严寒地区居住建筑低能耗共享空间布局分析

■ 谢伊萌 XIE Yimeng 巩玉发 GONG Yufa 肖木峰 XIAO Mufeng

0 引言

城市化的快速发展导致能源过度消耗、气候环境逐渐恶化、资源日趋匮乏。2020 年，我国建筑总能耗几乎占据了全国能源消费总量的35%[1]，且整体趋势持续上涨；而在温室气体排放总量中，建筑用于制冷和采暖的碳排放量占据了一半[2]。相关报告显示，“2000—2017 年，全国建筑能源消费总量呈现持续增长趋势，从2000 年的2.88 亿tce，增长到2017年的9.47 亿tce，增长了约3.2 倍，年均增长7.25%”[3]。建筑能耗的持续增长将严重制约我国碳达峰、碳中和“双碳”战略目标的实现，亟需贯彻绿色发展理念，健全相关体系，以加快建筑的绿色可持续发展建设。

1 居住建筑能耗及其节能分区现状

建筑运行阶段能耗主要由公共建筑能耗、城镇居住建筑能耗、农村居住建筑能耗构成。据统计，2018 年全国建筑存量面积为674 亿m2，建筑运行阶段能耗为10 亿tce，占全国能源消费总量的21.7%。其中，公共建筑面积129 亿m2，建筑能耗3.83 亿tce，占建筑运行阶段能耗的38.3%；城镇居住建筑面积约307 亿m2，建 筑 能 耗3.8 亿tce，占建筑运行阶段能耗的38%；农村居住建筑面积238 亿m2，建筑能耗2.37 亿tce，占建筑运行阶段能耗的23.7%[4]。可见居住类建筑能耗占建筑总能耗的比重较大。

城市的规划与建筑的设计都需考虑当地气候状况影响，在国内建筑标准体系下，常以《建筑气候区划标准》（GB 50178—1993）和《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—1993）两本规范作为参考。前者按照温度、湿度及降水指标划分一级气候区，再根据地表及风速特征划分二级气候区[5]；后者则从热工角度进行划分。虽然两者是从不同角度对气候区划进行划分，但整体来看，主要分区指标是一致的。在2013 年，中国建筑科学院借鉴美国ASHRAE 标准，以《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—1993）为基础，加入气候、行政区划分等因素进行细化和调整。这样的细化和调整为不同气候区域的建筑节能设计提供了更加具有针对性的指导[6]。因此，从建筑热工设计来看，相对于其他地区，严寒地区在建筑设计要求上也会比较严格和复杂。

2 居住建筑中的共享空间

“共享空间”一词源于“中庭”。被誉为“中庭之父”的美国建筑师约翰·波特曼（John Portman）开创了垂直中庭设计的先河，使之成为一种流行的空间设计趋势，广泛应用于商业、酒店和办公等大型公共建筑中。随着公共建筑功能的复合化发展，中庭空间类型也越来越多样化，仅以“中庭”一词称之具有局限性，于是提出“共享空间”（sharing space），用以全面形容此类空间。

共享空间是公众共同使用的空间，通常指具有两层及以上通高的室内公共空间。从功能角度，共享空间是人员流通及娱乐休憩的场所，具有可识别性、信息性、领域性等3 种特征，兼具交通和交往等功能；从精神角度，共享空间是人类身在建筑内部空间与自然环境沟通的桥梁[7]。因此，共享空间设计既是基于人性化、灵活化的设计语言，也是将“外部环境、建筑主体、人”三者联系起来的媒介。其兼具物质和精神两个层面的作用，可解决城市现有居住模式中缺乏邻里互动的问题，引发了共享空间应用于居住建筑的思考。由于共享空间常使用通透材质，热阻较小，容易受外界气候的影响而产生大量能耗，因此在居住建筑共享空间的设计中，不可盲目跟风，应努力挖掘其潜在的特性，探索合适的设计方案。

3 严寒地区建筑共享空间的能耗特征

自然通风依靠室外风力造成的风压和室内外空气温差造成的热压，促使空气流动，完成建筑室内外空气交换[8]，是一种常用的建筑节能方法。然而，严寒地区因其冬季漫长而严寒、夏季短暂而温暖的气候特点，真正适合自然通风的时期较短，且自然通风中风压作用受风速、风向等外部因素影响，实际上人为很难控制。因此在现阶段，对于严寒地区共享空间的设计，一般不会考虑风压作用因素[9]，而主要考虑形成热压通风的情况；导致在建筑设计中无法较好并广泛地利用自然通风，致使现实中共享空间的通风系统能耗占比偏高[10]。

4 低能耗理念下共享空间布局分析

4.1 共享空间布局对建筑能耗的影响

共享空间在不同地区、不同季节会呈现不同的适应需求，特别是严寒地区，差异尤为明显。一般在夏季，共享空间需要有足够的遮阳和通风，以避免过热；而在冬季，需要加强采光和保暖措施。因此，共享空间的布局会对光、热、风等环境因素产生影响。为提高建筑能效，设计时必须综合考虑各个因素，对共享空间进行合理布局。

（1）严寒地区冬季严寒而漫长，往往建筑采暖能耗较高[11]。如果从建筑设计初期开始考虑热环境因素问题，应该能够降低很多能耗。

（2）对于进深较大的建筑，可以利用其内部共享空间来获得更多的自然采光：通过共享空间将自然光线引入到建筑的内部，再结合一些细部设计和室内设计，合理利用光线，使自然采光达到最佳效果，减少照明能耗。

（3）共享空间对风环境也会造成影响。其作为建筑内外环境之间的媒介，会形成一定条件下的热压通风，从而产生正向效应。但不同的布局方式会影响共享空间的通风能力，当共享空间的高宽比较大，且与外界主导风向形成了适宜的风压通风时，风压通风就会与热压通风结合，形成一种更加有效的通风模式。

4.2 共享空间基本类型

共享空间主要分为嵌入式、贯通式、核心式、并置式、外包式等5 种基本类型（图1），其中：贯通式常应用于商业属性较强的建筑；并置式和外包式更适用于和周边环境互动、交互频率较高的大型建筑；嵌入式与核心式则应用广泛，常见的建筑类型中基本都有采用。

图1 共享空间的基本布局类型

4.3 整体布局下5 种基本类型共享空间能耗模拟

过去由于技术匮乏，建筑节能设计主要依靠建筑师的实践经验，在计算上存在局限性。随着BIM 技术广泛应用与发展，应用Ecotect Analysis（生态建筑大师）软件进行模拟分析，可弥补其不足。

4.3.1 模型构建

构建建筑标准模型，其标准层基底面积为2 500 m2（50 m×50 m）。在其中构建共享空间理想模型，要求符合当下前景并具有广泛使用性，面积占比适中，且不同类型的共享空间具有相同的底面积、垂直高度和材料。根据相关资料，一般单层的共享空间面积占同一楼层平面面积的15%左右。考虑到资料和数据上的取整方便，设置共享空间面积为20 m×20 m，占模型标准层平面面积的16%。作为理想模型模拟，旨在研究空间布局设计上的能耗影响，故对材料简单分为玻璃材质和混凝土材质，不考虑构件和细部及额外自然采光；另外，核心式共享空间的开窗设置在顶部，且采用百分百的开窗形式。

4.3.2 模拟分析

运用Ecotect Analysis 软件，输入严寒地区天气数据信息，并设置建筑人员的工作状态、活动时期等条件，分析不同类型共享空间对建筑的影响。

由图2 可以看出：对于共享空间基本类型，能耗最高的是贯通式，而嵌入式、核心式、并置式、外包式的能耗相差不大。但这是基于共享空间不增设其他自然采光，以天窗形式取得采光照明而得出的能耗结果，在建筑设计中并不广泛，只能为创新和处理独特的空间提供一定参考。为了获得更具有普适性的结果，对上述共享空间基本进行改进，增加侧面采光。此方案下，严寒地区的共享空间布局能耗情况由高到低依次为：外包式、并置式、贯通式、嵌入式、核心式（图3）。

图2 5 种基本类型共享空间能耗情况

图3 增加侧面采光的5 种共享空间基本类型能耗情况

4.4 室内布局对共享空间的能耗影响

4.4.1 理想化模型构建

不同的室内布局会对空间室内环境产生影响。设计3 种不同的室内布局模式，分别为开放式、半开放式、封闭式，进行能耗模拟。结合共享空间的5 种基本类型，共构建15 个理想化模型。其中：封闭式室内布局模式中，四周全部采用玻璃界面进行分隔；半开放式室内布局模式中，设有2.8 m 宽的走廊，且与共享空间衔接面的一侧设置1.5 m 高的栏板；开放式室内布局中，亦设有1.5 m 高栏板，且不采用任何隔断，其自然采光界面完全由共享空间界面提供。

4.4.2 模拟分析

将模型导入Ecotect Analysis 软件并输入严寒地区气候数据，可得到如图4 所示能耗模拟结果。分析可知：开放式室内布局的总能耗最低。这是因为开放式室内界面没有实体隔断，获取自然采光相对容易，故其照明能耗低于其他两种模式，相应减少能耗。但是在开放式类型室内界面，共享空间与周围环境之间能量的交换较强且比较均匀，可考虑使用落地栏板等构件来防止冷气从上至下流动，以进一步减少能耗。

表1 理想化模型

图4 不同室内布局方式能耗情况

5 案例应用

上述模拟结果只是基于一种理想化模型，需进一步结合实际应用进行验证。选取严寒地区某公寓楼为对象，进行不同布局模式的模拟。该公寓楼为框架结构，共享空间为半开放并置式布局，有侧面采光。其建筑基底面积为993.26 m2，总建筑面积4 739.25 m2；建筑层数为5 层，高15.8 m。由于公寓楼为居住使用的建筑空间，共享空间受使用功能和建筑形态限制，不适宜采用贯通式和外包式；而核心式虽常见于大多数建筑类型，也有应用于住宅类建筑，但是考虑到建筑空间的使用率，此处并不适用。综合考虑下，选择开放嵌入式布局方案进行改造。采用Ecotect Analysis 软件对两种布局模式进行模拟分析，构建的标准层平面尺寸为13 m×8.5 m，层数为5 层，且两种共享空间的体积、高度不变，即除共享空间布局不同外，其他模拟条件一致（图5）。

图5 某公寓楼标准层两种共享空间布局模型

由图6 可以看出，共享空间改为开放嵌入式布局后，其建筑能耗明显少于半开放并置式布局。因此，从低能耗设计的理念出发，公寓楼更适合选择开放嵌入式共享空间。

图6 两种共享空间布局模式能耗比较

6 结语

综上所述，本文通过Ecotect Analysis 软件构建理想化模型，模拟和分析严寒地区居住建筑低能耗共享空间的不同布局类型，得出开放式布局总能耗最低的结论。进一步结合实例应用，在综合考虑节能和居住建筑属性的情况下，开放嵌入式布局更适合于严寒地区的居住建筑。这与理想化模型的测算结果基本一致，说明模型的构建模拟是有效的。在实际项目中，如果出现一定条件约束下不能直接改变建筑布局的情况，也可以其中较特殊的建筑造型为切入点，通过控制建筑材料的种类、侧面的开窗形式等进行节能设计。由于本研究主要针对建筑前期的设计，具有一定局限性；未来可以进一步围绕嵌入式类型展开更加深入的研究，为使用者提供更加经济适用的建筑空间。