办公建筑功能空间组织设计研究

1、办公建筑功能空间组织设计研究 摘要：办公建筑中，功能空间的平面组织方式不同时，建筑能耗也有显著的不同。本文采用DesignBuilder软件模拟得到不同气候区、不同功能空间组织模式下的能耗模拟结果，从而研究中央围合式办公建筑功能空间组织模式对建筑能耗的影响，并进一步探析不同气候区中央围合式办公建筑节能布局的特点和规律，对各气候区中央围合式办公建筑设计提供参考和借鉴。结果显示，在4个气候区都体现为小空间布局在外侧总能耗更低。其中：在严寒地区、寒冷地区和夏热冬暖地区，大小空间位置分布这一变量在较小窗墙比时更敏感，即在小窗墙比时，小空间外侧布局这一节能手段更加有效；在夏热冬冷地区，当小空间外侧布局时

2、，各个窗墙比的节能效益均较好。 关键词：办公建筑；空间组织；建筑节能 近年来，中国的建筑业迅猛发展，建筑能耗也呈现稳步增长。以办公建筑为代表的大型公共建筑，单位面积耗电量为住宅建筑的10倍以上。据调查，我国同一地区同一性质的此类建筑，电耗差别最大可达50%，蕴含很大的节能潜力1，因此针对办公建筑节能的研究工作刻不容缓。建筑节能设计不仅可以使空间更加舒适，还可以有效降低能源的消耗2。通过研究建筑能耗的影响机理、挖掘建筑节能的潜力，可以助力我国建筑节能工作，响应节能减排的国家战略。我国实现建筑能耗控制的关键技术主要有基于模拟分析的建筑节能优化设计、新型围护结构开发、HVAC系统合理选型及热回收技术

3、、能源输配与调控技术创新1。其中，建筑节能优化设计是其他几项技术的前提和基础。建筑能耗30%以上决定于建筑设计阶段3。不合理的空间设计将导致环境舒适度的降低和建筑运行能耗的增加。因此，本文以中央围合式办公建筑为研究对象，旨在提出不同气候区此类办公建筑的功能空间组织节能设计策略。 1现有相关研究综述 国内外现有的建筑节能研究主要分为两类，一类主要研究围护结构对能耗的影响，另一类则研究建筑布局和空间形态与能耗的关系。针对前者的研究较早引起学界的关注，已渐臻完善。近年来，后者也引起了更多学者的关注，不断有学者做出新的探索。目前国内外针对建筑布局和空间形态的能耗关联研究，主要集中在建筑平面功能布局、建

4、筑形态设计等方面。建筑周边的空间可以获得良好的自然采光和通风，因此CarloRatti与NickBaker3提出了被动区的概念，并以被动区和内区面积的比值作为预测能耗的指标，该比值越高，建筑利用自然环境资源的潜力就越大，能耗越低。Amaia4对欧洲办公楼的布局进行研究，得出单间办公室布置在建筑中央能耗更低的结论。这是因为在欧洲的气候条件下，单间办公位于中央时可以避免冷风渗透等能量耗散，室内的人员、设备产热可以降低采暖负荷。何成等5研究了武汉地区多层内廊式办公建筑功能布局与节能的关系，对可能的平面布局进行随机抽样，对样本进行能耗模拟，分析模拟结果得出，办公室和会议室等空调房布置在北侧比布置在南侧

5、节能，当南侧的非空调房增加时，建筑总能耗会降低。卫生间、储藏间、楼梯等布置在南侧比布置在北侧能耗小，且布置在建筑西端头能耗较小。刘利刚等6归纳设计了包含一字形、折线形、点式、带中庭型等6类8种典型高层办公建筑平面方案，分别模拟其在北京、长沙和广州3地的能耗情况。提出单位功能区建筑面积能耗比单位面积能耗更能反映建筑的实际能耗状况，功能区实际进深与能耗有非常明显的相关性，与照明能耗正相关，与空调及采暖能耗负相关；不同气候区对于这8种平面的能耗差异的敏感性也不同，广州和长沙各方案之间的能耗差异大于北京，其原因在于不同平面布局对照明能耗影响较大，而北京采暖能耗占比大，对照明能耗不敏感。田一辛等7建立正

6、方形标准层平面模型，研究了寒冷地区办公建筑布局与能耗的关系，发现辅助空间位于西向能耗最低，其次为北向和东向，位于中央的能耗最高，单间空间位于周边作为缓冲空间更节能，单间空间作为办公室时比会议室能耗低，即人员密度越低能耗越低。梅洪元等8研究了节能导向的寒地建筑形态优化模式，得出应加强门厅、中庭等缓冲区域设计。如针对伊春书画院的设计，将学术报告厅及餐厅两个大空间布置在建筑最外层，形成建筑外围的热缓冲空间。上述研究均以建筑节能为导向，但当前针对中央围合式办公建筑不同平面布局下能耗表现的研究尚有所欠缺。本文以带中庭的中央围合式办公建筑为研究对象，在平面轮廓不变的前提下，对其内部不同功能空间布局下的能耗

7、进行研究，探究我国不同气候区的中央围合式办公建筑节能设计策略。 2模型建立与模拟设定 2.1中央围合式办公建筑模型建立 中央围合式办公建筑以中庭为中心组织各功能空间（图01）。贝聿铭所设计的中国银行总行大厦即为此类办公建筑的典型代表。本文以中国银行总行大厦为原型，参考其空间体量及平面布局，提取典型模型，建立110m×110m的正方形标准层平面，面积为9600m2，包含开放办公区、小空间办公、会议室、楼电梯间、卫生间和设备间。以上所述功能空间，根据其功能的不同，参考相关规范，采用不同的内扰参数及房间设定温度。本模型共10层，中央为50m×50m的通高中庭，中庭顶部设为全玻璃天

8、窗。 2.2模拟设定 本文使用动态能耗模拟软件DesignBuilder计算建筑能耗，其计算引擎为EnergyPlus，能够通过模拟计算建筑的采暖、制冷和照明能耗。根据公共建筑节能设计标准GB501892015民用建筑绿色性能计算标准JGJ/T4492018及建筑照明设计标准GB500342013，确定建筑的围护结构热工参数、室内人员散热量、人员密度、照度标准值、新风量、照明功率密度、室内设备功率密度以及房间设定温度，具体数值如表01、表02所示。2.3功能空间组织设计研究方案中央围合式办公建筑中的小空间办公、会议室、楼电梯间、设备间、卫生间尺度近似，且均属于尺度较小的空间，开放式办公区属于大

9、空间。楼电梯间、设备间、卫生间往往以集中组团的形式出现，表现为核心筒。本研究以大小空间的相对位置为研究变量，研究当建筑位于4个不同气候区时，大小空间相对位置变化对能耗的影响。由于窗墙比对建筑能耗的影响较大，为避免选取某一特定窗墙比时，所选取的研究变量变化带来的能耗影响不显著，因此以窗墙比为辅助变量，窗墙比取值范围为0.10.9，变化步长为0.2，即模拟时窗墙比取值为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9。模拟实验中设置两种标准层平面布局方案W1与W2（图02）。在方案W1中，小空间集中在靠外墙的一侧，开放式办公空间（大空间）排布在靠中庭一侧，大小空间之间有走廊联系交通。在方案W2中，小空间集中

10、在靠中庭的一侧，开放式办公空间排布在靠外墙一侧。我国幅员辽阔，纬度跨度大，各地气候条件差异很大，为了明确这一节能设计策略在不同气候区的有效性，分别模拟这两个方案在严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区的能耗。选取哈尔滨、北京、上海、广州4个城市的气象数据，分别代表4个气候区。 3能耗模拟结果 根据模拟计算得到2个方案在5种窗墙比时的能耗，包含总能耗及照明、采暖、制冷3项分项能耗（图03）。总体上看，两种不同平面布局方式在4个气候区的能耗水平大致在3258kWh/m2范围内，哈尔滨与广州总能耗水平高于北京和上海。4个不同地区的照明能耗相差不大，在北京和上海，采暖能耗与制冷能耗之和小于哈尔

11、滨和广州，因此北京、上海的总能耗水平较低。总能耗及分项能耗的具体数值如图03所示，横坐标为窗墙比比值。 4结论 4.1不同平面布局的能耗表现 当窗墙比为0.5时，能耗模拟结果如图04所示。结果显示，在4个气候区都体现为小空间布局在外侧总能耗更低，即如图04所示，W1布局总能耗更低。小空间布局在外侧所带来的节能效益在夏热冬冷地区最显著，节能率达到7.03%，其他3个地区节能率大致在1.5%2.0%。从各分项能耗的表现来看，当小空间位置由内侧变为外侧（即由W2布局变为W1布局）时，在4个气候区，照明能耗均有所上升，上升幅度较大，采暖能耗也有所上升，但幅度较小，而制冷能耗则有大幅下降，所以总能耗体现

12、为小空间布局在外侧更低。其中，由于夏热冬冷地区的制冷能耗占总能耗比重较高，因此制冷能耗下降带来的节能效果更明显，总能耗节能率较高。而夏热冬暖地区虽然制冷能耗的占比也较高，但由于照明能耗上升幅度较多，抵消了制冷能耗下降带来的节能效益，所以总能耗节能率低于夏热冬冷地区。小空间布局在内侧的照明能耗更低，原因可能是与小空间布局在外侧相比，前者布局下的开放办公空间位于外侧，室内少有隔墙遮挡，更有利于充分利用外窗进入的自然光资源，满足室内采光要求，综合自然采光效果更好，所以照明能耗表现为小空间内侧布局更低。小空间布局在外侧的制冷能耗更低，原因可能在于该布局下，太阳辐射热量会被隔墙吸收，不易向建筑中心传递，

13、因而小空间布局在外侧能够有效减少建筑内部空间辐射得热。而小空间布局在内侧时，靠近外部环境的室内空间为开放办公空间，隔墙很少，易于接收到更多太阳辐射得热。同理，小空间布局在外侧的采暖能耗则较高。 4.2不同窗墙比时的能耗表现 以大小空间位置作为主要变量，以窗墙比作为辅助变量，研究功能空间组织对中央围合式办公建筑的能耗影响，模拟结果如图05所示。结果显示，总体而言，在4个气候区，小空间位置位于外侧更节能。当窗墙比改变时，这一结论不变；但不同的窗墙比，其节能效果会有差异，即不同窗墙比，总能耗对大小空间位置这一变量的敏感度不同，且敏感度高低与气候区有关。在严寒地区、寒冷地区、夏热冬暖地区，大小空间位置分布这一变量在较小窗墙比时（不大于0.3）更敏感，在较大窗墙比时（不小于0.7），小空间位置由内侧变到外侧时的总能耗节能率不及小窗墙比时的一半，即在小窗墙比时这一节能手段更加有效。在夏热冬冷地区，当小空间位置由内侧变到外侧时，各个窗墙比的节能效益都比较好（小窗墙比时节能效益更突出）。这是由于当小空间位置由内侧变到外侧时，采暖能耗与制冷能耗变化的综合效益表现为总体能耗下降