下，辅助空间的布局模式研究才具有实际的应用价值。

辅助空间作为建筑缓冲空间可通过多层界面与空间形式的共同作用对气候进行动态调节，其缓冲性能不仅与布局的朝向方位相关，还涉及本身的空间形式，且后者多受平面类型的制约。因此，本研究从大量性普通办公建筑3入手，以课题规定的三个气候区为研究范围（寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区），从样本案例中提取基本平面类型，以空间布局作为分类标准研究对象，先研究不同朝向下辅助空间布局的缓冲热效应，再研究窗墙比对辅助空间缓冲热效应的影响。

2 研究模型与模拟条件设定

2.1 典型布局模式及实验模型特征

课题收集了108个国内近20年位于三个气候区内的大量性普通办公建筑样本，以“适用性、典型性”为导向，以“平面类型、辅助空间布局差异性”为原则，提取出涵盖“一字形、L形、口字形、E字形、工字形、匚字形”等18种典型的辅助空间布局模式。

研究将这18种布局模式统一设计在面积为1 300m2、层高为4m的标准层平面4中，根据平面将其归纳为“点式、短板式、板式内廊、板式北廊”四种基本单元平面类型（图1，2）。采用三个气候区代表性城市——北京、南京、深圳的CSWD格式气象参数，通过动态模拟软件DesignBuilder进行一系列热模拟，以建筑的年单位面积能耗作为评判依据，结合缓冲空间调节建筑环境的原理，分析各布局模式与热缓冲效应的关系[7]。

1 基本平面类型归纳

2 18 种辅助空间布局模式

2.2 模拟参数设定

围护结构参数设置均符合三个气候区节能规范标准中的各项限值，由于仅针对标准层进行分析，所以天花板和地面均设为绝热层[8]。基于样本案例总结大量性普通办公建筑外立面开窗数据，并结合办公建筑节能设计规范，将用能空间的窗墙比统一设置为0.5（在对不同朝向辅助空间热缓冲效应影响的研究中，辅助空间窗墙比与用能空间一致，设置为0.5）。寒冷地区夏季采用冷水机组（能效比COP为4.5），冬季热源为城市热网，其他两个地区冷热源采取空气源热泵（COP为4.5）。办公空间的采暖温度为20℃，制冷温度为26℃，新风量按照室内人员所需最小新风量30m2/（h·人）来确定。根据办公建筑的用能特点划分为采暖期、制冷期、过渡期三个时间区域以及工作和假日两个时段，工作日办公时间为7:00～18:00，采暖期和制冷期根据不同气候区的规定进行设置，寒冷地区考虑冬季全空间采暖和夏季部分空间制冷，夏热冬冷地区考虑冬季部分空间采暖和夏季部分空间制冷，夏热冬暖地区仅考虑夏季部分空间制冷。

3 研究过程与结果分析

3.1 外界影响因素一：不同朝向下的辅助空间布局对建筑能耗的影响

3.1.1 基于正南北朝向

（1）同一平面类型中布局模式对建筑能耗的影响分析

根据模拟数据分别统计三个气候区各类平面中缓冲性能最优的布局模式（表1），可知不同气候区、同一平面布局的缓冲能效略有差别，寒冷地区由于冬季全空间的采暖模式导致辅助空间的保温性能未充分发挥作用，因此能效整体低于其他两个气候区。在同一气候区，对比各平面类型下的缓冲能效值，可知不同的平面类型和辅助空间布局模式对建筑能耗的影响差异不一，三个气候区中短板式平面（B）布局的建筑能耗差异最为明显，其次是板式北廊（D）和板式内廊（C），最后是点式（A）。从各平面布局的特征来看，西向或东西向布局的辅助空间能体现出较好的缓冲性能。

表1 三个气候区同一平面类型下缓冲性能最优的布局模式

（2）所有布局模式对比下的缓冲能效分析

3 各气候区布局的建筑能耗汇总图

将三个气候区18种布局模式的建筑能耗进行对比（图3），可知短板式东西布局模式（BWE）的年单位面积建筑能耗在三个气候区中均为最低，最大缓冲能效分别为8.3%（寒冷地区）、12.3%（夏热冬冷）、13.1%（夏热冬暖）。对比各平面类型的平均能耗，可知板式北廊平面（D）的年单位面积建筑能耗偏低。究其原因，短板式平面（B）的东西向布局相较于其他平面，辅助空间在东西两侧外界面的占比较大，有利于减少东西向太阳辐射对主体空间的影响，因而缓冲性能最佳。板式北廊（D）相对于其他平面类型，辅助空间完全占据北向时能够形成“温度阻尼区”，在冬季可有效减少用能空间和外环境的换热，降低冷空气对室内环境的影响，体现出良好的保温性能。

综上可知，辅助空间的缓冲性能是存在且不可忽视的，平面类型和布局朝向会共同影响辅助空间的缓冲热效应，且不同气候区辅助空间的缓冲热效应有所差别。建筑师在各气候区的低能耗平面设计中，应优先选取短板式东西向布局模式（BWE），发挥辅助空间的缓冲性能。若选择板式平面，则优先选用板式北廊类型（D），并将辅助空间置于东西向。点式平面（A）的缓冲能效较小，可考虑将辅助空间置于西向。

3.1.2 基于适宜朝向

已知合理的正南北朝向平面布局模式有利于发挥辅助空间的缓冲性能，降低建筑能耗。在实际工程中，建筑设计通常会受到场地的制约而无法保证正南北朝向，因此研究以正南北0°、经纬度15°为变化模数设置模型组，依次对18种布局模式进行适宜朝向的模拟，寒冷地区包括南偏西30°、南偏西15°、南偏东15°、南偏东30°、南偏东45°五组数据，夏热冬冷、夏热冬暖地区包括南偏西30°、南偏西15°、南偏东15°、南偏东30°四组数据。结合正南北朝向的数据，分析建筑朝向对辅助空间布局热缓冲效应的影响，总结适宜朝向下平面布局的设计要点。

（1）同一平面类型中布局模式对建筑能耗的影响分析

4 适宜朝向下模拟的布局模式

5 寒冷地区适宜朝向中同一平面各布局的缓冲能效对比

6 夏热冬冷地区适宜朝向中同一平面各布局的缓冲能效

7 夏热冬暖地区适宜朝向中同一平面各布局的缓冲能效

根据模拟数据，统计各气候区适宜朝向下同一平面类型中缓冲性能最优的布局模式，可知寒冷地区的最优布局均与正南北朝向时的结果一致。在夏热冬冷、夏热冬暖地区，短板式（B）、板式内廊（C）、板式北廊（D）平面中最优布局模式均与正南北朝向的结果一致。但对于点式平面（A），当朝向偏离正南北时，点式中间布局（AC）成为其所在平面的最佳布局模式。如图4所示，各布局模式随着朝向的改变，辅助空间的外界面在不利朝向占比变小，尤其是点式平面类型（A），当朝向偏离正南北时，西向布局模式（AW）的外界面在不利朝向的占比远小于主体空间占比，因而在太阳辐射强烈的气候区其辅助空间抵御热辐射的作用微乎其微。进一步对其余各朝向下同一平面布局的最大缓冲能效值进行汇总，可知变化幅度甚微（图5～7）。

（2）所有布局模式对比下的缓冲能效分析

分析适宜朝向下的18种布局模式的建筑能耗数据，可得出短板式东西向布局（BWE）仍然是三个气候区各朝向的最优布局模式。在寒冷地区其最大缓冲能效在6.8%～8.0%，略低于正南北朝向。在夏热冬冷地区其最大缓冲能效在12.0%～12.3%，而夏热冬暖地区接近13.1%，与正南北趋同。

综上可知，朝向的改变虽然影响辅助空间的缓冲性能，但是不同布局下辅助空间的缓冲能效未发生明显变化，平面设计要点与正南北朝向时基本相同。值得注意的是，点式平面（A）较为特殊，在寒冷地区南偏西30°时，其辅助空间布局的缓冲性能几乎失去作用，在夏热冬冷及夏热冬暖地区，在除正南北以外的朝向下，其布局模式也未能体现出缓冲性能，因此在上述两种情况下平面布局可不考虑辅助空间的热缓冲作用。

3.2 外界影响因素二：辅助空间窗墙比对建筑能耗的影响

由上述研究结论可知，辅助空间对气候的调节作用与其外界面的朝向及占比有关，外界面在不利朝向的占比越大，缓冲性能越佳。基于此结论，选取短板式东西向布局（BWE）、板式北廊东西向布局（DWE）两种模式作为研究对象，设置0、0.1、0.3、0.5、0.7五组窗墙比变量（0.7为现行国家相关标准中窗墙比的上限），基于正南北朝向进一步研究不同窗墙比对辅助空间缓冲性能的影响，提出针对不同气候区的辅助空间优化设计要点（表2）。这两种布局模式可直观探讨各朝向界面在窗墙比变化下对气候的调节作用，且其辅助空间的缓冲性能优于其他布局，对优化设计有直接的指导意义。

表2 BWE和DWE布局模式在不同窗墙比设置下的立面简图汇总

根据各气候区的能耗数据（图8），在寒冷地区中，窗墙比从0增至0.7，板式北廊东西向布局模式的建筑能耗也随之增加，最大能耗差异为2.1%，短板式东西向布局模式的建筑能耗呈下降趋势，最大能耗差异为2.2%。在其他两个气候区这两种布局模式的建筑能耗都随辅助空间窗墙比增大而增大，其中夏热冬冷地区的最大能耗差异分别为1.0%（BWE）、2.3%（DWE），夏热冬暖地区最大能耗差异分别为3.4%（BWE）、5.8%（DWE）。值得注意的是，在寒冷地区和夏热冬冷地区，当窗墙比小于0.5时，DWE模式的建筑能耗稍低于BWE模式，其辅助空间缓冲性能略优。

对外界面而言，不透光的实墙可减少进入室内的太阳直射光，从而降低外环境对建筑内部空间的干扰，且具有较好的热工性能，可减少寒冷气流的侵袭。因此在冬季较冷的气候区，辅助空间北界面窗墙比越小越利于保温，东西界面的窗墙比越大越利于在冬季吸收更多的太阳辐射，提高自身热环境，降低采暖负荷。而在夏季炎热的气候区，东西界面需控制开窗面积以减弱太阳辐射对室内空气的加热作用。

8 各气候区两种模式在不同窗墙比下的建筑能耗汇总图（H-采暖，C-制冷）

3.3 研究结论

在辅助空间布局与建筑能耗的关联性研究中，可知合理的辅助空间布局对建筑能耗有积极的影响，即便在寒冷地区其最大缓冲能效也可达8.3%，这在一定程度上为建筑师进行低能耗平面布局提供了理论基础。具体研究结论如下：

（1）在提取的18种布局模式中，当窗墙比统一设置为0.5时，短板式东西向布局模式（BWE）在三个气候区中，均为最优模式，可将辅助空间的缓冲性能发挥至最大，在概念设计阶段可优先选择。板式北廊东西向布局模式（DWE）在寒冷、夏热冬冷气候区也表现出较高的缓冲性能（表3）。

表3 三个气候区最佳布局模式

（2）辅助空间热效应受平面类型和方位朝向的共同影响。西向布局或东西两向布局的隔热性能优于其他方位布局。辅助空间满布于北向时，其保温性能优于其他方位，且其外界面在不利朝向占比越大缓冲性能越佳。

（3）在适宜朝向范围内，辅助空间的缓冲性能随朝向偏离正南北而减小，但不同布局模式对建筑能耗的影响差异依然很大，辅助空间布局仍可优先选用短板式东西向布局模式（BWE）。

（4）不同气候区，辅助空间的窗墙比对其缓冲性能影响不同。在寒冷地区，北向辅助空间界面的窗墙比不宜超过0.5，东西向界面尽量开大窗。在夏热冬冷地区，北向界面的窗墙比与寒冷地区相同，但东西界面要控制开窗，大于0.5时应采取遮阳措施。夏热冬暖地区东西向界面窗墙比越小缓冲性能越好，应尽量采用实墙。

4 辅助空间布局模式优化设计策略分析

辅助空间作为建筑空间的一部分，如何充分利用其热缓冲效应进行建筑概念设计，需要结合平面类型以及气候区综合考虑。本文根据模拟所得结论，结合气候区特点，将辅助空间热效应在设计策略上分为保温御寒主导型、保温隔热兼顾型和隔热导风主导型，根据不同的环境特点及建筑形态，选择适宜的辅助空间布局模式，结合立面语言和室内舒适度，提出优化策略以充分适应各气候区。

4.1 保温御寒的布局模式选择与优化策略

寒冷地区尤其注重建筑的保温御寒，辅助空间对气候的调节体现为冬季抵御西北风对建筑的影响以及利用太阳辐射来提高空间热环境（图9），优化策略侧重于辅助空间保温性能的提升。

9 保温御寒设计要点简图

（1）优先选用短板式平面类型，并将辅助空间布置在建筑东西向，可提高辅助空间对太阳辐射的利用。选用板式平面类型时宜将廊道置于北侧，其他辅助空间置于东西侧，若平面类型接近于点式，宜将辅助空间集中布置于西侧。此外，可根据上述基本模式布局特点进行组合设计，设计师可将辅助空间结合边庭一起布置于不利朝向，在实现热缓冲作用的同时丰富空间形态。为达到更好的御寒作用，宜将边庭置于北侧，将对热舒适要求不高的辅助空间置于西侧，从而利用太阳集热以减少辅助空间冬季的热损失（图10）。

10 保温御寒平面类型及布局模式选择

（2）辅助空间北界面尽可能采用保温性能较好的实墙，冬季作为保温层直接抵御冷空气对主体空间的侵袭。考虑到无开窗的实墙立面对建筑功能和造型有一定影响，可局部设置采光井或局部立面开窗引入太阳辐射，且窗墙比应控制在0.5以下，建筑师可在具体设计中进行权衡。若北向设置边庭，可利用其温室效应进一步增强缓冲性能，辅助空间东西界面大面积开窗也可直接引入太阳辐射提升室内温度，宜选用热工性能较好的透明围护结构，蓄热材料的加持也会有效提高室内热稳定性，但要考虑夏季适当的隔热措施，可以采用垂直遮阳板在采光与遮挡之间取得平衡（图11）。

11 辅助空间保温性能的提升

4.2 隔热导风的布局模式选择与优化策略

夏热冬暖地区长夏无冬，温高湿重，太阳高度角大且辐射强烈，辅助空间对气候的调节体现为抵御不利朝向的太阳辐射对主体热环境影响（图12）。

（1）对于平面类型及布局模式的选取，宜优先选用短板式东西两向布局模式，若选用板式平面类型，优先选择北廊东西向布局模式。当辅助空间无法满足整边布局时，可结合灰空间在东西向形成完整缓冲界面，灰空间的置入一方面丰富了边界空间形态，另一方面保证主体空间在南北向的贯通，利于室内通风（图13）。

（2）在上述基础上，还可进一步提高辅助空间的热交换速率和隔热性能。辅助空间的东西外界面宜选用实墙，同时可在南北侧设置通风口或导风装置，加强辅助空间在夏季的通风，带走室内多余热量。此外，辅助空间的东西外界面还可结合垂直绿化，通过植物的蒸腾作用减少围护结构的得热，进一步降低室内温度（图14）。

12 隔热导风设计要点

13 隔热导风平面类型及布局模式选择

14 辅助空间隔热性能的提升

4.3 保温隔热兼顾型的布局模式选择与优化策略

夏热冬冷地区除了要考虑夏季隔热外，还要兼顾冬季保温的问题。因此，辅助空间对气候的调节较为复杂，既需要抵御冬季北向冷风侵袭，又需要抵御夏季西向的太阳辐射（图15）。

（1）对于平面类型及布局模式的选取，可优先选择短板式平面东西向布局，也可选用板式北廊东西向布局模式。在设计中，建筑师可以结合这两种布局模式的特点灵活处理，将辅助空间置于西、北侧，提高保温性能和隔热性能（图16）。

（2）辅助空间的东西外界面应控制开窗面积，可结合垂直绿化或遮阳设施进一步降低太阳辐射的影响（图17）。而对于北向布局的辅助空间，其界面可选择保温性能较好的实墙，设计策略同寒冷地区。

15 保温隔热兼顾的设计要点

16 保温隔热兼顾平面类型及布局模式选择

17 辅助空间缓冲性能综合提升

5 结语

本文通过计算模拟，分析了寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖三个气候区辅助空间热缓冲效应与辅助空间布局模式的关联，并通过数据得出适应于不同气候区的最优布局模式，系统地归纳出我国大量性普通办公建筑辅助空间优化布局的技术策略和措施，为建筑师前期方案设计提供一定的参考。现如今，能耗问题是关乎人类生存的大问题，是设计中不可回避的基本要素，过往人们只能依靠漫长的经验积累来改进节能设计方法，而计算机模拟技术大大缩短了这一进程，它可以给出精确的数据支撑，有利于推动相应的设计落地。然而本文的研究仅仅是初探，后续将在此研究的基础上进行更为深入的探索，并期望能够结合一定的工程实践将本文的研究进行试验，将实测数据与计算机模拟进行分析比对与总结，从而得出更加深入的设计策略。

图表来源

图1～17、表1～3 均为作者自绘。

注释

1 在中国，除严寒和寒冷地区外，学校、住宅、办公等大量性建筑均非全设备调控建筑，除使用房间外，门厅、走廊、楼梯、卫生间等空间完全依赖自然气候调节。即使是使用房间，人们也经常通过增减衣物、起身活动、开窗通风、减少开灯等方式尽可能减少设备运行，甚至一些空间（如报告厅、地下室等）虽然安装机械通风，但人们却为节约电费几乎不愿开启。这种运行能耗模式属于“部分时间+部分空间”，其能耗远远低于“全时间运行+全部空间”的运行模式。

2 通过Ecotect 软件对三个气候区进行环境分析，依据辐射时间和辐射量计算得出各气候区的建筑适宜朝向和最佳朝向。适宜朝向的选取原则是考虑冬季得到较多的太阳辐射，夏季得到较少的太阳辐射，二者进行权衡折中得出的一个可取范围，寒冷地区为南偏东45°～南偏西30°，夏热冬冷地区为南偏东30°～南偏西30°，夏热冬暖地区为南偏东30°～南偏西30°。

3 大量性普通办公建筑是指有基本的功能构成，包括办公业务用房、公共用房、服务用房以及附属设施。包括商务办公、总部办公以及政务办公，而具有全空调模式的高档办公不做讨论，公寓式办公兼具居住功能，不具有普适性，这里也不做讨论。

4 一般100m 以下的高层办公建筑的标准层面积在1 200～2 000m2之间，使用系数在70%～80% 之间，调研资料统计数据表明，辅助空间面积通常占比25% 左右。为充分考虑总体使用面积和楼层数的平衡性，确保标准层的使用效率，将标准层面积设置为1 300m2，考虑结构设备等影响确定4m 为适宜高度。