引言

　　為了實現(xiàn) “雙碳” 目標，我國各行業(yè)都開始實行綠色發(fā)展戰(zhàn)略。《2022 年中國建筑能耗與碳排放研究報告》顯示，2010 至 2020 年間，公共建筑碳排放增長了 51%(6.34×10⁸t CO₂)，并且公共建筑面積從 7.8×10⁹m² 急劇增加到 1.42×10¹⁰m²，年均增長率為 6.2%。因此控制公共建筑的能耗和碳排放至關(guān)重要。體育館作為公共建筑中重要的一類，具有空間尺度大、整體造型多變、運行管理復(fù)雜等特點，因此具有巨大的節(jié)能減排的潛力。

　　與此同時我國大力推動體育事業(yè)的發(fā)展，近幾年舉辦了各類大型國際體育賽事，更是激發(fā)了國民積極參加體育運動的熱情。根據(jù)《2021 年全國體育場地統(tǒng)計調(diào)查數(shù)據(jù)》顯示，2013—2021 年間，我國體育館場地數(shù)量增加了 2.2768×10 個，并且 2021 年我國人均體育場地面積達到 2.41m²。此外，人們在日常運動中更傾向于選擇像羽毛球、籃球等簡單易學(xué)的項目，因此對羽毛球館等室內(nèi)體育場館的需求日益增大，所以推動體育館建筑綠色節(jié)能發(fā)展尤為關(guān)鍵。

　　為了使體育館建筑實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展，需要考慮影響體育館建筑能耗及碳排放的各種因素，在此背景下，眾多學(xué)者開展了一系列研究。一方面，不同的空間結(jié)構(gòu)和布局對體育館節(jié)能有一定影響，蔡曉曦研究了體育館平面和剖面形態(tài)對建筑節(jié)能的影響，總結(jié)出夏熱冬冷地區(qū)體育館生態(tài)設(shè)計的策略要點。同時，體育館的設(shè)備系統(tǒng)也同樣重要，董巧慧通過對不同空調(diào)系統(tǒng)進行模擬，得出采用間歇開啟的方式將有效減少建筑能耗。此外，在體育館設(shè)計之初，設(shè)計人員還需要考慮體育館的典型設(shè)計參數(shù)，這些參數(shù)本身對建筑有一定影響，還會相互影響建筑節(jié)能效果。李嵐等提取了體育館建筑 18 項設(shè)計參數(shù)進行能耗分析，得到高側(cè)窗窗墻比對能耗敏感度最高。因此對于體育館建筑的能耗及碳排放，可以利用主動或被動策略進行優(yōu)化，其中對建筑照明、通風(fēng)等方面優(yōu)化的主動策略占多數(shù)，而針對建筑形式、圍護結(jié)構(gòu)等方面的被動策略也對建筑節(jié)能減排尤為重要，其中張宇翔對既有建筑的圍護結(jié)構(gòu)進行模擬分析，建立了碳排放理論框架，提出了基于圍護結(jié)構(gòu)的碳減排策略。白路恒從圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、建筑體形系數(shù)等方面研究了影響公共建筑碳排放的因素，為低碳設(shè)計提供了參考。

　　綜上可知，大量學(xué)者為實現(xiàn)綠色體育館的節(jié)能減排提供了堅實的基礎(chǔ)，但目前針對體育館建筑的研究多集中于嚴寒地區(qū)建筑的能耗方面，針對寒冷地區(qū)體育館建筑碳排放的研究相對較少，基于此本文對寒冷地區(qū)體育館的建筑能耗展開研究，結(jié)合建筑碳排放因素，探究寒冷地區(qū)體育館建筑能耗及碳排放的影響因素與規(guī)律，為當?shù)伢w育館建筑的綠色節(jié)能設(shè)計提供理論參考和數(shù)據(jù)支持。

　　1 研究對象及方法

　　1.1 研究對象

　　本研究通過對西安市及周邊地區(qū)走訪調(diào)研，結(jié)合調(diào)研結(jié)果，選取西安市某一棟具有典型性和代表性的體育館建筑為研究對象，該建筑的空間布局、構(gòu)造、圍護結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵要素均滿足西安地區(qū)的氣候特征及環(huán)境條件該建筑面積為 2250m²，體形系數(shù)為 0.16，平面尺寸為 50.0m×45.0m×13.5m，比賽大廳尺寸為 38.0m×20.0m。場館開窗方式有天窗與側(cè)窗兩種，整體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其空間布局為比賽大廳位于場地正中，輔助用房等分布在四周。

　　1.2 研究方法

　　建筑能耗模擬分析：在公共建筑中，圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響建筑負荷及碳排放的重要因素，為了探究影響體育館建筑能耗及碳排放的關(guān)鍵因素，本文采用 DesignBuilder 模擬軟件對案例建筑進行全年的能耗模擬。暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定為風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，采用恒流式系統(tǒng)。供熱設(shè)備設(shè)定為燃氣鍋爐，其性能系數(shù) COPh 設(shè)置為 0.85。制冷設(shè)備為電驅(qū)動冷水機組，其性能系數(shù) COPc 設(shè)置為 1.8。供暖和制冷的年運行時間為采暖季從 11 月 15 日至來年 3 月 15 日，制冷空調(diào)季為 6 月至 9 月。通過對寒冷地區(qū)體育館建筑的調(diào)研結(jié)果分析與相關(guān)文獻資料研究，確定選取建筑圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)窗窗墻比、外墻傳熱系數(shù)、天窗窗墻比、側(cè)窗傳熱系數(shù)、天窗傳熱系數(shù)、屋頂傳熱系數(shù)六個構(gòu)造參數(shù)進行影響因素分析。

　　建筑碳排放計算分析：目前，關(guān)于建筑碳排放計算的方法主要有排放因子法、物料平衡法以及實測法 3 類，其中排放因子法是現(xiàn)在計算建筑碳排放的主流方法，該方法簡單明確且具有標準的計算公式，因此本文采用排放因子法對體育館建筑的碳排放進行計算，采用《建筑碳排放計算標準》(GB/T51366—2019)中的碳排放計算方法。體育館建筑運行階段主要考慮空調(diào)和采暖兩個方面的碳排放，通過模擬得出制冷、采暖能耗，折合計算出對應(yīng)的電力消耗量以及天燃氣消耗量，以此來計算碳排放總量。碳排放計算公式如下:

　　C=∑i=1nEiRi 式中：c 為建筑運行階段 CO₂排放量，kg;Ei 為第 i 種能源的消耗量單位;Ri 為 i 物質(zhì)的 CO₂排放因子，kg / 單位。其中電力排放因子根據(jù)《關(guān)于做好 2023—2025 年發(fā)電行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放報告管理有關(guān)工作的通知》中指出 2022 年度全國電網(wǎng) CO₂平均排放因子為;天燃氣排放因子參考《建筑碳排放計算標準》(GB/T51366—2019)，其中天然氣單位熱值 CO₂排放因子為 55.54t/TJ。

　　2 建筑能耗及碳排放影響因素研究

　　2.1 窗戶面積對建筑能耗及碳排放的影響

　　體育館建筑的窗戶面積通常大于其他公共建筑，這主要是由于體育館對于通風(fēng)和照明需求所決定的，因此探究體育館建筑的窗戶面積與能耗、碳排放的關(guān)系。根據(jù)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB55015—2021)要求，屬于寒冷地區(qū)公共建筑的窗墻比應(yīng)不超過 60%，故選取側(cè)窗窗墻比 0.2 - 0.6，步長設(shè)定 0.1，天窗窗墻比 0、0.05、0.10、0.15、0.20。保持其他構(gòu)造參數(shù)不變，分別調(diào)整側(cè)窗和天窗的窗墻比，進行建筑能耗全年模擬。

　　根據(jù)模擬結(jié)果可以看出不論是側(cè)窗還是天窗，窗戶面積的增大都會導(dǎo)致能耗和碳排放的升高。采暖能耗大于制冷能耗，但采暖碳排放反而小于制冷碳排放，這是因為制冷消耗電力的碳排放因子遠大于采暖消耗的天然氣的排放因子。同時制冷碳排放的增速明顯較快，這是因為冬季窗戶既有熱量的流失，也有熱量的獲得，所以窗戶面積大小對采暖碳排放的影響相對較小;而夏季大面積窗戶開啟會導(dǎo)致室內(nèi)的熱量迅速增大，從而引起制冷碳排放的增加。

　　2.2 窗戶傳熱系數(shù)對建筑能耗及碳排放的影響

　　體育館建筑大面積的窗戶使得熱量傳遞更為容易，故體育館窗戶的傳熱系數(shù)對節(jié)能減排有著至關(guān)重要的作用。根據(jù)通用規(guī)范(GB55015—2021)規(guī)定，當體形系數(shù)≤0.30 時單一立面外窗的傳熱系數(shù)的上限值為 2.5W/(m²・K)，屋頂透光部分的傳熱系數(shù)的上限值是 2.4W/(m²・K)，因此設(shè)定側(cè)窗傳熱系數(shù)分別為 1.0、1.5、2.0、2.5，天窗傳熱系數(shù)為 1.4、1.6、1.8、2.0、2.2。模擬結(jié)果顯示，采暖、制冷的碳排放都隨著窗戶傳熱系數(shù)的增大而緩慢增加，全年總碳排放也呈緩慢上升趨勢。分析可知，在冬季由于室外溫度遠低于室內(nèi)溫度，熱量從窗戶流失，導(dǎo)致采暖能耗的增加，因此采暖碳排放也隨之增加;而在夏季時則相反，室內(nèi)溫度低于室外溫度，熱量從窗戶流入室內(nèi)，導(dǎo)致室內(nèi)溫度上升，引起制冷能耗的增加，故而制冷碳排放也會增加。窗戶的傳熱系數(shù)對建筑碳排放有一定的影響。當側(cè)窗傳熱系數(shù)從 1W/(m²・K)增長到 3W/(m²・K)時，建筑制冷碳排放、采暖碳排放及總碳排放增幅分別為 0.5%/0.1，0.37%/0.1，0.44%/0.1。

　　2.3 墻體傳熱系數(shù)對建筑能耗及碳排放的影響

　　體育館作為多功能公共建筑，墻體設(shè)計需滿足多種使用需求，如寬敞的內(nèi)部空間、良好的通風(fēng)條件等。然而這些需求往往會增加體育館的能耗。因此，墻體傳熱系數(shù)的節(jié)能設(shè)計顯得尤為重要。根據(jù)通用規(guī)范(GB55015—2021)，當寒冷地區(qū)公共建筑體形系數(shù)≤0.30 時，外墻的傳熱系數(shù)應(yīng)不大于 0.50W/(m²・K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不大于 0.40W/(m²・K)，故設(shè)定外墻傳熱系數(shù)為 0.1 - 0.5，步長設(shè)定 0.1，設(shè)定屋頂傳熱系數(shù)為 0.05、0.15、0.25、0.35、0.40。模擬結(jié)果顯示，隨著傳熱系數(shù)的增加，外墻和屋頂總能耗和總碳排放都呈現(xiàn)上升趨勢，但屋頂?shù)闹评涮寂欧烹S屋頂傳熱系數(shù)的增加反而有所降低。究其原因，當屋頂傳熱系數(shù)減小時，墻體保溫效果更好，墻體的蓄熱能力也隨之提高，所以夏季日間碳排放有所降低，但是對于夏季夜間，較小的傳熱系數(shù)反而阻止了墻體向室外散熱，從而增加了制冷碳排放。由此可知，非透明圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)對建筑能耗和碳排放都有著密切的關(guān)系，尤其對于寒冷地區(qū)來說對采暖能耗需求更大，設(shè)計合理的墻體傳熱系數(shù)將對節(jié)能減排有較大的作用。

　　3 多因素建筑碳排放影響研究

　　3.1 正交試驗設(shè)計

　　通過對以上選取的六個因素進行單因素分析后，分別用 A，B，C，D，E，F(xiàn) 代表側(cè)窗窗墻比、天窗窗墻比、側(cè)窗傳熱系數(shù)、天窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、屋頂傳熱系數(shù)，再根據(jù)單因素分析結(jié)果，選取這六種因素的合理水平，每種因素分為 3 個水平，采用 L18 (3⁶) 正交實驗表。利用正交實驗法分析各因素相互作用下對體育館能耗及碳排放的影響，采暖、制冷碳排放模擬計算結(jié)果。

　　3.2 極差分析

　　極差可以反映出一組數(shù)據(jù)的離散程度，極差值越大，則該因素的數(shù)值變化對試驗結(jié)果的影響也就越大。極差通過下式計算：

　　R=max{ki}−min{ki}式中：R 為極差;ki 為每個因素在水平 i 下的試驗結(jié)果的平均值。對正交試驗極差結(jié)果 ki (k₁,k₂,k₃) 值的直觀分析如下。

　　根據(jù)分析結(jié)果，影響體育館建筑采暖碳排放的關(guān)鍵因素是天窗窗墻比、側(cè)窗傳熱系數(shù)和屋頂傳熱系數(shù)，而側(cè)窗窗墻比、天窗傳熱系數(shù)和外墻傳熱系數(shù)對采暖碳排放影響較小。選取 k₁，k₂，k₃中最低水平得到最佳水平組合為 A₃B₁C₁D₂E₁F₁。對于制冷碳排放而言，極差最大的是側(cè)窗窗墻比，其次是側(cè)窗傳熱系數(shù)，其他因素的極差較小，故對體育館建筑制冷碳排放影響較小，且制冷碳排放最佳水平組合為 A₁B₁C₁D₂E₁F₁。由此可以分析出針對體育館建筑的制冷碳排放應(yīng)首先考慮窗戶的大小和傳熱系數(shù)。

　　總碳排放極差分析顯示，側(cè)窗傳熱系數(shù)對總碳排放的影響程度最大，其次是側(cè)窗窗墻比、屋頂傳熱系數(shù)，并且得出總碳排放最佳水平組合為 A₁B₁C₁D₂E₁F₁。通過極差分析得到的總碳排放最佳組合與制冷碳排放最佳組合相同，而與采暖碳排放最佳組合有所區(qū)別，原因是在冬季側(cè)窗窗墻比的增大，建筑通過窗戶獲得的太陽輻射要大于通過外窗的熱損失量。根據(jù)分析可知影響體育館建筑采暖碳排放的各因素主次順序為 B > C > F > A > E > D;影響制冷碳排放的各因素主次順序為 A > C > F > D > B > E;各因素對總碳排放量影響主次順序為 C > A > F > B > E > D。綜合分析采暖制冷以及總碳排放極差結(jié)果，得出該體育館建筑圍護結(jié)構(gòu)的最優(yōu)水平組合是 A₁B₁C₁D₂E₁F₁，但該組合對工程施工技術(shù)要求極高、投資成本大且未必能提供滿足人體舒適度的空間環(huán)境，故只能作為理論最優(yōu)組合。

　　3.3 方差分析

　　方差分析法能夠減小試驗誤差的影響，確定各因素的顯著性水平以及驗證極差分析的結(jié)果。結(jié)合正交試驗結(jié)果進行方差計算，得出影響體育館建筑碳排放的顯著性因素。對于采暖碳排放，F(xiàn) 值大小排序為 B > C > F > A > E > D，即天窗窗墻比的影響最大，側(cè)窗傳熱系數(shù)次之，與極差分析結(jié)果一致，但采暖碳排放所有因素的顯著性水平 P 值均大于 0.05，說明各因素對建筑采暖碳排放均無顯著影響。

　　對于制冷碳排放，F(xiàn) 值大小排序為 A > C > F > D > B > E，即側(cè)窗窗墻比的影響最大，側(cè)窗傳熱系數(shù)次之，與極差分析結(jié)果一致。其中側(cè)窗窗墻比和側(cè)窗傳熱系數(shù)的顯著性 P 值均小于，所以側(cè)窗窗墻比和側(cè)窗傳熱系數(shù)是制冷碳排放的顯著影響因素，且其 P 值小于的數(shù)倍說明這兩個因素是極顯著的影響因素，而其他因素的 P 值均高于 0.05，故不是制冷碳排放的顯著性因素。所以應(yīng)優(yōu)先以制冷碳排放為約束條件進行側(cè)窗的節(jié)能設(shè)計。對于總碳排放，其 F 值大小排序為 A > C > F > B > D > E，表明側(cè)窗窗墻比的影響最大，側(cè)窗傳熱系數(shù)次之，并且這兩者的顯著性 P 值都小于，對建筑總碳排放具有顯著影響。

　　綜合極差分析和方差分析結(jié)果，側(cè)窗窗墻比及其傳熱系數(shù)對建筑制冷碳排放和總碳排放都有顯著影響。綜合分析得出 A₁B₂C₂D₁E₂F₃為最優(yōu)組合，并且側(cè)窗窗墻比、天窗窗墻比、側(cè)窗傳熱系數(shù)、天窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、屋頂傳熱系數(shù)應(yīng)分別控制在 0.2、0.1、2.0、1.2、0.3、0.45 以下，節(jié)能效果最好。

　　3.4 優(yōu)化前后建筑能耗及碳排放對比分析

　　通過對正交試驗結(jié)果的極差和方差分析，該體育館建筑圍護結(jié)構(gòu)的最優(yōu)構(gòu)造參數(shù)組合為

　　A1B2C2D1E2F3，即側(cè)窗窗墻比 20%、天窗窗墻比 10%、側(cè)窗傳熱系數(shù)2.0W/(m2⋅K)、天窗傳熱系數(shù)1.2W/(m2⋅K)、外墻傳熱系數(shù)0.3W/(m2⋅K)、屋頂傳熱系數(shù)0.45W/(m2⋅K)。將案例建筑構(gòu)造參數(shù)和最優(yōu)構(gòu)造參數(shù)組合分別進行能耗及碳排放模擬，模擬結(jié)果顯示，優(yōu)化后的體育館建筑能耗及碳排放量均有所降低。最優(yōu)構(gòu)造參數(shù)組合得到的總能耗為 499.8MWh，單位面積能耗為222.14kWh，采暖碳排放、制冷碳排放、總碳排放分別為69.14tCO2、82.43tCO2、151.56tCO2，單位面積CO2排放分別為30.73kg/m2、36.63kg/m2、67.36kg/m2。

　　與案例建筑構(gòu)造參數(shù)組合相比，單位面積總能耗降低了26.70kWh，降幅為 10.73%，采暖、制冷及總碳排放單位面積分別降低了2.31kgCO2、8.46kgCO2、10.77kgCO2，降幅分別為 6.99%、18.76%、13.78%。

　　通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，與其它公共建筑相比，體育館建筑具有空間結(jié)構(gòu)大、單層明顯高、能源需求高等顯著特點，在圍護結(jié)構(gòu)的保溫和隔熱方面面臨較大的挑戰(zhàn)，通過優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能減排效果明顯。因此，通過優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)節(jié)能減排，是體育館建筑設(shè)計中需要重點關(guān)注的問題。

　　4 結(jié)論

　　本文的研究對象為體育館建筑，以實現(xiàn)綠色體育館的節(jié)能減排為目標，分析圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造參數(shù)對建筑能耗和碳排放的影響規(guī)律，總結(jié)出適宜于寒冷地區(qū)綠色體育館構(gòu)造參數(shù)組合。

　　當側(cè)窗、天窗的窗墻比和側(cè)窗、天窗、外墻的傳熱系數(shù)增大時，采暖、制冷以及總碳排放都隨之增加;當屋頂傳熱系數(shù)增大時，制冷碳排放有所降低，但采暖碳排放增加，所以總碳排放呈上升趨勢。

　　影響體育館建筑總碳排放的構(gòu)造參數(shù)主次順序為側(cè)窗傳熱系數(shù) > 側(cè)窗窗墻比 > 屋頂傳熱系數(shù) > 天窗窗墻比 > 外墻傳熱系數(shù) > 天窗傳熱系數(shù)，通過正交實驗驗證，得到最優(yōu)構(gòu)造參數(shù)組合為側(cè)窗窗墻比 20%、天窗窗墻比 10%、側(cè)窗傳熱系數(shù)2.0W/(m2⋅K)、天窗傳熱系數(shù)1.2W/(m2⋅K)、外墻傳熱系數(shù)0.3W/(m2⋅K)、屋頂傳熱系數(shù)0.45W/(m2⋅K)。體育館建筑最優(yōu)構(gòu)造參數(shù)組合與案例建筑構(gòu)造參數(shù)組合相比，總能耗降低了 10.73%;采暖碳排放、制冷碳排放、總碳排放相分別降低了 6.99%、18.76%、13.78%。

周 雨;富仁杰;徐藹彥;唐大波;朱軼韻,西安理工大學(xué);土木建筑工程學(xué)院,202404