体育馆被动式可持续建筑节能设计策略研究

马斌齐 王德炜 由文华

（西安建筑科技大学体育系，陕西 西安 710055）

摘 要：为了分析体育馆的建筑能耗组成情况、建筑节能措施潜力及其利用被动式建筑节能设计手法实现对自然资源的充分利用，降低室内光、热环境对机械设备的依赖程度，从而实现节能和节省投资。本文以西安市某体育馆建筑为例，利用建筑性能分析和优化设计软件（Ecotect Analysis）对体育馆的建筑能耗进行分析，对体育馆被动式建筑设计中常采用的自然采光和自然通风两个主要优化变量进行了定量分析，并得到可行的被动式可持续建筑节能设计策略。

关键词：被动式建筑节能设计；自然采光；自然通风；ECOTECT

基金项目：西安建筑科技大学青年科技基金项目（QN0842）。

作者简介：马斌齐（1974～），讲师，硕士。研究方向：体育场馆规划与节能设计。

随着可持续发展在20世纪末期越来越得到各国的共识，生态建筑观也引起了人们广泛的关注。体育建筑因其内部空间巨大，功能复杂，机械密集，如果在生态技术策略上出现错误，就可能成为“能耗大户”，造成巨大浪费，因此必须重视这类大空间建筑能耗利用及组成情况的研究。本文以体育馆的建筑能耗组成情况、建筑节能措施潜力及其建筑节能设计为研究方向，以大量调研和模拟数据为研究对象，通过专门的建筑性能分析和优化设计软件（Ecotect Analysis）对体育馆的建筑布局、自然通风、自然采光等方面进行模拟分析，将分析数据与实际调研数据相对比，寻求可供推广的最优化体育馆被动式可持续建筑节能设计方案。

1 气候与建筑节能措施潜力分析

1.1 气候分析与最佳朝向

本文所选取研究的具体对象位于西安，分析所采用的软件是Autodesk公司的可视化逐时气象数据分析和转化软件Weather tool。西安市年平均气温为12℃～13.6℃，由于受季风的影响，冬冷夏热、四季分明。夏季极端最高气温为41.4℃～45.2℃，最热月（7月份）平均气温为23℃～27℃，极端最冷气温-16．9℃～-20.8℃，最冷月（1月份）平均气温为-3℃～1℃。年降水量为500mm～700mm。农业气候属于暖温带气候区，在热工分区上属于寒冷地区的ⅡA，建筑设计中应满足夏季防热防潮的要求。

根据Weather tool软件模拟得出的西安地区太阳路径图（图1）和西安地区建筑朝向分析图（图2），可以得出西安地区建筑的最佳朝向为分布在南偏东15°至南偏西15°的范围内，适宜朝向为南向或南偏西、南偏东15°方向，不宜朝向为西向或西北方向。而体育馆的设计之初应充分考虑这一因素，确定最佳朝向。

1.2 建筑节能措施潜力分析

西安地区的热工分区为寒冷地区，本文通过Weather tool软件中的被动式设计分析模块，该模块的分析结果能给出各种被动式措施影响下，位于舒适区域和超出舒适区域的逐时数据所占的百分比。本文主要从被动式太阳能供暖、高热容材料、自然通风和夜间通风4个方面进行了分析，从而得出建筑节能的潜力分析。分析结果如图3～图6所示，图中红色区域表示采用被动式措施后的位于舒适区域所占百分比，黄色区域表示未采用被动式措施位于舒适区域所占百分比。可以看出采用这4种被动式措施后，位于舒适区域内的百分比有不同程度的提高，夜间通风效果最为明显。

2 体育馆能耗模拟分析

2.1 模拟对象基本概况

本文选取西安市某体育馆为模拟对象，该馆设计于2004年，建成于2006年。该体育馆的外墙采用的是300厚陶粒混凝土砌块，外作保温层，其传热系数为0.38W/（m·K）；屋面网架部分采用的是带保温层的铝合金屋面板，传热系数为0.47W/（m·K），作为平台部分屋面的保温层采用了100厚的苯板，其传热系数为0.39W/（m·K）。窗户采用单框双层中空塑钢窗，其传热系数为2.9W/（m·K）。

2.2 模拟结果及分析

通过ECOTECT软件对该体育馆进行能耗模拟分析，分析结果如图7～10所示。其表示体育馆总体和比赛厅的逐月各项能耗模拟结果统计。

从图7可以看出，西安市某体育馆采暖能耗主要集中在1月、2月、11月和12月这4个月，与西安市的采暖期相符合，其中1月和12月达到峰值；制冷能耗主要集中在6月、7月和8月这3个月；而照明能耗相对平均。总体看来，该馆各月的能耗分布与寒冷地区的气候特点相符合。从图8可以看出，西安某体育馆比赛厅各月能耗分布与全馆各月能耗分布基本相同。从图9、图10可以看出，西安市某体育馆全馆和比赛厅的能耗组成中采暖能耗占很大的比例，其次为照明能耗，最少的为制冷能耗。西安某高校体育馆的采暖能耗所占比例相对较大，其主要原因在于外围护结构的保温做的不好，外墙没有设置保温层，屋面的保温层也相对薄弱。由此可见，寒冷地区应该注重对外围护结构的保温设计。另外，全馆和比赛厅各项能耗所占比例较为接近，其原因于在模拟中没有考虑比赛模式，而是按日常训练的模式进行模拟，室内人员较少，而且日常训练对光环境的要求没那么高，使得比赛厅的制冷能耗和照明能耗所占比例与全馆相比并没有明显增加。

经过以上分析，该体育馆比赛厅所消耗的能耗占全馆总能耗的一半还多，其中采暖能耗占全馆采暖能耗的一半左右，制冷和照明能耗占全馆制冷和照明能耗的3/4左右，比赛厅作为体育馆的“能耗大户”可谓实至名归。另一方面，虽然采暖能耗在比赛厅的总能耗中所占比重最大，但横向比较，比赛厅采暖能耗占全馆采暖能耗的比例却小于比赛厅照明能耗和制冷能耗占全馆照明能耗和制冷能耗的比例，并且目前针对外围护结构的研究较多，所以本文选择建筑节能系统中的自然化技术层级作为研究的重点。

3 体育馆自然采光优化设计

3.1 建立体育馆采光优化模型

首先建立体育馆自然采光优化的建筑模型，对模拟的相关参数进行设置。为了使模拟模型更接近体育馆的实际情况，在建立模型时，将观众席的空间纳入建模范围。考虑到高校体育馆的规模，将观众席定为2600座左右，可以满足国际赛事的需求，坐席高度根据视线法求得。由此将比赛厅的平面尺寸定为63m×62m，侧窗开设在观众席后方，距比赛厅室内地面14m、高3m，宽度与场地边长相同，即南北两侧为56m，东西两侧为38m。另一方面，由于本文不是针对整个体育馆进行采光模拟，而只是针对比赛厅的进行采光模拟，模型中没有建立其他附属功能空间和交通空间。

3.2 材料的物理特性

针对自然采光模拟所选择材料的物理特性参数见表1。通过查阅《建筑采光设计标准GB/T 50033-2001》中的相关数据，将室内除地板外各种材料的反射比均按较为不利的情况考虑，定为0.5。

3.3 自然采光模拟

本文将采光口的布置形式、采光口的大小作为自然采光的主要优化设计方案，将通过计算机模拟的方法对优化设计方案的可行性进行分析。

3.3.1 采光口的布置形式

采光口的布置形式可分为集中式和分散式，本文在开窗面积相同的情况下分别对两种形式进行了模拟，由模拟结果的数据统计表（表2）可以看出，虽然两种形式的照度最小值均大于3001x，但照度均匀度U2均小于0.5，不能满足体育馆的日常训练要求。分散式布置比集中式布置照度分布更均匀，并且集中式布置存在眩光的可能性较分散式大，所以分散式布置更接近体育馆的要求。

3.3.2采光口的大小

本文对采光口大小的研究针对在顶界面开设分散式采光口。本文分别选取了天窗面积与场地面积之比分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6进行了模拟。比赛厅的各项参数如表3所示。从中可以发现，当天窗面积与比赛场地面积比值为0.3时，照明均匀度U2已经大于0.5，能够满足日常训练的要求，并且当天窗面积与比赛场地面积比值接近0.5时，照明均匀度U1大于0.4，U2大于0.6，照度最小值大于5001x，能够满足专业训练和业余比赛的要求。

4 体育馆自然通风优化设计

根据设计要求，自然通风措施主要是在春秋两季采用，因此模拟分别针对这两个季节的气候特点进行。首先，分析春秋两季主导风向和风速下屋面和各朝向侧墙表面的风压分布，由此结合建筑设计确定合理的通风口位置；然后对不同通风口大小比赛厅的室内温度场、新风量进行模拟比较，以此来确定通风口的大小。

4.1 通风口位置优化设计

根据所建立的模拟模型，将自然通风通风口位置为：进风口置在南侧外墙；排风口设置在屋面、北侧外墙或者东侧外墙。但上述情况只考虑了风压，而体育馆比赛厅室内空间高度较高，适合利用热压通风；另一方面，为着增加比赛厅内自然通风的均匀性，综合这两方面的因素，可以将通风口的位置范围进一步缩小。同时考虑到坐席区下方的空间被利用起来，不能形成通风的风道，为了便于使通风的风道畅通，而将进风口设置在坐席区上方。因此，本文建议西安地区体育馆通风口的位置按如下方式设置：进风口设置在南侧外墙坐席上方；排风口可采用屋面排风口与北侧排风口相结合的方式，北侧排风口位于高位。

4.2 通风口大小优化设计

通风口的位置基本确定后，可对通风口的大小进行模拟。为了确定通风口的大小，本文对5种不同通风口大小的方案分别进行了模拟。在模拟中将室外温度设置为对自然通风最不利温度，即22℃；室内热源考虑了人体散热和照明散热，人体散热设置为分散热源，布置在比赛厅底部，散热量为每人75W，将照明散热设置成8个带状集中热源，匀均布置在距比赛厅室内地面16m高的位置，散热量为13W/m2，面积按场地面积计算。按照体育馆日常训练和教学模式，模拟的目的在于考察通风口大小对比赛厅室内温度分布和气流速度分布的影响，根据模拟结果确定合适的通风口大小。

通风口大小方案的模拟结果见表4。从表4可以看出通风口大小方案1～5均满足约束条件中舒适度和新风流量的要求，但只有通风口大小方案4和方案5满足对风速的要求。

通过通风口大小方案1～5的模拟结果得出如下结论：西安某体育馆自然通风是以风压作用引起的通风为主；且当进风口面积较小时，北侧外窗起不到排风口的作用；体育馆在日常训练模式下自然通风的通风口大小，当南侧进风口面积为30m2左右，屋面排风口面积为213m2左右时，就能满足西安地区体育馆过渡季节对通风的要求。

5 结 论

体育馆被动式可持续建筑节能优化设计是一个结合多工种、各种设计关系相互协调的复杂过程。本文只是针对西安某体育馆建筑节能系统中的被动式节能设计中最常采用的自然采光和自然通风两个方面进行了优化设计，优化的目标就是在体育馆的运营过程中所消耗的建筑总能耗最少。本文最终得出西安某体育馆建筑的优化设计方案为以下几点：（1）进风口设置在南侧外墙坐席上方；排风口可采用屋面排风口与北侧排风口相结合的方式，北侧排风口位于高位；（2）采用天窗进行采光，并将此作为排风口使用；（3）天窗最小面积应在比赛场地面积的0.1～0.2倍左右；（4）天窗采用分散式的布置形式；（5）进风口设置在南侧外墙，面积约为30m2；（6）天窗开启面积应大于213m2。

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