贺秋时 张悦 黄献明 袁朵 程晓喜 宋修教

1 研究背景

在环境污染和能源危机的背景下，建筑设计对环保、节能和健康的重视程度越来越高，被动式建筑设计是比建筑设备更有效的策略。2018 年，中国公共建筑面积占建筑总量的21.3%，而公共建筑能耗达是建筑能耗总量的33.2%，其中办公类建筑占比最大，其被动式设计具有重要意义。被动式设计能满足部分时间的环境要求，适宜的策略可以提高室内环境满足率，减少主动式设备的运行时间和能耗。

从建筑设计的角度，被动式策略通过合理设计建筑场地、布局和形体来适应气候，兼顾能耗和舒适的平衡。建筑的气候适应性包含气候、建筑、人之间的动态联系，功能布局与人的行为模式和建筑形体密切相关，自然室内环境和人员使用模式共同影响实际的运行能耗。已有研究发现，通过优化室内人员工作位置，可以降低5%～6%的照明能耗，且不同的住宅平面布局可能导致17%～35%的热性能差异。在建筑形体确定的情况下，室内空间的朝向、开窗通风、空间功能等方面的差异，会带来不同的室内环境品质。各功能空间对室内环境质量的要求也存在差异，卫生间、走廊等辅助空间要求较低，办公室等人员长期停留的空间要求较高，高性能办公室则提出了更高的要求，例如研究办公室可以接受比行政办公室更高的温度。因此，功能空间布局需要综合考虑环境条件和使用需求，二者的匹配是提高建筑气候适应性的关键。

本研究从建筑师的角度考虑同一平面布局上不同位置的空间热环境特征，通过合理的功能空间需求精细化匹配，达到更高的自然室温舒适满足率，并减少设备调节能耗。在建筑形体空间、立面窗墙比确定的情况下，调整内部功能空间布局，改变不同功能和高、中、低性能要求空间的位置，模拟计算在不使用供冷、供暖设备情况下的室内自然温度，定量分析不同功能空间布局下的室内温度满足率，并总结设计和优化策略。

2 国内外相关研究综述

针对辅助空间在建筑平面上的不同位置布局，已有学者通过模拟计算和实测等方法定量分析其对建筑热环境和能耗的影响。赵惠惠等总结了4类典型平面的18种布局模式，模拟发现短板式布局的能耗在不同气候区降低了6.5%～14.8%，其他布局的能耗差异不超过5.1%。刘利刚等归纳了6类8种典型高层办公建筑平面，能耗最高的布局比最低的布局平均高约15%。田一辛等发现寒冷地区办公楼辅助空间位于中央能耗最高，南向次之，西向最低，能耗差达到2kW·h/m。何成等随机抽样分析了武汉典型多层内廊式办公建筑的200种功能布局，能耗最高值比最低值多2.41%。Tiantian Du等根据荷兰一办公建筑提出11种平面功能布局，发现对冷热负荷的影响在10%左右，而对采光能耗的影响可达65%，总能耗的最高值比最低值高19%。对于高、中、低性能空间的布局策略，韩冬青等认为普通性能空间占比高，应布置在利于气候适应性设计的位置，而对性能要求低的空间，宜布置在朝向或位置不佳的区域。

以上研究表明，在功能空间室内温度设定值固定的情况下，为降低控制目标所消耗的能耗，应将该辅助空间（非用能空间）布置在自然热环境条件相对不利的位置和朝向，从而降低功能空间（用能空间）为消除设定温度与实际温度的温差而产生的冷热负荷。由于辅助空间对开窗面积要求较低，布置在西侧可以减少太阳辐射得热，布置在北侧可以减少热量散失，起到缓冲作用，从而改善室内热环境。

但由于功能空间和辅助空间的能耗差异较大，现有研究主要探究了辅助空间位置对能耗的影响，并没有体现出对功能空间统一设定控制温度的使用差异。针对不同的空间类型与人员行为模式，在设备热扰和温度控制需求等方面缺少相关实验。因此，本研究进一步细化不同功能空间的人员活动和行为模式对室内热环境的影响，并参考舒适度等级分析不同室温需求对整体满足率的影响，通过性能模拟定量计算，总结平面布局的热适应设计策略。

3 研究方法

3.1 平面功能布局设计

本研究以北京地区方形布局的高层办公建筑典型标准层平面为研究对象。方形布局共计30个空间单元（包括辅助空间和走廊），核心筒及辅助空间布置于中央，四周布置办公室、会议室等功能房间，其中南向8间、北向8间、东西向各4间（共8间）。建筑立面开窗形式为水平长窗，窗台高1.2m，窗高2.1m，有效通风面积比4%。

在空间功能类型上，包含低性能、普通和高性能三类。低性能空间包括走廊、交通核、卫生间等非用能房间，位置固定不变；普通空间包括会议室、办公室；高性能空间仅包含高性能办公室，它与普通办公室热扰相同，但温度控制要求更加严格，因此二者在模拟参数设置上一致，仅在结果分析时加以区分。本研究讨论会议室集中布置在北侧、南侧和东西侧的三种布局（图1）。

3.2 室内自然温度模拟条件设置及评价指标

本研究选用建筑环境全年模拟计算软件DeST-c进行无主动式设备调节的自然室温模拟实验。

根据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）设定外墙、屋顶、外窗传热系数分别为0.538、0.438、2.000，外窗太阳得热系数0.435。参考《民用建筑绿色性能计算标准》（JGJ/T 449-2018）设定室内热扰和人员作息参数如表1。房间与外界通风设定为夏季夜间通风，即将一年中第23周（6月初）到第38周（9月中）20:00～7:00（次日）的换气次数设定为5次/h，其余为0.5次/h；房间互通风考虑到办公建筑的开门时间，将星期一到星期五9:00～18:00的换气次数设定为5次/h，其余时段0.5次/h。

在评价指标上，参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）对长期逗留区域空调室内设计参数的要求，逐时统计自然室温在过渡季和夏季的满足情况。对于普通办公室和会议室，参考II级热舒适等级需求，夏季高于28℃为过热，冬季低于18℃为过冷；对于高性能办公室，参考I级热舒适等级需求，夏季高于26℃为过热，冬季低于22℃为过冷。以标准层室温舒适满足小时数为定量指标，分析不同功能布局方式的热适应性差异。

1 方形平面的三种会议室布局

表1 房间功能分区参数设置

2 会议室在不同朝向的室温情况对比

4 模拟结果

4.1 会议室朝向对自然室温分布的影响

从四个朝向分别选取典型房间，在三种不同功能布局下，对比5—6月工作时段日均温度的变化曲线。

会议室布置在北侧时，北侧房间自然室温最高，其次是西侧、东侧、南侧，北侧和南侧平均温差0.8℃；会议室布置在南侧时，南侧房间自然室温最高，其次是西侧、东侧、北侧，南侧和北侧平均温差0.9℃；会议室布置在东西两侧时，西侧房间自然室温最高，其次是东侧、南侧、北侧，西侧和北侧平均温差1℃（图2）。

当房间功能相同且均为办公室时，自然室温从高到低的朝向依次为西、东、南、北。而房间的使用功能，即室内发热量对自然室温的影响更为显著。会议室的人员密度和发热量更高，不论布置在哪个朝向都会成为自然室温最高的空间，而北向房间受太阳辐射得热影响小，将其布置在北侧能更好地利用室内产热提高室温，同时避免过热。会议室北向布局时整体满足率最高，各朝向房间的自然室温差异最小。西向房间由于西晒室温偏高，不适宜再布置会议室。

4.2 高性能房间位置对满足率的影响

本研究以标准层平面自然室温满足总小时数及单元数为评价指标，探究高性能房间的平面位置布局。小时数计算公式为ΣΣI，其中s为各空间单元，h为工作时段各小时段，I在满足温度范围时取1，否则取0。

研究以会议室北向布局为例，分别探讨4间和8间高性能办公室的布局位置。除北向8间会议室外，室温满足率最低（热性能最差）的房间位于东南、东北、西南、西北四角，其次是西向的4个房间，室温满足率最高（热性能最好）的是南向的8间。在4间高性能办公室的情况下，将其布置在南向时标准层整体满足小时数最低，为37 851h·单元；布置在四角时标准层整体满足小时数最高，为38 185h·单元，比最低多334h·单元。在8间高性能办公室的情况下，将其布置在南向时标准层整体满足小时数最低，为35 111h·单元；布置在四角及西向时标准层整体满足小时数最高，为35 569h·单元，比最低多458h·单元（图3）。

与将性能要求高的房间布置在满足率最高位置的直觉不同，高性能房间的温度舒适范围更小，在18～22℃以及26～28℃就需要开启主动式设备调节温度，而此温度为普通办公室的舒适范围。因此，高性能房间应在此温度区间内累计小时数最少，即满足率差异最小，也是本例中满足率最低的房间。在这种情况下，平面整体满足率最高，在4间和8间高性能房间的布局下，最高和最低满足率分别相差0.88%和1.30%。

3 高性能房间的最优位置布局

4.3 功能布局朝向对满足率的影响

分别统计室温高于28℃、低于18℃、18～28℃之间以及在22～26℃之间的小时数及占比，如表2及图4所示。

从普通性能要求满足情况（18～28℃）看，会议室东西向布局满足率最低，北侧布局满足率最高，南侧和北侧结果接近，最高满足率相对于最低提高了3.00%；从高性能要求满足情况（22～26℃）看，会议室北侧布局满足率最高，其次是南侧布局，东西侧布局满足率最低，最高满足率相对于最低提高了4.87%；从过热情况看，会议室东西布局过热时段最多，南侧布局过热时段最少，北侧和南侧结果接近，仅相差8h·单元，最高过热比例相对于最低增加了4.14%。由于统计的时间段不包含供暖季，因此三种布局的过冷情况差距不大，会议室南侧布局过冷时段最多，北侧次之，东西侧最少，南侧仅比东西侧多65h·单元。

为满足高性能办公室的室温要求，会议室布置在北侧可以获得最多的全年自然室温满足小时数，即在保证室内热环境舒适的前提下，最大程度延长过渡季不使用主动式供暖或供冷设备的时间。对于普通办公室，会议室布置在南侧或北侧差别很小。而不论高性能还是普通办公室，会议室东西向布局的自然室温满足率都较低，最优性能布局相对于最低性能布局满意率提升3%～5%。

表2 自然室温小时数分布情况统计

4 北京4—10 月室温分布小时数占比

5 结论与设计策略

对于建筑内部平面功能布局，不同朝向的房间自然室温不同，热性能存在差异。对北京办公建筑方形布局的标准层而言，北向房间在过渡季和夏季的自然室温更低，满足率更高，南向次之，东西向最差。不同功能空间的热扰和温度需求也存在差异，如会议室人员密度、发热量均大于办公室。通过调整不同功能空间的位置排布，可以更好地匹配空间热性能和热需求，改善建筑热适应性能。

针对功能空间和辅助空间的位置布局总结设计策略。辅助空间不使用空气调节设备，将其排布在不利朝向具有缓冲作用，有利于提高室内整体热性能并降低建筑能耗。对于功能空间，包括高、中、低性能房间和发热量不同的房间布局方法，通过软件模拟得到以下设计策略：1）对于室温性能要求不同的功能空间，将性能要求高（目标温度范围严格）的空间优先布置在满足率差异小的位置，有利于提高整体自然室温满足率；2）对于发热量不同的功能空间，优先将发热量大的空间布置在自然室温较低的位置，有利于提高整体自然室温满足率。

本研究仅在建筑形体、围护结构和辅助空间位置固定的情况下，分析自然室温满足小时数，未考虑关于不同功能空间可能存在的窗墙比的差异，以及自然室温满足小时数无法反映的实际供冷供暖能耗的差异，且仅从热适应性能出发探讨建筑平面功能布局，没有综合考虑具体的空间使用、功能流线及使用者需求等方面，这些问题均有待进一步研究。

＊ 本研究得到国家重点研发计划“地域气候适应型绿色公共建筑设计新方法与示范”（2017YFC0702300）之课题“绿色公共建筑的气候适应机理研究”（2017YFC0702301）资助。

1-4作者自绘

表1,2作者自绘