寒地住宅建筑氣候適應性建筑表皮的數(shù)據(jù)挖掘研究

瞿蕭羽 高智慧 劉子恒

（1吉林建筑大學城建學院， 吉林 長春 130111；2長春華大房地產(chǎn)開發(fā)有限責任公司， 吉林 長春 130000）

對于建筑自然環(huán)境而言，氣候適應性代表了一種建筑、自然環(huán)境二者積極的共生策略。也就是說建筑本身應該具備一定的氣候適應性，通過其建筑表皮來積極主動適應外界氣候動態(tài)變化，設置符合于自身要求的氣候動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在寒冷地區(qū)，寒地建筑表皮應該保證能在冬季大量吸收太陽輻射熱，同時也能阻止室內(nèi)熱量過度散失，提高建筑室內(nèi)熱舒適度，減少建筑冬季的采暖耗熱量，節(jié)約建筑運營成本

1 建筑表皮基本研究與數(shù)據(jù)挖掘

1.1 建筑表皮的基本概念

建筑表皮是指建筑的圍護結(jié)構(gòu)表層，或者直接指代圍護結(jié)構(gòu)本身，它是構(gòu)成建筑實體最為重要的組成部分。而圍護結(jié)構(gòu)所包含的環(huán)節(jié)就包括了建筑房間的各種圍擋物，例如門、窗、墻等等，這些圍擋物能夠有效抵御外界不利環(huán)境，保證建筑內(nèi)部環(huán)境空間高穩(wěn)定性，提高空間舒適性與私密性[1]。

1.2 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是指從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用知識的復雜過程，其數(shù)據(jù)可存放于數(shù)據(jù)庫中，也可以結(jié)合其它信息庫共同使用。目前的數(shù)據(jù)挖掘?qū)儆谝婚T交叉性學科，它其中就涵蓋了設計數(shù)據(jù)庫、機器學習、人工智能、模式識別、統(tǒng)計學、信息學以及數(shù)學可視化等多個技術領域。目前數(shù)據(jù)挖掘技術結(jié)合數(shù)據(jù)的應用正在呈現(xiàn)快速增長趨勢，它能發(fā)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)中的特定模式規(guī)律內(nèi)容，也包括諸多領域所提供的可靠知識信息?？偠灾?，它能夠發(fā)現(xiàn)諸多潛在知識信息內(nèi)容，且能夠以人類理解的方式展示出來，其中就結(jié)合了大量的人機交互與技術調(diào)整內(nèi)容，對發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量知識內(nèi)容非常有幫助。它的具體功能應用就包括了以下6點：

數(shù)據(jù)清洗——數(shù)據(jù)集成——數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換——數(shù)據(jù)挖掘——模式評估——知識表示[2]

2 寒地住宅建筑的氣候適應性表皮冬季實驗分析與數(shù)據(jù)挖掘

2.1 寒地住宅建筑氣候適應性建筑表皮的數(shù)據(jù)挖掘應用分析

首先要確定寒地目標住宅的即有維護結(jié)構(gòu)材料與能耗情況，包括它的房間氣密性與功能系統(tǒng)，首先對它的數(shù)據(jù)進行清理分析，要結(jié)合寒地基本氣候條件與建筑改造成本來首先清除與主體無關的數(shù)據(jù)，再進行目標建筑各項指標測試，例如能耗、最冷最熱月份的溫度與建筑內(nèi)溫濕度等等，即數(shù)據(jù)挖掘過程。一般來說，建筑內(nèi)符合人體感覺的最舒適溫度在21～24℃左右，其相對濕度則要控制在40～80%左右為最佳，冬季采暖過程中，它的相對濕度則要控制在30～60%。

這里舉個例子，要根據(jù)寒地住宅建筑的實際能耗預測模型，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術來分析它的建筑表皮氣候適應性特點，例如利用量化關聯(lián)性分析QARM為主要采納工具來對建筑所運行數(shù)據(jù)與隱藏知識進行數(shù)據(jù)挖掘，結(jié)合研究經(jīng)驗挖掘提出提升建筑表皮氣候適應性的關聯(lián)法則。

首先，可以利用聚類分析結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘?qū)ㄖ砥?shù)據(jù)進行分類，利用BAS數(shù)據(jù)按照寒地住宅建筑所處的冬季環(huán)境進行分析（一般為11月～2月），再用QARM挖掘每個數(shù)據(jù)子集中的量化關系法則。在后期處理階段，通過計算提升方差值的方法來建筑表皮氣候適應性與建筑外寒地氣候的量化關系法則，分析建筑在冬季季節(jié)的實際能耗。

其次，要利用到?jīng)Q策樹對建筑表皮氣候適應性問題進行處理，其中決策樹輸出量應該為PAU能耗，輸入量則為建筑數(shù)據(jù)中的其他變量。這里就以11月～2月為區(qū)間，分析寒地住宅建筑的表皮PAU能耗，假設PAU為三級控制，能耗分別為0L/s、900L/s、1200L/s和1500L/s，進一步進行數(shù)據(jù)挖掘，提出建筑表皮能耗(WCC)與建筑能耗(PAU)之間的關聯(lián)法則，如表1。

表1 建筑表皮能耗(WCC)與建筑能耗(PAU)之間的關聯(lián)法則

如上表1，它就基于數(shù)據(jù)挖掘技術與多種其它輔助技術表示了建筑表皮能耗與建筑能耗之間的關聯(lián)法則，提取寒地住宅建筑所經(jīng)歷的氣溫最低的4個月數(shù)據(jù)進行分析，基本了解了在這段時間內(nèi)建筑的整體能耗，從側(cè)面明確了它的建筑表皮氣候適應性功能表現(xiàn)。

2.2 冬季實驗

對寒地住宅建筑表皮的氣候適應性進行冬季實驗的宗旨在于不改變建筑任何構(gòu)造關系的情況下，有效降低室內(nèi)外溫差，同時滿足節(jié)能要求。建筑窗系統(tǒng)種類多樣，在對它進行調(diào)節(jié)裝置過程中應該考慮到窗系統(tǒng)的相對密閉性，考慮其溫度緩沖層的氣候適應能力，保證它具備良好的冬季保溫能力，這也是冬季實驗的根本思路。

在第一個冬季實驗中為建筑采用了擁有百葉閉合功能的外置木百葉窗系統(tǒng)（A房間）和房間內(nèi)置紡織品窗簾（B房間）。對兩個建筑空間均采用相同型號電暖氣并同時啟動，在5小時后斷電停止運行。測試時間從當日17:30～次日5:30

圖1 建筑窗系統(tǒng)冬季氣候適應性對比實驗示意圖

從圖1可以看到，A實驗房間升溫速度相比B實驗房間較慢，但它的降溫速度同樣也很慢。在22:00以后，室內(nèi)溫度方面A實驗房間要始終比B實驗房間高出2～3℃左右。這說明進入深夜后B實驗房間升溫速度變快，但由于其內(nèi)置窗簾在一定程度上減小了B實驗方面的預熱區(qū)域容積，相比較而言A實驗房間必須要加熱它的全部室內(nèi)空間，同時還要加熱玻璃，整體上A實驗房間的降溫速度慢也是因為它的外置木百葉表皮系統(tǒng)與所附帶的空氣間層在相當程度上阻礙了窗戶系統(tǒng)的熱阻效應。再一點，夜晚百葉窗處于閉合狀態(tài)也能在一定程度上阻擋外界空氣冷輻射，對維持室內(nèi)溫度有一定作用。

總結(jié)來看，葉片關閉狀態(tài)下的木制百葉窗可以稱得上是合格的建筑表皮系統(tǒng)，尤其在寒地住宅應用方面具有一定的保溫能力?？紤]到實驗中的外置嵌入式百葉窗向外側(cè)平開開放，所以該窗系統(tǒng)不會影響到冬季晝間房間對太陽能的有效利用。

2.3 實驗結(jié)論

根據(jù)冬季對比實驗也可以得出以下結(jié)論，外置百葉窗是相對較好的寒地住宅建筑表皮系統(tǒng)，它的氣候適應性強，能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度的均勻分布，且擁有一定的遮陽效果。而且由于它屬于生態(tài)型建材，在綠色環(huán)保與加工能耗節(jié)約方面都有一定促進作用。

3 總結(jié)

寒地住宅建設過程中需要多利用具有主動適應能力的氣候適應性表皮系統(tǒng)，以此來有效保護建筑空間，特別是維持空間溫度，隔絕外部寒冷空氣與其它因素影響，以保證建筑室內(nèi)空間的舒適性與環(huán)境穩(wěn)定性。

[1]石峰,胡赤,鄭偉偉等.基于環(huán)境因素動態(tài)調(diào)控的可變建筑表皮設計策略分析——以國際太陽能十項全能競賽作品為例[J].新建筑,2017(2):54-59.

[2]趙欣悅.寒冷地區(qū)住宅生態(tài)化表皮設計研究[D].大連理工大學,2016.