能耗导控下的上海社区体育训练馆空间设计探究

■ 秦 雯 QIN Wen 史泽道 SHI Zedao 钱 锋 QIAN Feng

0 引言

据2023 年4 月份清华大学发布的《中国建筑节能年度发展研究报告2023（城市能源系统专题）》[1]统计，全国公共建筑总面积占比约为20%，而能耗占比却居于高位，公建能耗已经成为中国建筑能耗中比例最大的部分。其中，体育场馆因其大空间属性又成为公建中的能耗大户[2]。特别对于上海等夏热冬冷地区，夏冬季采暖制冷能耗占据全年绝大部分的空间设计，容易造成巨大的能耗浪费。

另一方面，随着全民健身政策的推动和大众体育的普及，体育场馆逐渐走向社区化[3]。为构建完整的社区服务设施网络，上海市近年来不断完善住宅社区居民的生活配套设施，以社区体育馆为核心建造的体育配套设施为居民的日常体育锻炼提供了便捷的场所。社区型体育训练馆空间简单、布局灵活、实用高效，可以十分自然地楔入城市生活。相比竞技类体育场馆，社区体育训练馆的服务人群是社区居民，用于居民的日常体育锻炼和举办中小型的社区体育比赛，通常不设看台，场地具备多功能转换的特点。在体量布局方面，考虑到经济性，社区体育训练馆通常体量不大，以中小型多功能体育运动场地为核心组织空间，既可以单一大空间的体量形式存在，如上海青浦区体育文化活动中心（图1），又可与其他功能类型的空间叠加组合，形成层叠式综合体的体量形式，如成都三瓦窑社区体育设施（图2）。

图1 上海青浦区体育文化活动中心

图2 成都三瓦窑社区体育设施

社区型体育训练馆要实现可持续性的运营，除了通过高效的业态布局获得良好的租金收入，在运营成本方面的降本增效也至关重要。结合社区体育训练馆本身在空间设计方面的灵活性特点，通过被动式节能设计来降低场馆能耗，减少场馆的运营成本是促进社区型体育训练馆实现可持续性发展的重要一环。

1 能耗导控下的社区体育训练馆设计

1.1 方案设计阶段介入的能耗导控策略

体育建筑的节能设计主要涵盖空间设计、材料构造、结构设备选型及智能化控制等方面。在目前已完工的体育建筑项目中，大多采用“后处理”的节能设计方式，即项目完工后，采取一定的节能补救举措以降低项目的能耗值，这显然并未展现出被动式策略的真正意义。优化建筑选材或围护结构构造的做法是降低体育建筑能耗的有效方法[4]，但初始投资成本相对较高，在若干年后才能获得节能投资带来的收益，导致此类节能措施在实际应用中面临一定的困难和质疑。因此，以建筑师为主导，在建筑方案设计阶段介入的能耗导控策略，在实际应用中更具现实价值。合理的朝向、形态、尺度和窗墙比不仅与建筑设计方案密不可分，而且与建筑单体的能耗息息相关。

1.2 社区体育训练馆设计的能耗敏感性参数

建筑朝向会影响立面接收的太阳辐射得热，是重要的能耗设计参数；但在实际项目的建筑朝向布置中，由于大空间占地面积大，场地条件的制约对朝向的布置起决定性作用。另外，形态参数与建筑的体形系数相关，不同形态对能耗会产生影响；但同样地，形态一般由建筑平面与造型决定，并且同时受到城市环境要素的影响。相比较而言，空间高度和窗墙比在实际项目中受其他条件限制相对较小，在一定范围内具备能耗优化的现实条件。根据相关研究[5]，体育建筑窗墙比与空间高度这两个设计参数的全年总能耗负荷影响权重占整体的比重最大，在所有常见的空间设计参数中具有最高的能耗敏感性，体现了这二者较高的节能潜力，应在节能设计中予以精细化控制。因此，选取空间高度和窗墙比这对空间设计参数作为能耗模拟的研究对象，具备理论与现实的双重意义。

2 社区体育训练馆的能耗模拟实验预设

2.1 能耗模拟实验设计

同济大学许鹏教授为第一届“能耗侦探”建筑能耗预测竞赛作总结发言时提到：“在目前行业水平下，利用白箱模型进行的能耗预测准确性约为30%。”能耗模拟的前期工作在很大程度上决定了最终成果的准确性。因此，对模拟对象的特征分析是本次实验模拟的关键。

本文实验模拟的目的是探究体育训练馆空间高度和窗墙比参数与能耗的关系，在变量的合理取值范围内，通过数值模拟分析上述两个设计参数对能耗变化产生的影响。在模拟软件的选取方面，基于Grasshopper 平台的Ladybug Tools 可以实现参数化建模与性能化模拟的同环境运行，以较好地满足本次研究目的。

2.2 自变量参数取值范围的设定

2.2.1 空间高度范围设定

体育训练馆的空间高度要满足一般性球类运动的需求。国际赛场上对各类球类运动的净高都有明确要求，但体育训练馆主要考虑日常健身运动，因此可酌情统筹考虑，适当进行调整。一般情况下，羽毛球和排球场净高要求至少为9 m，篮球场净高要求至少为7 m，考虑到体育训练场地的多功能转换，选择9 m 的下限值即可满足一般性的球类运动要求；另外从经济性的角度出发，空间净高一般不超过15 m。因此，可将体育训练馆空间高度设定为9～14 m 的区间，取值间隔为0.5 m。

2.2.2 窗墙比范围设定

窗墙比涉及到体育训练馆的开窗方式。对于体育运动室内采光，除了要满足最低的采光系数要求，眩光是需要重点考虑的因素。普通侧窗不仅会导致眩光，也不利于训练场馆篮球架的壁挂和墙体吸声材料的布置。因此，人眼高度范围内的侧窗不适用于体育建筑，高侧窗和天窗才是体育建筑中更常见的开窗方式。例如：努纳瓦丁社区中心体育馆采用锯齿形天窗采光，自然光通过天窗斜面反射再进入室内，既避免了眩光的影响，又解放了侧界面，方便室内墙面布置篮球架（图3）；奥斯卡·尼迈耶运动文化中心采用高侧窗作为开窗方式，为室内争取了均匀的自然采光，一定高度的墙面又可以满足球类运动设施的贴墙布置（图4）。

图3 努纳瓦丁社区中心体育馆

图4 奥斯卡·尼迈耶运动文化中心

为了排除开窗形式对实验结果的影响，考虑到天窗形式丰富，且不同的形式对能耗的影响较大，而高侧窗形式相对单一，因此选取高侧窗作为本次模拟窗墙比参数的采光形式。高侧窗窗墙比取值最低要求应满足《建筑采光设计规范》（GB 50033—2013）[6]规定的“采光系数≥2%”。通过预实验研究，采用基于Ladybug Tools 的Radiance 计 算采光系数，得出高侧窗窗墙比最低限值为0.11。窗墙比的上限值应满足《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015—2021）[7]中对夏热冬冷地区公共建筑窗墙比的规定，即窗墙比≤0.20。因此，将窗墙比的取值范围设定为0.11～0.20，取值间隔为0.01。

2.3 能耗模型搭建

根据相关研究[8]，以上海市为代表的夏热冬冷地区社区型体育训练场多以中小型尺度居多，且运动场地可实现多功能的转换以提高使用效率。结合相关分析，本次模拟采用44 m×25 m 作为模型平面尺寸，布置8 张乒乓球桌的同时，还可布置1片篮球场地、2 片排球场地或者6 片羽毛球场地，并且满足出入口的交通空间，实现高效利用。模型的朝向沿南北向（长轴）布置；高侧窗环绕4个立面布置，且每个立面的窗墙比保持一致；所有高侧窗设置为可开启的自然通风窗，开启比例为0.5。为了聚焦于大空间的设计参数，避免大小空间组合方式带来的实验影响[9]，能耗模型中的room 输入仅为单一大空间，且room 设定为空气调节房间；空间高度和窗墙比两个离散型变量则通 过Grasshopper 的slider 进 行 输入。依据上海市所属的夏热冬冷地区，选取文献[7]中的各类热工参数进行模型设置（表1）。

表1 热工参数设置表

至此，实验研究的前期模型及参数预设已全部完成。

3 实验结果分析及设计策略总结

3.1 全年能耗分布

基于Energy Plus 能耗模拟输出的4 个数据分别为全年采暖能耗密度、制冷能耗密度、照明能耗密度和电器设备能耗密度。其中，不同空间高度和窗墙比取值组合的全年能耗数据可转化为如表2 所示的矩阵表。

表2 不同空间高度、窗墙比不同组合下的全年总能耗密度表

从表2 中选取3 组窗墙比和空间高度参数分布均匀的组合，即窗墙比0.11 与空间高度13.5 m、窗墙比0.15 与空间高度11.5 m、窗墙比0.20 与空间高度10 m，分别绘制全年能耗数据柱状图（图5～7）。从图中可以看出：夏热冬冷地区体育训练馆的能耗主要集中在夏冬两季，且制冷能耗最高，采暖能耗次之；3 组的采暖制冷能耗占比分别为76.4%、76.1%、75.9%，且制冷能耗均在8月份达到最高值。总体而言，采暖与制冷能耗占全年能耗的70%以上，照明能耗与电器设备能耗则比重较小，且全年浮动较小。

图5 窗墙比0.11 与空间高度13.5 m 组合的全年能耗分布

图6 窗墙比0.15 与空间高度11.5 m 组合的全年能耗分布

图7 窗墙比0.20 与空间高度10 m 组合的全年能耗分布

3.2 单一设计参数与能耗的相关性分析

为进一步探究窗墙比和空间高度参数与采暖制冷能耗的关系，在空间高度和窗墙比两种参数中分别抽取3个代表组合，即在其中一个设计参数确定的情况下，研究另一个参数与能耗的关系。数值模拟的统计结果以点线图方式表达。

3.2.1 相同空间高度条件下窗墙比与能耗相关性

选取3 种空间高度（10、11.5、13.5 m），研究窗墙比与能耗的关系（图8～10）。整体上，窗墙比与能耗呈现线性正相关趋势，即窗墙比增加，能耗值也随之增加。其中：制冷能耗极差较大，增长趋势明显高于采暖能耗；而采暖能耗极差小，变化平缓。

图8 10 m 空间高度条件下窗墙比与能耗相关性点线图

图10 13.5 m 空间高度条件下窗墙比与能耗相关性点线图

随着窗墙比增加，再横向对比不同高度水平所带来的影响：10 m 空间高度条件下，总能耗的平均增长率为0.7%；11.5 m 空间高度条件下，总能耗的平均增长率为1.4%；13.5 m 空间高度条件下，总能耗的平均增长率为1.7%。由此可知，空间高度的增加会导致能耗增长率随窗墙比的增加进一步提升。

3.2.2 相同窗墙比条件下空间高度与能耗相关性

选取3 种窗墙比（0.11、0.15、0.20），研究空间高度与能耗的关系（图11～13）。整体上，空间高度与能耗呈现非线性的正相关趋势，即能耗变化随高度的增加出现了不稳定的增长趋势；且制冷能耗的增长趋势依然高于采暖能耗。

图11 0.11 窗墙比条件下高度与能耗相关性点线图

图12 0.15 窗墙比条件下高度与能耗相关性点线图

图13 0.20 窗墙比条件下高度与能耗相关性点线图

随着空间高度的增加，再横向对比不同窗墙比水平所带来的影响：0.11 窗墙比条件下，总能耗的平均增长率为1.7%；0.15 窗墙比条件下，总能耗的平均增长率为1.8%；0.20窗墙比条件下，总能耗的平均增长率为2.6%。由此可知，窗墙比的增加同样也会导致能耗增长率随空间高度的增加进一步提升。

3.3 二元设计参数与能耗的整体相关性分析

若要将空间高度与窗墙比两个参数和能耗的关系从整体上表现出来，绘制三维网格曲面图可以更加直观得到二元自变量与因变量的变化关系。以x轴代表窗墙比、y轴代表空间高度、z轴代表全年的能耗密度，在空间中建立xyz三维坐标系；并以不同颜色表示能耗密度值，形成具有三维属性的网格曲面（图14）。

图14 窗墙比、空间高度与能耗关系的三维网格曲面图

从图14 可以看出，沿窗墙比最小值到空间高度最大值的对角线方向是颜色变化的梯度方向，可将其在xy平面投影的方向向量定义为向量V。可以看出，向量V体现了能耗从低到高变化的方向。这说明整体而言，空间高度越低，窗墙比越小，则能耗越低；反之亦然。

更深入地，通过观察三维网格曲面的倾斜度发现，当曲面的倾斜度沿着V方向越来越大，曲面变得越来越陡，且曲面在中部有沿V方向凹陷的趋势。这说明随着空间高度和窗墙比的同时增加，能耗不仅增长更多，而且增长速度加快；反之亦然。

3.4 能耗导控下的设计策略总结

通过上述分析可知，降低高度或者窗墙比都可以有效降低全年总能耗。从全年总能耗的角度出发，对于44 m×25 m 平面尺寸的体育训练馆，在满足基本采光条件和热工条件下，采用9 m 高度和0.11 的窗墙比可获得最低能耗。在实际应用中，两个设计参数可以组合调控。相比维持一个参数在较高水平而大幅降低另一个参数，两者一起适当降低的节能效果更明显。

无论是采暖能耗还是制冷能耗，空间高度的显著增加（增量大于1 m）都会带来能耗的不稳定性增长，空间高度每增加1 m，能耗平均增长约4.1%。因此，在满足球类场地最低净空要求前提下，应尽量降低空间高度。

对于采暖能耗，窗墙比的改变对能耗影响很小，即能耗随窗墙比增加而缓慢增加；而对于制冷能耗，窗墙比的改变对能耗影响很大，即能耗随窗墙比增加而显著增加。因此，设计时可以采用活动式遮阳，在采暖期适当提高窗墙比，让室内获得充足采光；在制冷期严格控制窗墙比，使其维持在较低水平以提升建筑能效。

4 结语

体育建筑融入社区的过程不仅仅是建筑的形式、空间和功能与社区环境的适配，更是在建成后更长的时间维度里与社区健康发展的同步协调。虽然精细化的能耗导控在实施过程中依旧面临着诸多挑战，如能耗预测的准度、实际运营的现实复杂性等，但随着社会经济技术的发展，技术问题会得到不断突破和解决，能耗导控下的精细化设计必然会实现更大的社区价值，社区体育训练馆也将为社区居民提供更高品质的运动体验。