方形平面辦公建筑功能空間布局對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響與設(shè)計(jì)策略＊

賀秋時(shí) 張悅 黃獻(xiàn)明 袁朵 程曉喜 宋修教

1 研究背景

在環(huán)境污染和能源危機(jī)的背景下，建筑設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)保、節(jié)能和健康的重視程度越來(lái)越高，被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)是比建筑設(shè)備更有效的策略。2018 年，中國(guó)公共建筑面積占建筑總量的21.3%，而公共建筑能耗達(dá)是建筑能耗總量的33.2%，其中辦公類(lèi)建筑占比最大，其被動(dòng)式設(shè)計(jì)具有重要意義。被動(dòng)式設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足部分時(shí)間的環(huán)境要求，適宜的策略可以提高室內(nèi)環(huán)境滿(mǎn)足率，減少主動(dòng)式設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和能耗。

從建筑設(shè)計(jì)的角度，被動(dòng)式策略通過(guò)合理設(shè)計(jì)建筑場(chǎng)地、布局和形體來(lái)適應(yīng)氣候，兼顧能耗和舒適的平衡。建筑的氣候適應(yīng)性包含氣候、建筑、人之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，功能布局與人的行為模式和建筑形體密切相關(guān)，自然室內(nèi)環(huán)境和人員使用模式共同影響實(shí)際的運(yùn)行能耗。已有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化室內(nèi)人員工作位置，可以降低5%～6%的照明能耗，且不同的住宅平面布局可能導(dǎo)致17%～35%的熱性能差異。在建筑形體確定的情況下，室內(nèi)空間的朝向、開(kāi)窗通風(fēng)、空間功能等方面的差異，會(huì)帶來(lái)不同的室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。各功能空間對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的要求也存在差異，衛(wèi)生間、走廊等輔助空間要求較低，辦公室等人員長(zhǎng)期停留的空間要求較高，高性能辦公室則提出了更高的要求，例如研究辦公室可以接受比行政辦公室更高的溫度。因此，功能空間布局需要綜合考慮環(huán)境條件和使用需求，二者的匹配是提高建筑氣候適應(yīng)性的關(guān)鍵。

本研究從建筑師的角度考慮同一平面布局上不同位置的空間熱環(huán)境特征，通過(guò)合理的功能空間需求精細(xì)化匹配，達(dá)到更高的自然室溫舒適滿(mǎn)足率，并減少設(shè)備調(diào)節(jié)能耗。在建筑形體空間、立面窗墻比確定的情況下，調(diào)整內(nèi)部功能空間布局，改變不同功能和高、中、低性能要求空間的位置，模擬計(jì)算在不使用供冷、供暖設(shè)備情況下的室內(nèi)自然溫度，定量分析不同功能空間布局下的室內(nèi)溫度滿(mǎn)足率，并總結(jié)設(shè)計(jì)和優(yōu)化策略。

2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究綜述

針對(duì)輔助空間在建筑平面上的不同位置布局，已有學(xué)者通過(guò)模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)等方法定量分析其對(duì)建筑熱環(huán)境和能耗的影響。趙惠惠等總結(jié)了4類(lèi)典型平面的18種布局模式，模擬發(fā)現(xiàn)短板式布局的能耗在不同氣候區(qū)降低了6.5%～14.8%，其他布局的能耗差異不超過(guò)5.1%。劉利剛等歸納了6類(lèi)8種典型高層辦公建筑平面，能耗最高的布局比最低的布局平均高約15%。田一辛等發(fā)現(xiàn)寒冷地區(qū)辦公樓輔助空間位于中央能耗最高，南向次之，西向最低，能耗差達(dá)到2kW·h/m。何成等隨機(jī)抽樣分析了武漢典型多層內(nèi)廊式辦公建筑的200種功能布局，能耗最高值比最低值多2.41%。Tiantian Du等根據(jù)荷蘭一辦公建筑提出11種平面功能布局，發(fā)現(xiàn)對(duì)冷熱負(fù)荷的影響在10%左右，而對(duì)采光能耗的影響可達(dá)65%，總能耗的最高值比最低值高19%。對(duì)于高、中、低性能空間的布局策略，韓冬青等認(rèn)為普通性能空間占比高，應(yīng)布置在利于氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的位置，而對(duì)性能要求低的空間，宜布置在朝向或位置不佳的區(qū)域。

以上研究表明，在功能空間室內(nèi)溫度設(shè)定值固定的情況下，為降低控制目標(biāo)所消耗的能耗，應(yīng)將該輔助空間（非用能空間）布置在自然熱環(huán)境條件相對(duì)不利的位置和朝向，從而降低功能空間（用能空間）為消除設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的溫差而產(chǎn)生的冷熱負(fù)荷。由于輔助空間對(duì)開(kāi)窗面積要求較低，布置在西側(cè)可以減少太陽(yáng)輻射得熱，布置在北側(cè)可以減少熱量散失，起到緩沖作用，從而改善室內(nèi)熱環(huán)境。

但由于功能空間和輔助空間的能耗差異較大，現(xiàn)有研究主要探究了輔助空間位置對(duì)能耗的影響，并沒(méi)有體現(xiàn)出對(duì)功能空間統(tǒng)一設(shè)定控制溫度的使用差異。針對(duì)不同的空間類(lèi)型與人員行為模式，在設(shè)備熱擾和溫度控制需求等方面缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)。因此，本研究進(jìn)一步細(xì)化不同功能空間的人員活動(dòng)和行為模式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，并參考舒適度等級(jí)分析不同室溫需求對(duì)整體滿(mǎn)足率的影響，通過(guò)性能模擬定量計(jì)算，總結(jié)平面布局的熱適應(yīng)設(shè)計(jì)策略。

3 研究方法

3.1 平面功能布局設(shè)計(jì)

本研究以北京地區(qū)方形布局的高層辦公建筑典型標(biāo)準(zhǔn)層平面為研究對(duì)象。方形布局共計(jì)30個(gè)空間單元（包括輔助空間和走廊），核心筒及輔助空間布置于中央，四周布置辦公室、會(huì)議室等功能房間，其中南向8間、北向8間、東西向各4間（共8間）。建筑立面開(kāi)窗形式為水平長(zhǎng)窗，窗臺(tái)高1.2m，窗高2.1m，有效通風(fēng)面積比4%。

在空間功能類(lèi)型上，包含低性能、普通和高性能三類(lèi)。低性能空間包括走廊、交通核、衛(wèi)生間等非用能房間，位置固定不變；普通空間包括會(huì)議室、辦公室；高性能空間僅包含高性能辦公室，它與普通辦公室熱擾相同，但溫度控制要求更加嚴(yán)格，因此二者在模擬參數(shù)設(shè)置上一致，僅在結(jié)果分析時(shí)加以區(qū)分。本研究討論會(huì)議室集中布置在北側(cè)、南側(cè)和東西側(cè)的三種布局（圖1）。

3.2 室內(nèi)自然溫度模擬條件設(shè)置及評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究選用建筑環(huán)境全年模擬計(jì)算軟件DeST-c進(jìn)行無(wú)主動(dòng)式設(shè)備調(diào)節(jié)的自然室溫模擬實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）設(shè)定外墻、屋頂、外窗傳熱系數(shù)分別為0.538、0.438、2.000，外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)0.435。參考《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 449-2018）設(shè)定室內(nèi)熱擾和人員作息參數(shù)如表1。房間與外界通風(fēng)設(shè)定為夏季夜間通風(fēng)，即將一年中第23周（6月初）到第38周（9月中）20:00～7:00（次日）的換氣次數(shù)設(shè)定為5次/h，其余為0.5次/h；房間互通風(fēng)考慮到辦公建筑的開(kāi)門(mén)時(shí)間，將星期一到星期五9:00～18:00的換氣次數(shù)設(shè)定為5次/h，其余時(shí)段0.5次/h。

在評(píng)價(jià)指標(biāo)上，參考《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50736-2012）對(duì)長(zhǎng)期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求，逐時(shí)統(tǒng)計(jì)自然室溫在過(guò)渡季和夏季的滿(mǎn)足情況。對(duì)于普通辦公室和會(huì)議室，參考II級(jí)熱舒適等級(jí)需求，夏季高于28℃為過(guò)熱，冬季低于18℃為過(guò)冷；對(duì)于高性能辦公室，參考I級(jí)熱舒適等級(jí)需求，夏季高于26℃為過(guò)熱，冬季低于22℃為過(guò)冷。以標(biāo)準(zhǔn)層室溫舒適滿(mǎn)足小時(shí)數(shù)為定量指標(biāo)，分析不同功能布局方式的熱適應(yīng)性差異。

1 方形平面的三種會(huì)議室布局

表1 房間功能分區(qū)參數(shù)設(shè)置

2 會(huì)議室在不同朝向的室溫情況對(duì)比

4 模擬結(jié)果

4.1 會(huì)議室朝向?qū)ψ匀皇覝胤植嫉挠绊?/h3>

從四個(gè)朝向分別選取典型房間，在三種不同功能布局下，對(duì)比5—6月工作時(shí)段日均溫度的變化曲線(xiàn)。

會(huì)議室布置在北側(cè)時(shí)，北側(cè)房間自然室溫最高，其次是西側(cè)、東側(cè)、南側(cè)，北側(cè)和南側(cè)平均溫差0.8℃；會(huì)議室布置在南側(cè)時(shí)，南側(cè)房間自然室溫最高，其次是西側(cè)、東側(cè)、北側(cè)，南側(cè)和北側(cè)平均溫差0.9℃；會(huì)議室布置在東西兩側(cè)時(shí)，西側(cè)房間自然室溫最高，其次是東側(cè)、南側(cè)、北側(cè)，西側(cè)和北側(cè)平均溫差1℃（圖2）。

當(dāng)房間功能相同且均為辦公室時(shí)，自然室溫從高到低的朝向依次為西、東、南、北。而房間的使用功能，即室內(nèi)發(fā)熱量對(duì)自然室溫的影響更為顯著。會(huì)議室的人員密度和發(fā)熱量更高，不論布置在哪個(gè)朝向都會(huì)成為自然室溫最高的空間，而北向房間受太陽(yáng)輻射得熱影響小，將其布置在北側(cè)能更好地利用室內(nèi)產(chǎn)熱提高室溫，同時(shí)避免過(guò)熱。會(huì)議室北向布局時(shí)整體滿(mǎn)足率最高，各朝向房間的自然室溫差異最小。西向房間由于西曬室溫偏高，不適宜再布置會(huì)議室。

4.2 高性能房間位置對(duì)滿(mǎn)足率的影響

本研究以標(biāo)準(zhǔn)層平面自然室溫滿(mǎn)足總小時(shí)數(shù)及單元數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探究高性能房間的平面位置布局。小時(shí)數(shù)計(jì)算公式為ΣΣI，其中s為各空間單元，h為工作時(shí)段各小時(shí)段，I在滿(mǎn)足溫度范圍時(shí)取1，否則取0。

研究以會(huì)議室北向布局為例，分別探討4間和8間高性能辦公室的布局位置。除北向8間會(huì)議室外，室溫滿(mǎn)足率最低（熱性能最差）的房間位于東南、東北、西南、西北四角，其次是西向的4個(gè)房間，室溫滿(mǎn)足率最高（熱性能最好）的是南向的8間。在4間高性能辦公室的情況下，將其布置在南向時(shí)標(biāo)準(zhǔn)層整體滿(mǎn)足小時(shí)數(shù)最低，為37 851h·單元；布置在四角時(shí)標(biāo)準(zhǔn)層整體滿(mǎn)足小時(shí)數(shù)最高，為38 185h·單元，比最低多334h·單元。在8間高性能辦公室的情況下，將其布置在南向時(shí)標(biāo)準(zhǔn)層整體滿(mǎn)足小時(shí)數(shù)最低，為35 111h·單元；布置在四角及西向時(shí)標(biāo)準(zhǔn)層整體滿(mǎn)足小時(shí)數(shù)最高，為35 569h·單元，比最低多458h·單元（圖3）。

與將性能要求高的房間布置在滿(mǎn)足率最高位置的直覺(jué)不同，高性能房間的溫度舒適范圍更小，在18～22℃以及26～28℃就需要開(kāi)啟主動(dòng)式設(shè)備調(diào)節(jié)溫度，而此溫度為普通辦公室的舒適范圍。因此，高性能房間應(yīng)在此溫度區(qū)間內(nèi)累計(jì)小時(shí)數(shù)最少，即滿(mǎn)足率差異最小，也是本例中滿(mǎn)足率最低的房間。在這種情況下，平面整體滿(mǎn)足率最高，在4間和8間高性能房間的布局下，最高和最低滿(mǎn)足率分別相差0.88%和1.30%。

3 高性能房間的最優(yōu)位置布局

4.3 功能布局朝向?qū)M(mǎn)足率的影響

分別統(tǒng)計(jì)室溫高于28℃、低于18℃、18～28℃之間以及在22～26℃之間的小時(shí)數(shù)及占比，如表2及圖4所示。

從普通性能要求滿(mǎn)足情況（18～28℃）看，會(huì)議室東西向布局滿(mǎn)足率最低，北側(cè)布局滿(mǎn)足率最高，南側(cè)和北側(cè)結(jié)果接近，最高滿(mǎn)足率相對(duì)于最低提高了3.00%；從高性能要求滿(mǎn)足情況（22～26℃）看，會(huì)議室北側(cè)布局滿(mǎn)足率最高，其次是南側(cè)布局，東西側(cè)布局滿(mǎn)足率最低，最高滿(mǎn)足率相對(duì)于最低提高了4.87%；從過(guò)熱情況看，會(huì)議室東西布局過(guò)熱時(shí)段最多，南側(cè)布局過(guò)熱時(shí)段最少，北側(cè)和南側(cè)結(jié)果接近，僅相差8h·單元，最高過(guò)熱比例相對(duì)于最低增加了4.14%。由于統(tǒng)計(jì)的時(shí)間段不包含供暖季，因此三種布局的過(guò)冷情況差距不大，會(huì)議室南側(cè)布局過(guò)冷時(shí)段最多，北側(cè)次之，東西側(cè)最少，南側(cè)僅比東西側(cè)多65h·單元。

為滿(mǎn)足高性能辦公室的室溫要求，會(huì)議室布置在北側(cè)可以獲得最多的全年自然室溫滿(mǎn)足小時(shí)數(shù)，即在保證室內(nèi)熱環(huán)境舒適的前提下，最大程度延長(zhǎng)過(guò)渡季不使用主動(dòng)式供暖或供冷設(shè)備的時(shí)間。對(duì)于普通辦公室，會(huì)議室布置在南側(cè)或北側(cè)差別很小。而不論高性能還是普通辦公室，會(huì)議室東西向布局的自然室溫滿(mǎn)足率都較低，最優(yōu)性能布局相對(duì)于最低性能布局滿(mǎn)意率提升3%～5%。

表2 自然室溫小時(shí)數(shù)分布情況統(tǒng)計(jì)

4 北京4—10 月室溫分布小時(shí)數(shù)占比

5 結(jié)論與設(shè)計(jì)策略

對(duì)于建筑內(nèi)部平面功能布局，不同朝向的房間自然室溫不同，熱性能存在差異。對(duì)北京辦公建筑方形布局的標(biāo)準(zhǔn)層而言，北向房間在過(guò)渡季和夏季的自然室溫更低，滿(mǎn)足率更高，南向次之，東西向最差。不同功能空間的熱擾和溫度需求也存在差異，如會(huì)議室人員密度、發(fā)熱量均大于辦公室。通過(guò)調(diào)整不同功能空間的位置排布，可以更好地匹配空間熱性能和熱需求，改善建筑熱適應(yīng)性能。

針對(duì)功能空間和輔助空間的位置布局總結(jié)設(shè)計(jì)策略。輔助空間不使用空氣調(diào)節(jié)設(shè)備，將其排布在不利朝向具有緩沖作用，有利于提高室內(nèi)整體熱性能并降低建筑能耗。對(duì)于功能空間，包括高、中、低性能房間和發(fā)熱量不同的房間布局方法，通過(guò)軟件模擬得到以下設(shè)計(jì)策略：1）對(duì)于室溫性能要求不同的功能空間，將性能要求高（目標(biāo)溫度范圍嚴(yán)格）的空間優(yōu)先布置在滿(mǎn)足率差異小的位置，有利于提高整體自然室溫滿(mǎn)足率；2）對(duì)于發(fā)熱量不同的功能空間，優(yōu)先將發(fā)熱量大的空間布置在自然室溫較低的位置，有利于提高整體自然室溫滿(mǎn)足率。

本研究?jī)H在建筑形體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和輔助空間位置固定的情況下，分析自然室溫滿(mǎn)足小時(shí)數(shù)，未考慮關(guān)于不同功能空間可能存在的窗墻比的差異，以及自然室溫滿(mǎn)足小時(shí)數(shù)無(wú)法反映的實(shí)際供冷供暖能耗的差異，且僅從熱適應(yīng)性能出發(fā)探討建筑平面功能布局，沒(méi)有綜合考慮具體的空間使用、功能流線(xiàn)及使用者需求等方面，這些問(wèn)題均有待進(jìn)一步研究。

＊ 本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“地域氣候適應(yīng)型綠色公共建筑設(shè)計(jì)新方法與示范”（2017YFC0702300）之課題“綠色公共建筑的氣候適應(yīng)機(jī)理研究”（2017YFC0702301）資助。

1-4作者自繪

表1,2作者自繪