低碳地下空间形态的分析与比较

夏冰，李之昊，潘胜璋

（1.浙江大学建筑工程学院；2.浙江大学平衡建筑研究中心；3.西部绿色建筑国家重点实验室）

1 地下空间形态的低碳意义

地下空间的利用对实现城市碳减排与碳中和有重要意义[1]。地下空间可以承载多种城市功能，比如交通运输、仓储物流、文化娱乐、商业办公等等[2]。与地上建筑相比，地下空间的利用在节能减排和可持续性上有明显的优势[3]。因此，无论是新城开发中的地下空间规划设计[4]，还是高密度城市建成区中的地下空间更新改造[2]，地下空间的低碳设计与策划都具有十分重要的价值。

Dronkelaar et al.通过模拟获得不同气候、建筑功能和地下深度的地上和地下建筑的年度供暖和制冷能源需求，分析了地下建筑在减少供暖和制冷能源需求方面的潜力[5]。Shi et al.通过基于DeST的动态建筑能耗模拟，研究了建筑围护结构热性能对地下办公楼年能耗的影响，旨在为地下围护结构的节能设计提供合理的指导[6]。胡世华和郑爱平通过能耗模拟和实例调研，从空调系统、建造能耗、运行能耗几个方面对地下和地上商场进行对比[7]。李文杰等采用现场调查的研究方法，分析了目前重庆市地下商场能耗现状，并提出了改善措施[8]。

以上研究主要针对设备、围护结构性能参数等问题进行讨论，得到了重要研究结论。然而它们没有注意到地下空间形态的方面。不同的地下空间形态其能耗性能不同[9]，碳减排的作用也不同。项目策划和空间设计阶段需要有充分理解和认知，才能充分发挥地下空间利用的低碳效益。特别与地上建筑相比，地下空间改造制约因素更多、难度更大。因此，在设计时对空间形态的低碳性能需要建立科学的理论分析，才能实现城市的可持续发展，完成碳减排、碳中和的战略目标。

本研究基于形态生成与性能模拟，通过分析、比较两种典型地下空间形态的能耗与碳排放，建立形态参数与碳排放性能之间的关联性，提出低碳地下空间的主要形态特征，为地下空间的设计与更新提供科学指导。

2 研究方法

2.1 典型地下空间形态选取

研究主要针对两种类型的地下空间，即上部有建筑覆盖的情况和带有地下庭院的两种类型，如图1所示。在形态生成过程中，地下空间的长宽高分别划分为五个平面，即平面长度（L）和宽度（W）为30m、40m、50m、60m和70m，高度（H）为地下一层到五层，每层层高均为3.5m。对于上部有覆盖建筑的类型，覆盖率是指地下室顶板被上部建筑底面覆盖的比例。研究中覆盖率（R1）划分为五个层次，即0.3、0.4、0.5、0.6和0.7。覆盖方式如图1所示。对类型二，开洞率（R2）是指类型二中地下庭院平面面积与建筑总平面面积的比例。下沉式广场的位置位于建筑平面的中央，且平面形状比例与建筑外轮廓一致。开洞率划分为五个层次，即0.20、0.30、0.40、0.50和0.60。因此，对于不同的类型来说，总共可以出现5×5×5×5=625种空间形态。此外，研究中设立一个没有覆盖建筑和开洞的地下室作为参考类型，其长、宽和高的参数设定与上述两类相同。

图1 不同类型地下空间形态示意图

2.2 模拟环境与参数设置

研究选用Grasshopper+Honeybee作为形态生成与模拟的软件平台。Grasshopper是一个图形算法编辑器，与Rhino的3D建模工具紧密集成（https://www.grasshopper3d.com/）。而Honeybee将Grasshopper连接到引擎，例如EnergyPlus，用于建筑能源、采光和照明模拟。Honeybee支持详细的采光和热力学建模，还可以充当模拟引擎的面向对象的应用程序编程接口(APⅠ)。因此，Honeybee是目前可用于环境设计的最全面的插件之一。

模拟对象的建筑功能设为办公建筑，内部采用开敞式办公空间设计。地下室的外墙和底板根据EnergyPlus中创建的简化等效逐层构造，考虑土壤蓄热作用下的热传导。其余围护结构的材料性能具体参数见表1。模拟中使用的气象参数选用CSWD格式文件的杭州地区数据。另外一些重要的设备设定参数如下：建筑设备散热7.64W/m2；照明能耗11.84W/m2；空调系统的类型为Ⅰdeal Air Loads；空调制冷COP为1.670；制热COP为0.830；空气渗透量为0.002m3/s·m2；人员密度0.05人/m2；办公时间设定为：工作日7：00至19：00，周六和周日休息；办公区的制热温度为21.0℃，制冷温度为26.7℃。

表1 材料参数

研究借助Grasshopper+Honeybee平台自动生成1250种形态并进行能耗模拟。每次模拟的结果自动计入Excel表格中，并在SPSS中进行数据统计分析，包括相关性分析、多元回归等。

2.3 碳排放计算方法

目前建筑碳排放统计一般包括三个阶段：建造、使用和拆除，而使用过程的碳排放量占建筑空间全生命周期的40%以上，其中建筑的空调能耗又占使用阶段碳排放量的40%以上[10]。因此，本研究主要关注建筑使用阶段的空调能耗所产生的碳排放。本研究根据电网发电的碳排放系数，将模拟能耗值转化为碳排放并进行分析比较。根据生态环境部统计，目前华东电网的基准线碳排放因子为0.792[11]。

3 结果分析

3.1 描述统计

两种地下空间类型的能耗与碳排放略有不同，其数值分布如图2中所示。类型一的制冷与采暖能耗分别为34.3±11.0kw·h/m2、4.81±1.19kw·h/m2；制冷能耗的最小值和最大值分别为6.12kw·h/m2、49.01kw·h/m2；采暖能耗的最小值和最大值分别为1.88kw·h/m2、10.19kw·h/m2。类型二的制冷与采暖能耗分别为41.49±9.86kw·h/m2、5.60±1.88kw·h/m2，制冷能耗的最小值和最大值分别为22.05kw·h/m2、52.33kw·h/m2。采暖能耗的最小值和最大值分别为3.21kw·h/m2、12.59kw·h/m2。对于空调能耗所产生的碳排放，类型一的均值为30.98±8.92kg/m2，类型二的均值为37.29±7.84kg/m2。总体来看，类型二的能耗和碳排放都大于类型一，且对两种地下空间类型来说，制冷能耗都远大于采暖能耗。类型一和二的碳排放分布都趋向于较高的值。对于同样长、宽和层数的125个参考类型建筑的制冷能耗、采暖能耗和碳排放的平均值分别为41.4±8.49kw·h/m2、5.41±1.09kw·h/m2和37.11±8.67kg/m2，介于类型一和类型二之间，与类型二很接近。

图2 不同类型样本的能耗与碳排放量分布图

3.2 分析比较

从表2中可以看出，不同的地下空间形态特征对能耗与碳排放影响程度不同。其中，层数与覆盖率或开洞率对能耗和碳排放影响较大。层数越多，两种类型的制冷能耗和碳排放都越大。相比较而言，长度和宽度对制冷能耗和碳排的影响较小且不显著，却对两种类型的采暖能耗有显著影响，即平面越大采暖能耗越小。对类型一来说，上覆盖建筑面积比例越大，能耗碳排放越高；对类型二来说，开洞比例越大采暖能耗和碳排越大。对于两种类型的地下空间形态，对其制冷能耗和碳排放影响最大的参数是层数，而对其采暖能耗影响最大的是覆盖率或开洞率。

表2 形态特征参数与碳排放的相关性分析

以上结果与地上建筑形态参数对能耗、碳排放的影响方式不同。地上建筑的主要节能控制指标之一是体型系数，体型系数越大意味着单位体积的表面积越大，室内外热交换更多，因此单位面积的能耗和碳排放也越大。而地下建筑除了首层地下空间的顶板与空气接触意外，其余围护结构的热传导特征都与地上建筑不同，且土壤的蓄热系数较大，这会导致较低楼层空间难以进行良好的热交换。因此，虽然当层次增加时，地下空间的外表面与体积指标在减少，能耗却在明显增大。其次，由于土地温度年变化幅度较小，因此制冷能耗会比地上建筑高而采暖能耗比地上建筑低。

研究进一步将具有相同层数与覆盖率或开洞率的每25个案例的碳排放与长度和宽度进行相关性分析，发现在不同的层数与覆盖率或开洞率水平上，长度和宽度对碳排放具有显著但不同的影响作用，但是影响程度远不及层数与覆盖率或开洞率。当平面在30m×30m到70m×70m变化时，碳排放的变化率均在3%左右。

图3中显示了两种类型地下空间样本碳排放的散点图，其中层数与覆盖率或开洞率分别用点的大小和颜色表示。从图3中可以发现，在不同的长度和宽度组合中，碳排放的分布特征变化较小，且呈现非线性，这与表2中的相关性分析结果一致。研究进一步通过方差分析了层数与覆盖率或开洞率对两种空间形态碳排放的交互作用，结果显示两者存在一定的交互影响。

图3 不同类型样本的形态参数的碳排放量分析

根据上述分析结果，研究采用步进式多元回归方法，考虑交互作用，将四种形态参数（L、W、H、R1和R2）以及H*R作为自变量，则两类型地下空间的碳排放（C1、C2）与形态参数的关系可以表达为如下：

结果显示，公式（1）和（2）均能较好的预测地下空间的碳排放特征，拟合度R2分别为0.940和0.870。

4 讨论与结论

仅就模拟中的杭州地区而言，地下建筑制冷能耗比采暖能耗大得多，这说明地下办公建筑中，需要控制室内空间中热源，如照明和设备等。从形态角度看，单层地下办公建筑的低碳效益要好于多层。下挖庭院操作不仅可以提高采光通风环境，且对能耗影响较小。然而，本研究也有一些局限，比如只对办公空间一种功能进行分析与比较，其实不同的功能对相同的地下空间形态的碳排放影响也不同，也需要在功能设定阶段进行斟酌。

本文对两个地下空间类型的能耗与碳排放的模拟数据进行比较分析，得到以下结论：①地下空间形态与碳排放有密切联系；②不同的形态特征参数对碳排放影响方式不同，层数与覆盖率或开洞率的作用较大，而平面形状影响较小；③不同的空间形态类型的碳排放和能耗受到形态参数的影响方式不同。因此，地下空间设计与更新时要考虑充分空间形态的低碳效益，才能更好地实现城市碳减排和碳中和的目标。