寒冷气候区高校图书馆空间组织节能设计研究*

范征宇，孙东贤，刘加平

1 背景与问题

近年来，随着开架阅览的普及，图书馆在功能目标上日益趋向“以人为本”的服务设计，建筑在以功能分区为主导的廊式模式基础上逐步向模数式空间转变，即在保留“藏借阅管”的功能分区形式下，将被分隔的小空间合并为通透的大空间，条状的交通空间被集中为块状空间[1]，并承担着文化服务、开放教育与休闲娱乐等功能[2]。使用模式的变化带来空间模式随之改变，以高校图书馆为代表的建筑逐步向大规模、大体量、大进深的复合集中式空间组织模式发展，水平及垂直向的流动开放性成为其主要特征，极大地丰富了功能空间的多样性。

然而，大进深的开放阅览空间愈加依赖人工照明、机械通风、机械调温来满足空间热环境舒适需求，并且前期被动设计策略的把控不当，进一步导致室内热环境舒适度的降低和建筑能耗的增加[3，4]。例如，图书馆因功能布局不合理，白天也要进行人工采光，极大增加了照明能耗。同时，空间组织不合理，造成部分区域光线过强，热舒适性较差，空调负荷较大。通过调研发现，某馆即使开着空调，阅览区的读者依然很热，需要打伞学习。还有部分图书馆核心功能阅览区因设计模式不合理造成利用率不高，使用效率低下。此类问题不仅造成后期运行、管理和维护成本过高，同时能耗资源浪费也显著增加，不符合图书馆绿色发展的理念。

在建筑初期设计阶段，若提供被动式节能措施的效果策略，可便于建筑师进行合理的节能设计。通过借助生态建筑设计软件 Ecotect 的子软件气候分析工具 Weather Tool，结合典型气象年数据（CSWD），对以北京为代表的寒冷气候区气候条件进行分析。如图1和图2所示，在太阳方位图和焓湿图里可看出，最佳布局朝向为南偏东17.5°，采用空间组织进行自然通风、被动式太阳得热等被动式技术后，人员舒适范围得到有效提升。因此，合理的被动式空间布局设计能大幅度减少空调设备的使用，降低能耗。总体来说，当今高校图书馆面临的需要解决的核心问题，实际上是如何在满足创新化需求的情况下，通过功能空间组织设计达到整体能耗最小、舒适度最佳的平衡，对高校图书馆的可持续发展有着实际意义。

图1 寒冷气候区（北京）太阳方位图

图2 寒冷气候区（北京）焓湿图

因此，通过搜集现有已建成的寒冷气候区高校图书馆案例，抽取模型原型，选取典型城市北京代表寒冷气候区，运用DesignBuilder能耗模拟软件，探究图书馆功能空间的设计方式对能耗的影响，并根据节能效果提出适宜寒冷气候区的内部空间组织优化建议。

2 高校图书馆型体设计现状及模型原型的选取设置

2.1 高校图书馆模拟原型的提取

在建筑节能评价中，应该首先明确建筑本体的节能贡献，外部型体会对图书馆的能耗产生不同的影响[5-7]。因此首先通过广泛搜集现有寒冷气候区中已建成的23所高校图书馆案例进行分析，对建筑型体、建筑面积、层数、建筑尺度和建筑平面长宽比进行统计研究。对部分典型案例通过取算术平均数值的方法进行归纳提取，确定模拟原型的面积为34520m2，层数为5层，内部有通高中庭，中庭长宽比为1∶1，建筑平面长宽比为1∶1的型体模式。

2.2 图书馆内部功能空间的选取与设计

建筑中使用空间因其不同功能而产生能耗等级的差异，因此将功能分类转换为性能等级分类，是对公共建筑功能分区理论的重要发展。其意义在于认识和把握建筑功能、性能、能耗之间的内在联系[8]。通过建立合理的功能空间布局，达到建筑空间形态设计的气候适应性，进而在前提上奠定建筑降能减排的绿色节能设计基础。依据对气候性能要素及其规范中指标要求的严格程度可分为：低性能空间、普通性能空间、高性能空间[9]。

图书馆建筑中，因阅览空间和研修办公空间在规范中具有较高的热舒适标准需求，固定义为高性能空间。普通性能空间则由报告、展览等次要使用功能空间组成。其余功能空间即交通辅助等因其较低的使用率和人员密度，固将其定义为低性能空间。各面积和占比如表2所示，并依据《图书馆建筑设计规范JGJ38-2015》[10]合理选取。

表2 性能空间分类

表1 高校图书馆案例统计

3 高校图书馆空间组织模型建立

3.1 空间组织变量的选取设定

阅览空间作为图书馆中的主要使用空间，对采光和热环境都有着较高的标准，不同的组织模式和布局方式对建筑整体能耗也有显著影响[11]。同时，高大中庭作为高性能空间，其形体设计与能耗也密切相关[12]。因此，提出阅览空间变量组和中庭空间变量组两个核心组别。（1）阅览空间变量组：以阅览空间和交通空间在平面中的相对位置作为变量，即在保证除变量之外的各功能空间面积、位置、形式不变的前提下，通过改变平面布局中的交通辅助空间的位置，间接改变阅览空间的布局形式，从而来探讨不同阅览模式下的能耗变化。（2）中庭空间变量组：以中庭空间在平面中的相对位置作为变量，即通过改变中庭空间的局部错层方向与研修空间的朝向布置形式，来研究高大中庭对高校图书馆能耗的影响。

3.2 模拟组别设定与模型构建

基于以上两种变量，参照不同寒冷地区案例的典型平面布置方式，结合设计规范中的图书馆建筑功能流线要求及相关文献的节能设计研究[13]，形成具有代表性的8组空间组织模式，A-D组为阅览空间变量组，E-H组为中庭空间变量组，各组平面图如图3所示。

图3 各模拟组别平面图（A～D组：阅览空间变量组；E～H组：中庭空间变量组）

A组是参照寒冷气候区典型案例北京建筑工程学院图书馆的简化平面布局模式，中庭作为图书馆的核心空间，垂直交通辅助空间为中心式位于中庭四角。一层为报告厅、展厅和办公空间，二层至四层为水平环绕式的开架阅览空间与藏书空间，五层为研修空间。

B组是参照寒冷气候区典型案例山东师范大学长清校区图书馆的简化平面布局模式，将能耗较小的交通辅助空间置于整个建筑形体的平面四角处，阅览空间成为水平复合式。

C组是参照寒冷气候区典型案例北京中央财经大学图书馆案例的简化平面布局模式，将能耗较小的交通辅助空间位于整个建筑形体的平面的南北侧，集中的阅览空间被划多个小空间，形成水平分散式的布局。

D组是参照寒冷气候区典型案例天津南开大学图书馆案例的简化平面布局模式，将能耗较小的交通辅助空间位于整个建筑形体的平面的东西侧，集中的阅览空间被划分为南北两个阅览区，形成水平并列式的模式。为保证控制单一变量的模拟结果准确性，B、C、D组的各层其他功能布局形式、朝向方位均与A组相同。

E、F、G、H组是在A组的基础上，在保证其他功能空间的位置、面积和布局基本不发生变化的情况下，改变单一变量，将第五层通高中庭的位置分别向西侧、东侧、南侧、北侧错位，即将对建筑整体能耗较大的高大中庭空间在剖面上划分为两个连通的垂直复合式局部中庭空间。从剖面上分析，核心为纵向通高错层式中庭，中部为垂直交通空间，顶层外侧为南北向或东西向研修空间的组合模式，Design Builder中模型照片如图4。

图4 Design Builder模型平面图

为方便对下文中的模拟结果进行对比分析，将各组别的属性、模式及控制变量的方式进行汇总，详见表3。

表3 模拟组别设置

3.3 模拟软件的选择及模拟参数的设置

图书馆建筑模拟采用动态能耗模拟软件Design builder，运行的计算引擎是Energy-Plus，可提供气候、建筑、构件的热物理特性，以及运行计划和HAVC设备。气象数据为 CSWD 格式，依据中国气象局气象信息中心资料室，清华大学建筑技术科学系主编的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》进行设置，同时气象参数选取北京地区的资料，作为典型城市代表寒冷地区，从而为研究不同空间组织模式与能耗的关系提供依据。模拟导出的数据包括制冷负荷、采暖负荷和照明能耗，经COP折算后，模拟以总能耗与节能率数值为标准进行评估。

各功能空间的性能参数根据《民用建筑绿色性能计算标准JGJ/T449-2018》[14]以及《图书馆建筑设计规范JGJ38-2015》[10]上的参数值进行设置，标准和规范上没有的参数按照软件模板上默认的数值进行设置，具体如表4所示。

表4 功能空间参数设置

建筑围护结构可以起到抵御外部不利环境因素的作用，不同的选取与设置对建筑能耗有着重要的影响[15]，模型的围护结构参数依照《公共建筑节能设计标准》[16]中规定的寒冷气候区公共建筑围护结构热工性能限值，将规范中设计的热工参数作为模拟中的默认参量，进行了模型设置，详见表5。

表5 围护结构参数设置

4 模拟结果比较与分析

通过 Design Builder软件进行全年冷热负荷与照明负荷的模拟计算，并将输出的 Summary 供给热量与冷量结果（单位采用 kwh）通过冷热源系统标准（COP）处理转换为能耗数值进行分析。

4.1 阅览空间组能耗分析

4.1.1 单位面积年制冷、采暖能耗

模拟显示，A组的单位面积年制冷能耗和年采暖能耗数值最高，分别为：15.76kwh/m2/yr和17.84kwh/m2/yr。同时，由图5可知，将低性能的交通辅助空间置于气候边界处的B、C和D组，与高性能阅览空间环绕气候边界布置的A组相比，单位面积年制冷和年采暖能耗在各气候区均有所降低，表明低性能空间置于气候边界可以起到缓冲不利外界气候因素的作用。

图5 阅览空间变量组采暖、制冷能耗

B组将交通辅助空间置于四角处，阅览空间形成水平集中式，其缓冲节能效果最为明显，单位面积年制冷能耗和年采暖能耗最低，分别为：14.70kwh/m2/yr和14.77kwh/m2/yr。同时，C组的单位面积年制冷能耗和年采暖能耗的较低也较为明显，分别为：15.12kwh/m2/yr和15.84kwh/m2/yr，表明当阅览空间的形式为水平分散式，即将单一开放的高性能阅览区划分为多个小阅览空间，也可以起到一定降低能耗的作用。单位面积年制冷能耗和年采暖能耗的排序为：A组＞D组＞C组＞B组。

4.1.2 单位面积年照明能耗

由图6可知，A组的单位面积年照明能耗数值最低为：33.19kwh/m2/yr，表明将对照明标准需求较低的交通辅助空间置于气候边界处，间接影响了采光要求较高的阅览区采光，致使B、C、D组的单位面积照明能耗与A组相比在各气候区均有所增加。

图6 阅览空间变量组照明能耗

同时，模拟数值显示B组因其交通辅助空间占据了有利采光的建筑平面四角处，致使年照明能耗的增加最为显著为：34.84kwh/m2/yr。C和D组也同样因为对采光需求较低的交通辅助空间布置在采光效果较为优越的平面两侧，导致建筑整体年照明能耗与A组相比在各气候区均略微增加。单位面积年照明耗排序为：B组＞D组＞C组＞A组。

4.1.3 单位面积年总能耗与节能率

由图7可知，A组的单位面积年总能耗数值最高，为66.79kwh/m2/yr，同时结合上文中的各单项能耗分析，表明将低性能的交通辅助空间置于外界环境边界处的B、C、D组，在各气候区均起到了缓冲空间的作用，虽单位面积年照明能耗增加，但单位面积年采暖和制冷能耗均显著降低，足以弥补并能起到降低总能耗的效果。

图7 阅览空间变量组总能耗与节能率

B组的单位面积年总能耗的降低数值最明显为：64.31kwh/m2/yr，节能率为3.71%。C组在各气候区的单位面积年总能耗也显著降低为：65.07kwh/m2/yr，节能率为2.58%。单位面积年总能耗排序为：A组＞D组＞C组＞B组，节能率排序为：B组＞C组＞D组＞A组。

4.2 中庭空间组的能耗分析

4.2.1 单位面积年制冷、采暖能耗

由图8可知，将高大中庭进行错位布置的E、F、G、H组，其单位面积年制冷能耗与未进行错层的A组相比均有所减小。因中庭形成的空气流动起到了很好的通风效果，且内外部空间空气压力差引起室内外空气流动，降低了对空调的依赖[17，18]。数值显示，中庭向西侧错位的E组与其他三个方向错位的组别相比，单位面积年制冷能耗最大为：13.64kwh/m2/yr，表明中庭向西侧错层布置，受到西晒影响较为显著。中庭向北侧错位的H组单位面积年制冷能耗最小为：12.64kwh/m2/yr。单位面积年制冷耗排序为：A组＞E组＞G组＞F组＞H组。

图8 中庭空间变量组采暖、制冷能耗

将中庭进行局部错位布置的E、F、G、H组，单位面积年采暖能耗与未进行错层的A组相比均有所减小。其中，将中庭向南侧错位布置的G组单位面积年采暖能耗最小为：14.52kwh/m2/yr，表明中庭向南侧错层，有利于接受较多的的太阳辐射，对降低年采暖能耗的效果较为显著。将中庭向北侧布置的H组年采暖能耗最大为：15.52kwh/m2/yr。单位面积年采暖能耗排序为：A组＞H组＞F组＞E组＞G组。

4.2.2 单位面积年照明能耗

模拟数值显示，将高大中庭进行局部错位布置的E、F、G、H组，单位面积年照明能耗与未进行错层的A组相比均有所增加。

由图9可知，将中庭向南侧错位布置的G组单位面积年照明能耗最小为：34.90kwh/m2/yr。将中庭向北侧错位布置的H组单位面积年照明能耗最大为：36.12kwh/m2/yr。将中庭向西侧错位的E组单位面积照明能耗略微低于中庭向东侧错位的F组。单位面积年制冷耗排序均为：H组＞F组＞E组＞G组＞A组。

图9 中庭空间变量组照明能耗

4.2.3 单位面积总能耗和节能率

综合分析，中庭错位布置的E、F、G、H组，其单位面积年总能耗均小于未错层的A组，表明将中庭局部错位布置，虽单位面积照明能耗增加，但单位面积采暖能耗和制冷能耗的减小较为明显，弥补不利因素导致的能耗增加。由图10可知，在中庭错位布置的组别中，G组的单位面积年总能耗排序最低为62.89kwh/m2/yr，相应的节能率最高为5.84%。

图10 中庭空间变量组总能耗与节能率

结语

基于现有高校图书馆建筑设计的案例，进行抽取典型总体空间形态模拟原型。通过改变高性能阅览空间的组织模式和高大中庭空间的局部错层朝向，提出8组空间组织模式并在寒冷气候区下开展模拟计算，总结得出以下结论：

在阅览空间变量组的4种组合模式中，复合阅览形式的总体能耗最小，节能率最高达到3.71%。并列阅览形式和环绕阅览形式的总体能耗相差不大，且环绕阅览形式的总体能耗最高。四组阅览模式的节能率排序为：复合式＞分散式＞并列式＞环绕式。

中庭局部错层的组别与未错层相比，总能耗均有所降低，且在中庭空间变量组的4种组合模式中，中庭向南侧局部错层的组织形式的总体能耗最小，节能率最高，达到5.84%，中庭向北侧错层的节能率最低。中庭空间变量组的节能率均大于阅览空间变量组，纵向中庭局部错层布置对建筑总能耗的影响率高于阅览空间的平面组织变化。

基于以上模拟结论，在前期方案设计阶段，可将交通辅助空间等低性能空间置于建筑边界处，形成类似于过渡空间的缓冲区，从而缓解外部不利气候环境对内部空间的消极影响[19]。同时，可以考虑将高大通高中庭进行局部错层设计，并且优先考虑将中庭布置在南侧，不仅有利于建筑总体能耗的降低，达到节能目标，同时还有利于增强纵向剖面的多样化，提升现代高校图书馆内部空间的趣味化。

图11 模拟组别总能耗

图12 模拟组别单项能耗

图、表来源

文中图、表均由作者绘制。