寒冷地區(qū)高校既有建筑光熱性能優(yōu)化＊
——以山東建筑大學(xué)藝術(shù)學(xué)院中庭為例

房文博，梁榮菁，盛笑雪

（山東建筑大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著人們節(jié)能減排意識的增強(qiáng)，以及對生活質(zhì)量要求的提高，既有建筑中庭能耗高、光熱環(huán)境不舒適等問題備受關(guān)注。夏季，缺少合理遮陽設(shè)施的中庭極易出現(xiàn)室內(nèi)過熱的問題；冬季，由于玻璃幕墻自身導(dǎo)熱性能的問題，室內(nèi)熱量散失嚴(yán)重，晝夜溫差大，對室內(nèi)熱環(huán)境的營造有不利影響，增加了室內(nèi)的取暖能耗，與當(dāng)前人們推崇的節(jié)能減排理念相悖。

高校建筑普遍建成時(shí)間較早，中庭空間除作為交通空間外，往往承擔(dān)教學(xué)輔助功能，由于寒冷地區(qū)季節(jié)性較強(qiáng)，中庭光熱環(huán)境問題在冬夏兩季較為突出，中庭的教學(xué)輔助功能難以實(shí)現(xiàn)，形成較大的空間浪費(fèi)。針對高校中庭問題進(jìn)行分析，建立模型進(jìn)行模擬優(yōu)化，具有一定的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 圖書館中庭現(xiàn)狀實(shí)測分析

山東建筑大學(xué)藝術(shù)學(xué)院建筑為5層建筑，中庭建筑面積約為100m2，位于建筑東側(cè)，貫穿整個(gè)建筑。主體結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，中庭頂部為大跨度玻璃屋蓋，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，建筑中庭三面被教室圍合，另一側(cè)1層通向門廳；天窗玻璃材質(zhì)為Low-E夾膠玻璃，無遮陽措施，自然光透射率高，對中庭熱環(huán)境有較大影響。光熱環(huán)境測試在2021年8月至2022年1月分2次進(jìn)行。當(dāng)前中庭為自然通風(fēng)工況下，因此不對能耗進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。

為保證測試數(shù)據(jù)的可靠性，本次測試依據(jù)GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。選用HOBO溫、濕度記錄儀，采集中庭工作區(qū)的水平溫度分布狀況和垂直溫度變化狀況，設(shè)置采集時(shí)間間隔為15min[1]。

選用多功能環(huán)境檢測儀人工測量中庭工作區(qū)各測點(diǎn)光照變化情況，由于實(shí)測條件限制，采集時(shí)間間隔為1h。結(jié)合 GB/T 5699—2017《采光測量方法》及 JGJ/T 347—2014《建筑熱環(huán)境測量方法標(biāo)準(zhǔn)》，將中庭平面分一個(gè)測區(qū)，分別在對角線上的等分點(diǎn)處布置，將每個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度、照度平均值作為該區(qū)域的測量數(shù)據(jù)。

光熱環(huán)境測試在2021年8月至2022年1月分2次進(jìn)行。

根據(jù)藝術(shù)學(xué)院中庭夏季照度的測量結(jié)果，一天中的照度最大值出現(xiàn)在11∶00前后，9∶00—11∶00，照度值不斷增加，且變化迅速，在12∶00左右照度值逐漸降低（見圖1a）。受頂層玻璃天窗的影響，5層照度受太陽輻射影響最大。根據(jù)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，中庭空間的照度標(biāo)準(zhǔn)值主要為200lux。結(jié)合UDI理論，當(dāng)室內(nèi)照度大于2 000lux時(shí)，存在眩光的危害。藝術(shù)學(xué)院中庭正常使用時(shí)間內(nèi)的多數(shù)照度值超過200～2 000lux的正常使用范圍，在11∶00前后中庭中出現(xiàn)大面積光斑，存在眩光危害。

根據(jù)藝術(shù)學(xué)院中庭冬季照度的測量結(jié)果，在測量時(shí)間段內(nèi)，中庭空間的照度9∶00—12∶00不斷提升，在12∶00左右達(dá)到照度最高點(diǎn)，照度高為5 400lux，隨后逐漸回落。在4∶00后，隨著太陽落山，照度值達(dá)到最低點(diǎn)，最低處照度僅為1lux，影響人們的正?；顒樱ㄒ妶D1b）。

根據(jù)夏季溫度變化分析圖，在測量時(shí)間段內(nèi)，自2層起，溫度逐層升高，2～4層溫度變化相對平緩，幅度變化較小，4～6層溫度變化劇烈，最大溫差達(dá)到6.144℃，6層由于距天窗距離較近，受熱輻射作用較大，溫度最高達(dá)到39.075℃。在實(shí)際的現(xiàn)場測量中，6層中庭附近并未正常利用，主要以堆放雜物為主，人流量極少。中庭中1～4層全天溫度變化相對平緩，整體溫度呈緩慢上升的態(tài)勢，5層溫度幅度變化較大，測量時(shí)間段內(nèi)，中庭溫度從早上9∶00起緩慢上升，到下午1∶45達(dá)到峰值，平均溫度為32.991℃；自下午1∶45，溫度逐漸回落（見圖1c）。

根據(jù)冬季溫度變化圖，在測量時(shí)間段內(nèi)，6層受太陽熱輻射影響最大，溫度在測量時(shí)間段內(nèi)最高，9∶00—12∶15，溫度呈逐漸升高的趨勢，在12∶15達(dá)到最高值9.19℃，隨后，6層溫度受太陽變化的影響，逐漸回落，其余樓層溫度變化較為平穩(wěn)。測量時(shí)間段內(nèi)各個(gè)測點(diǎn)的濕度變化頻率較大，在9∶00—15∶45時(shí)間段內(nèi)，整體呈現(xiàn)波折下降的趨勢，隨后，呈波折上升趨勢（見圖1d）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，測試時(shí)間段內(nèi)，中庭的平均溫度為5.74℃，最高溫度為9.192℃，最低溫度為2.377℃，平均濕度為31.42%，最低濕度為28.34%，最高濕度為38.76%，綜合冬夏兩個(gè)典型季節(jié)的照度變化和溫度變化，藝術(shù)學(xué)院中庭在夏季存在照度過高、部分區(qū)域出現(xiàn)光斑、存在眩光可能性、明顯影響人們?nèi)粘９ぷ鲗W(xué)習(xí)的問題，冬季由于中庭層高較高，底層不能受到充足的光照，隨著太陽變化，在下午時(shí)間段內(nèi)存在光照不足的問題，需通過人工照明補(bǔ)充照度；夏季中庭空間溫度過高，嚴(yán)重影響6層區(qū)域人們的正常工作學(xué)習(xí)，人群滿意度較低；冬季溫度偏低，相比夏季人群滿意度高，非人工冷熱源熱濕環(huán)境評價(jià)等級為Ⅱ級，人群75%感到滿意。

圖1 測量數(shù)據(jù)

2 圖書館中庭優(yōu)化流程

根據(jù)對圖書館中庭空間光熱環(huán)境的總結(jié)分析，存在冬夏兩季光照不均、照度偏高以及熱環(huán)境不舒適的問題。根據(jù)調(diào)研分析，采光面積、采光朝向、對外接觸面圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料以及主體建筑空間溫度對中庭光熱環(huán)境影響較大。根據(jù)我國GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)為冬季有采暖需求房間的門窗設(shè)計(jì)建筑遮陽時(shí)，應(yīng)采用活動式建筑遮陽、活動式中間遮陽構(gòu)件[2]。因此，提取建筑玻璃材質(zhì)類型、豎向活動式遮陽板尺度以及采光面積作為主要設(shè)計(jì)變量。由于該采光面積比值僅對中庭空間，因此設(shè)定最大比值為0.9，將天窗面積比取值范圍設(shè)定為0.1～0.9，變化間隔為0.1。設(shè)置遮陽板旋轉(zhuǎn)角度為-90°～90°，即垂直偏北90°和垂直偏南90°，變化間隔為10°；設(shè)定遮陽板間隔和寬度取值范圍為0.1～1.0m，變化間隔為0.1m。

本研究中只針對玻璃材質(zhì)選擇進(jìn)行優(yōu)化研究，得熱系數(shù)以上參數(shù)均參照J(rèn)GJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》中表C.0.1典型玻璃系統(tǒng)的光學(xué)熱工參數(shù)，設(shè)置24種玻璃光學(xué)熱工參數(shù)，并對其依次進(jìn)行編號[3]。

對光熱環(huán)境的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整理分析，選擇測試時(shí)間段內(nèi)的人們對舒適度滿意的百分比作為室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)化目標(biāo)，追求人群舒適度滿意百分比最大值（以下簡稱人群滿意百分比）；UDL200～2 000作為室內(nèi)照度優(yōu)化目標(biāo)，追求UDI200～2 000最大值，模擬采暖能耗、制冷能耗以及照明能耗總和作為建筑總能耗用于后期能耗模擬指標(biāo)。

本研究希望通過構(gòu)建通用模型的方式，輔助設(shè)計(jì)人員對既有建筑的中庭空間進(jìn)行改造性設(shè)計(jì)。因此，以中庭空間的各種設(shè)計(jì)參量作為定量，以真實(shí)建筑尺度為依據(jù)，在rhino中建立中庭模型（見圖2），通過ladybug和honeybee生成性能模擬模型，以天窗面積比、玻璃類型和遮陽板旋轉(zhuǎn)角度、遮陽板間隔寬度作為優(yōu)化變量，對中庭內(nèi)光熱環(huán)境和能耗水平進(jìn)行模擬分析，結(jié)合octopus進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得出非支配解集。

圖2 山東建筑大學(xué)圖書館中庭尺寸設(shè)置

3 圖書館中庭優(yōu)化結(jié)果分析

山東建筑大學(xué)圖書館優(yōu)化過程經(jīng)歷28次迭代，耗時(shí)142h，完成目標(biāo)收斂。統(tǒng)計(jì)上文中對冬夏兩個(gè)典型氣候日的測量數(shù)據(jù)，整理優(yōu)化目標(biāo)初始值，UDI200～2 000初始值為49%，人群滿意百分比初始值為13.5%。

在多目標(biāo)優(yōu)化過程中，各個(gè)變量對優(yōu)化目標(biāo)都產(chǎn)生不同程度的影響，非支配解中各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)相互影響，單個(gè)優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化性能的提升可能導(dǎo)致其他優(yōu)化目標(biāo)性能的降低，或?qū)е聝?yōu)化率存在負(fù)增長。因根據(jù)不同解集的優(yōu)化側(cè)重點(diǎn)不同，對解集進(jìn)行進(jìn)一步整理。

根據(jù)優(yōu)化的側(cè)重點(diǎn)不同，總結(jié)優(yōu)化方案（見表1），在改造過程中，可根據(jù)對預(yù)期效果的期望，選擇以上方案，追求中庭空間內(nèi)較好的光熱性能和能耗水平。

表1 藝術(shù)學(xué)院中庭優(yōu)化方案

4 結(jié)語

中庭對高校建筑具有重要的輔助作用，本文對山東建筑大學(xué)藝術(shù)學(xué)院中庭進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，總結(jié)了中庭內(nèi)部存在的主要問題，結(jié)合文獻(xiàn)整理，確定中庭空間的光熱性能評價(jià)指標(biāo)和優(yōu)化變量?；趯?shí)際建筑尺寸，通過參數(shù)化空間生成方法，與性能模擬和多目標(biāo)遺傳算法結(jié)合，構(gòu)建基于性能模擬的中庭空間多目標(biāo)優(yōu)化模型。根據(jù)octopus提供的優(yōu)化解集，從玻璃類型、采光面積、遮陽板旋轉(zhuǎn)角度和遮陽板寬度間隔等方面，具有針對性地提出中庭空間優(yōu)化方案，以便對相同類型的高校既有建筑中庭優(yōu)化提供參考。