范征宇，孫東賢，劉加平

1 背景與問題

近年來，隨著開架閱覽的普及，圖書館在功能目標(biāo)上日益趨向“以人為本”的服務(wù)設(shè)計，建筑在以功能分區(qū)為主導(dǎo)的廊式模式基礎(chǔ)上逐步向模數(shù)式空間轉(zhuǎn)變，即在保留“藏借閱管”的功能分區(qū)形式下，將被分隔的小空間合并為通透的大空間，條狀的交通空間被集中為塊狀空間[1]，并承擔(dān)著文化服務(wù)、開放教育與休閑娛樂等功能[2]。使用模式的變化帶來空間模式隨之改變，以高校圖書館為代表的建筑逐步向大規(guī)模、大體量、大進(jìn)深的復(fù)合集中式空間組織模式發(fā)展，水平及垂直向的流動開放性成為其主要特征，極大地豐富了功能空間的多樣性。

然而，大進(jìn)深的開放閱覽空間愈加依賴人工照明、機械通風(fēng)、機械調(diào)溫來滿足空間熱環(huán)境舒適需求，并且前期被動設(shè)計策略的把控不當(dāng)，進(jìn)一步導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境舒適度的降低和建筑能耗的增加[3，4]。例如，圖書館因功能布局不合理，白天也要進(jìn)行人工采光，極大增加了照明能耗。同時，空間組織不合理，造成部分區(qū)域光線過強，熱舒適性較差，空調(diào)負(fù)荷較大。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某館即使開著空調(diào)，閱覽區(qū)的讀者依然很熱，需要打傘學(xué)習(xí)。還有部分圖書館核心功能閱覽區(qū)因設(shè)計模式不合理造成利用率不高，使用效率低下。此類問題不僅造成后期運行、管理和維護成本過高，同時能耗資源浪費也顯著增加，不符合圖書館綠色發(fā)展的理念。

在建筑初期設(shè)計階段，若提供被動式節(jié)能措施的效果策略，可便于建筑師進(jìn)行合理的節(jié)能設(shè)計。通過借助生態(tài)建筑設(shè)計軟件 Ecotect 的子軟件氣候分析工具 Weather Tool，結(jié)合典型氣象年數(shù)據(jù)（CSWD），對以北京為代表的寒冷氣候區(qū)氣候條件進(jìn)行分析。如圖1和圖2所示，在太陽方位圖和焓濕圖里可看出，最佳布局朝向為南偏東17.5°，采用空間組織進(jìn)行自然通風(fēng)、被動式太陽得熱等被動式技術(shù)后，人員舒適范圍得到有效提升。因此，合理的被動式空間布局設(shè)計能大幅度減少空調(diào)設(shè)備的使用，降低能耗?？傮w來說，當(dāng)今高校圖書館面臨的需要解決的核心問題，實際上是如何在滿足創(chuàng)新化需求的情況下，通過功能空間組織設(shè)計達(dá)到整體能耗最小、舒適度最佳的平衡，對高校圖書館的可持續(xù)發(fā)展有著實際意義。

圖1 寒冷氣候區(qū)（北京）太陽方位圖

圖2 寒冷氣候區(qū)（北京）焓濕圖

因此，通過搜集現(xiàn)有已建成的寒冷氣候區(qū)高校圖書館案例，抽取模型原型，選取典型城市北京代表寒冷氣候區(qū)，運用DesignBuilder能耗模擬軟件，探究圖書館功能空間的設(shè)計方式對能耗的影響，并根據(jù)節(jié)能效果提出適宜寒冷氣候區(qū)的內(nèi)部空間組織優(yōu)化建議。

2 高校圖書館型體設(shè)計現(xiàn)狀及模型原型的選取設(shè)置

2.1 高校圖書館模擬原型的提取

在建筑節(jié)能評價中，應(yīng)該首先明確建筑本體的節(jié)能貢獻(xiàn)，外部型體會對圖書館的能耗產(chǎn)生不同的影響[5-7]。因此首先通過廣泛搜集現(xiàn)有寒冷氣候區(qū)中已建成的23所高校圖書館案例進(jìn)行分析，對建筑型體、建筑面積、層數(shù)、建筑尺度和建筑平面長寬比進(jìn)行統(tǒng)計研究。對部分典型案例通過取算術(shù)平均數(shù)值的方法進(jìn)行歸納提取，確定模擬原型的面積為34520m2，層數(shù)為5層，內(nèi)部有通高中庭，中庭長寬比為1∶1，建筑平面長寬比為1∶1的型體模式。

2.2 圖書館內(nèi)部功能空間的選取與設(shè)計

建筑中使用空間因其不同功能而產(chǎn)生能耗等級的差異，因此將功能分類轉(zhuǎn)換為性能等級分類，是對公共建筑功能分區(qū)理論的重要發(fā)展。其意義在于認(rèn)識和把握建筑功能、性能、能耗之間的內(nèi)在聯(lián)系[8]。通過建立合理的功能空間布局，達(dá)到建筑空間形態(tài)設(shè)計的氣候適應(yīng)性，進(jìn)而在前提上奠定建筑降能減排的綠色節(jié)能設(shè)計基礎(chǔ)。依據(jù)對氣候性能要素及其規(guī)范中指標(biāo)要求的嚴(yán)格程度可分為：低性能空間、普通性能空間、高性能空間[9]。

圖書館建筑中，因閱覽空間和研修辦公空間在規(guī)范中具有較高的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)需求，固定義為高性能空間。普通性能空間則由報告、展覽等次要使用功能空間組成。其余功能空間即交通輔助等因其較低的使用率和人員密度，固將其定義為低性能空間。各面積和占比如表2所示，并依據(jù)《圖書館建筑設(shè)計規(guī)范JGJ38-2015》[10]合理選取。

表2 性能空間分類

表1 高校圖書館案例統(tǒng)計

3 高校圖書館空間組織模型建立

3.1 空間組織變量的選取設(shè)定

閱覽空間作為圖書館中的主要使用空間，對采光和熱環(huán)境都有著較高的標(biāo)準(zhǔn)，不同的組織模式和布局方式對建筑整體能耗也有顯著影響[11]。同時，高大中庭作為高性能空間，其形體設(shè)計與能耗也密切相關(guān)[12]。因此，提出閱覽空間變量組和中庭空間變量組兩個核心組別。（1）閱覽空間變量組：以閱覽空間和交通空間在平面中的相對位置作為變量，即在保證除變量之外的各功能空間面積、位置、形式不變的前提下，通過改變平面布局中的交通輔助空間的位置，間接改變閱覽空間的布局形式，從而來探討不同閱覽模式下的能耗變化。（2）中庭空間變量組：以中庭空間在平面中的相對位置作為變量，即通過改變中庭空間的局部錯層方向與研修空間的朝向布置形式，來研究高大中庭對高校圖書館能耗的影響。

3.2 模擬組別設(shè)定與模型構(gòu)建

基于以上兩種變量，參照不同寒冷地區(qū)案例的典型平面布置方式，結(jié)合設(shè)計規(guī)范中的圖書館建筑功能流線要求及相關(guān)文獻(xiàn)的節(jié)能設(shè)計研究[13]，形成具有代表性的8組空間組織模式，A-D組為閱覽空間變量組，E-H組為中庭空間變量組，各組平面圖如圖3所示。

圖3 各模擬組別平面圖（A～D組：閱覽空間變量組；E～H組：中庭空間變量組）

A組是參照寒冷氣候區(qū)典型案例北京建筑工程學(xué)院圖書館的簡化平面布局模式，中庭作為圖書館的核心空間，垂直交通輔助空間為中心式位于中庭四角。一層為報告廳、展廳和辦公空間，二層至四層為水平環(huán)繞式的開架閱覽空間與藏書空間，五層為研修空間。

B組是參照寒冷氣候區(qū)典型案例山東師范大學(xué)長清校區(qū)圖書館的簡化平面布局模式，將能耗較小的交通輔助空間置于整個建筑形體的平面四角處，閱覽空間成為水平復(fù)合式。

C組是參照寒冷氣候區(qū)典型案例北京中央財經(jīng)大學(xué)圖書館案例的簡化平面布局模式，將能耗較小的交通輔助空間位于整個建筑形體的平面的南北側(cè)，集中的閱覽空間被劃多個小空間，形成水平分散式的布局。

D組是參照寒冷氣候區(qū)典型案例天津南開大學(xué)圖書館案例的簡化平面布局模式，將能耗較小的交通輔助空間位于整個建筑形體的平面的東西側(cè)，集中的閱覽空間被劃分為南北兩個閱覽區(qū)，形成水平并列式的模式。為保證控制單一變量的模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，B、C、D組的各層其他功能布局形式、朝向方位均與A組相同。

E、F、G、H組是在A組的基礎(chǔ)上，在保證其他功能空間的位置、面積和布局基本不發(fā)生變化的情況下，改變單一變量，將第五層通高中庭的位置分別向西側(cè)、東側(cè)、南側(cè)、北側(cè)錯位，即將對建筑整體能耗較大的高大中庭空間在剖面上劃分為兩個連通的垂直復(fù)合式局部中庭空間。從剖面上分析，核心為縱向通高錯層式中庭，中部為垂直交通空間，頂層外側(cè)為南北向或東西向研修空間的組合模式，Design Builder中模型照片如圖4。

圖4 Design Builder模型平面圖

為方便對下文中的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，將各組別的屬性、模式及控制變量的方式進(jìn)行匯總，詳見表3。

表3 模擬組別設(shè)置

3.3 模擬軟件的選擇及模擬參數(shù)的設(shè)置

圖書館建筑模擬采用動態(tài)能耗模擬軟件Design builder，運行的計算引擎是Energy-Plus，可提供氣候、建筑、構(gòu)件的熱物理特性，以及運行計劃和HAVC設(shè)備。氣象數(shù)據(jù)為 CSWD 格式，依據(jù)中國氣象局氣象信息中心資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系主編的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》進(jìn)行設(shè)置，同時氣象參數(shù)選取北京地區(qū)的資料，作為典型城市代表寒冷地區(qū)，從而為研究不同空間組織模式與能耗的關(guān)系提供依據(jù)。模擬導(dǎo)出的數(shù)據(jù)包括制冷負(fù)荷、采暖負(fù)荷和照明能耗，經(jīng)COP折算后，模擬以總能耗與節(jié)能率數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。

各功能空間的性能參數(shù)根據(jù)《民用建筑綠色性能計算標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T449-2018》[14]以及《圖書館建筑設(shè)計規(guī)范JGJ38-2015》[10]上的參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范上沒有的參數(shù)按照軟件模板上默認(rèn)的數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，具體如表4所示。

表4 功能空間參數(shù)設(shè)置

建筑圍護結(jié)構(gòu)可以起到抵御外部不利環(huán)境因素的作用，不同的選取與設(shè)置對建筑能耗有著重要的影響[15]，模型的圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)依照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[16]中規(guī)定的寒冷氣候區(qū)公共建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能限值，將規(guī)范中設(shè)計的熱工參數(shù)作為模擬中的默認(rèn)參量，進(jìn)行了模型設(shè)置，詳見表5。

表5 圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

4 模擬結(jié)果比較與分析

通過 Design Builder軟件進(jìn)行全年冷熱負(fù)荷與照明負(fù)荷的模擬計算，并將輸出的 Summary 供給熱量與冷量結(jié)果（單位采用 kwh）通過冷熱源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（COP）處理轉(zhuǎn)換為能耗數(shù)值進(jìn)行分析。

4.1 閱覽空間組能耗分析

4.1.1 單位面積年制冷、采暖能耗

模擬顯示，A組的單位面積年制冷能耗和年采暖能耗數(shù)值最高，分別為：15.76kwh/m2/yr和17.84kwh/m2/yr。同時，由圖5可知，將低性能的交通輔助空間置于氣候邊界處的B、C和D組，與高性能閱覽空間環(huán)繞氣候邊界布置的A組相比，單位面積年制冷和年采暖能耗在各氣候區(qū)均有所降低，表明低性能空間置于氣候邊界可以起到緩沖不利外界氣候因素的作用。

圖5 閱覽空間變量組采暖、制冷能耗

B組將交通輔助空間置于四角處，閱覽空間形成水平集中式，其緩沖節(jié)能效果最為明顯，單位面積年制冷能耗和年采暖能耗最低，分別為：14.70kwh/m2/yr和14.77kwh/m2/yr。同時，C組的單位面積年制冷能耗和年采暖能耗的較低也較為明顯，分別為：15.12kwh/m2/yr和15.84kwh/m2/yr，表明當(dāng)閱覽空間的形式為水平分散式，即將單一開放的高性能閱覽區(qū)劃分為多個小閱覽空間，也可以起到一定降低能耗的作用。單位面積年制冷能耗和年采暖能耗的排序為：A組＞D組＞C組＞B組。

4.1.2 單位面積年照明能耗

由圖6可知，A組的單位面積年照明能耗數(shù)值最低為：33.19kwh/m2/yr，表明將對照明標(biāo)準(zhǔn)需求較低的交通輔助空間置于氣候邊界處，間接影響了采光要求較高的閱覽區(qū)采光，致使B、C、D組的單位面積照明能耗與A組相比在各氣候區(qū)均有所增加。

圖6 閱覽空間變量組照明能耗

同時，模擬數(shù)值顯示B組因其交通輔助空間占據(jù)了有利采光的建筑平面四角處，致使年照明能耗的增加最為顯著為：34.84kwh/m2/yr。C和D組也同樣因為對采光需求較低的交通輔助空間布置在采光效果較為優(yōu)越的平面兩側(cè)，導(dǎo)致建筑整體年照明能耗與A組相比在各氣候區(qū)均略微增加。單位面積年照明耗排序為：B組＞D組＞C組＞A組。

4.1.3 單位面積年總能耗與節(jié)能率

由圖7可知，A組的單位面積年總能耗數(shù)值最高，為66.79kwh/m2/yr，同時結(jié)合上文中的各單項能耗分析，表明將低性能的交通輔助空間置于外界環(huán)境邊界處的B、C、D組，在各氣候區(qū)均起到了緩沖空間的作用，雖單位面積年照明能耗增加，但單位面積年采暖和制冷能耗均顯著降低，足以彌補并能起到降低總能耗的效果。

圖7 閱覽空間變量組總能耗與節(jié)能率

B組的單位面積年總能耗的降低數(shù)值最明顯為：64.31kwh/m2/yr，節(jié)能率為3.71%。C組在各氣候區(qū)的單位面積年總能耗也顯著降低為：65.07kwh/m2/yr，節(jié)能率為2.58%。單位面積年總能耗排序為：A組＞D組＞C組＞B組，節(jié)能率排序為：B組＞C組＞D組＞A組。

4.2 中庭空間組的能耗分析

4.2.1 單位面積年制冷、采暖能耗

由圖8可知，將高大中庭進(jìn)行錯位布置的E、F、G、H組，其單位面積年制冷能耗與未進(jìn)行錯層的A組相比均有所減小。因中庭形成的空氣流動起到了很好的通風(fēng)效果，且內(nèi)外部空間空氣壓力差引起室內(nèi)外空氣流動，降低了對空調(diào)的依賴[17，18]。數(shù)值顯示，中庭向西側(cè)錯位的E組與其他三個方向錯位的組別相比，單位面積年制冷能耗最大為：13.64kwh/m2/yr，表明中庭向西側(cè)錯層布置，受到西曬影響較為顯著。中庭向北側(cè)錯位的H組單位面積年制冷能耗最小為：12.64kwh/m2/yr。單位面積年制冷耗排序為：A組＞E組＞G組＞F組＞H組。

圖8 中庭空間變量組采暖、制冷能耗

將中庭進(jìn)行局部錯位布置的E、F、G、H組，單位面積年采暖能耗與未進(jìn)行錯層的A組相比均有所減小。其中，將中庭向南側(cè)錯位布置的G組單位面積年采暖能耗最小為：14.52kwh/m2/yr，表明中庭向南側(cè)錯層，有利于接受較多的的太陽輻射，對降低年采暖能耗的效果較為顯著。將中庭向北側(cè)布置的H組年采暖能耗最大為：15.52kwh/m2/yr。單位面積年采暖能耗排序為：A組＞H組＞F組＞E組＞G組。

4.2.2 單位面積年照明能耗

模擬數(shù)值顯示，將高大中庭進(jìn)行局部錯位布置的E、F、G、H組，單位面積年照明能耗與未進(jìn)行錯層的A組相比均有所增加。

由圖9可知，將中庭向南側(cè)錯位布置的G組單位面積年照明能耗最小為：34.90kwh/m2/yr。將中庭向北側(cè)錯位布置的H組單位面積年照明能耗最大為：36.12kwh/m2/yr。將中庭向西側(cè)錯位的E組單位面積照明能耗略微低于中庭向東側(cè)錯位的F組。單位面積年制冷耗排序均為：H組＞F組＞E組＞G組＞A組。

圖9 中庭空間變量組照明能耗

4.2.3 單位面積總能耗和節(jié)能率

綜合分析，中庭錯位布置的E、F、G、H組，其單位面積年總能耗均小于未錯層的A組，表明將中庭局部錯位布置，雖單位面積照明能耗增加，但單位面積采暖能耗和制冷能耗的減小較為明顯，彌補不利因素導(dǎo)致的能耗增加。由圖10可知，在中庭錯位布置的組別中，G組的單位面積年總能耗排序最低為62.89kwh/m2/yr，相應(yīng)的節(jié)能率最高為5.84%。

圖10 中庭空間變量組總能耗與節(jié)能率

結(jié)語

基于現(xiàn)有高校圖書館建筑設(shè)計的案例，進(jìn)行抽取典型總體空間形態(tài)模擬原型。通過改變高性能閱覽空間的組織模式和高大中庭空間的局部錯層朝向，提出8組空間組織模式并在寒冷氣候區(qū)下開展模擬計算，總結(jié)得出以下結(jié)論：

在閱覽空間變量組的4種組合模式中，復(fù)合閱覽形式的總體能耗最小，節(jié)能率最高達(dá)到3.71%。并列閱覽形式和環(huán)繞閱覽形式的總體能耗相差不大，且環(huán)繞閱覽形式的總體能耗最高。四組閱覽模式的節(jié)能率排序為：復(fù)合式＞分散式＞并列式＞環(huán)繞式。

中庭局部錯層的組別與未錯層相比，總能耗均有所降低，且在中庭空間變量組的4種組合模式中，中庭向南側(cè)局部錯層的組織形式的總體能耗最小，節(jié)能率最高，達(dá)到5.84%，中庭向北側(cè)錯層的節(jié)能率最低。中庭空間變量組的節(jié)能率均大于閱覽空間變量組，縱向中庭局部錯層布置對建筑總能耗的影響率高于閱覽空間的平面組織變化。

基于以上模擬結(jié)論，在前期方案設(shè)計階段，可將交通輔助空間等低性能空間置于建筑邊界處，形成類似于過渡空間的緩沖區(qū)，從而緩解外部不利氣候環(huán)境對內(nèi)部空間的消極影響[19]。同時，可以考慮將高大通高中庭進(jìn)行局部錯層設(shè)計，并且優(yōu)先考慮將中庭布置在南側(cè)，不僅有利于建筑總體能耗的降低，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)，同時還有利于增強縱向剖面的多樣化，提升現(xiàn)代高校圖書館內(nèi)部空間的趣味化。

圖11 模擬組別總能耗

圖12 模擬組別單項能耗

圖、表來源

文中圖、表均由作者繪制。