光熱耦合效應(yīng)下的體育訓(xùn)練館天窗比優(yōu)化研究

徐浩明

在全民健身政策的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)的體育場(chǎng)館逐漸走向全民化、社區(qū)化、大眾化。體育訓(xùn)練館與傳統(tǒng)的競(jìng)技類(lèi)體育場(chǎng)館存在差別，多功能組合式的場(chǎng)地利用提高了空間使用率，靈活的空間組合方式也更能融入城市環(huán)境。以體育訓(xùn)練為目的的社區(qū)型體育館作為適應(yīng)時(shí)代背景的新型體育設(shè)施[1]，已逐步成為當(dāng)下城市建設(shè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

與此同時(shí)，體育建筑作為各類(lèi)建筑中的能耗大戶(hù)[2]，節(jié)能問(wèn)題始終受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。傳統(tǒng)競(jìng)技類(lèi)體育場(chǎng)館由于承擔(dān)了比賽功能，具有大量設(shè)備能耗的剛需，而體育訓(xùn)練館日常較少甚至無(wú)需具備比賽功能，設(shè)備要求簡(jiǎn)單，大空間各個(gè)界面受制因素相對(duì)較少，設(shè)計(jì)更加靈活，更有利于利用被動(dòng)式節(jié)能措施來(lái)優(yōu)化室內(nèi)空間的物理環(huán)境，達(dá)到綠色節(jié)能的目的。

1 體育訓(xùn)練館對(duì)物理環(huán)境的復(fù)雜需求

對(duì)于體育運(yùn)動(dòng)的參與者，良好的室內(nèi)物理環(huán)境能夠促進(jìn)身體的血液循環(huán)，有利于激發(fā)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)潛能，增進(jìn)運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)欲望。良好的體育場(chǎng)館物理環(huán)境對(duì)光、風(fēng)、熱等條件具有多樣而復(fù)雜的需求。

體育訓(xùn)練館需要滿足一定的采光量和均勻度，并且要避免產(chǎn)生嚴(yán)重的不舒適眩光[3]。

不同的球類(lèi)運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速也具有不同的要求，如乒乓球和羽毛球項(xiàng)目比賽場(chǎng)地風(fēng)速一般不得大于0.2 m/s，而籃球，排球等則對(duì)風(fēng)速要求較低；對(duì)于熱環(huán)境，根據(jù)相關(guān)研究，體育運(yùn)動(dòng)人群的熱敏感性相較于非體育運(yùn)動(dòng)人群較弱，平均熱感覺(jué)指數(shù)（Predacted Mean Vote，PMV）的熱中性溫度稍向熱感方向偏移。總體而言，體育訓(xùn)練館對(duì)物理環(huán)境的需求多樣而復(fù)雜，難以同時(shí)兼顧，建筑師在設(shè)計(jì)中容易做出主觀臆斷和顧此失彼的方案決策。

在被動(dòng)式的物理環(huán)境調(diào)節(jié)措施中，窗墻比是重要的指標(biāo)。相較于側(cè)窗，天窗有利于體育訓(xùn)練館內(nèi)獲得更高效的采光，在體育館設(shè)計(jì)中能夠得到更好的采光均勻度和更低的眩光值（圖1、圖2）。天窗比的大小可以明顯影響體育訓(xùn)練館室內(nèi)的采光、眩光和得失熱量，對(duì)室內(nèi)物理環(huán)境指標(biāo)起到了重要的調(diào)控作用。然而在現(xiàn)實(shí)條件下，過(guò)大的天窗比會(huì)帶來(lái)較多的采光，但更容易導(dǎo)致眩光和室內(nèi)過(guò)熱，過(guò)小的天窗比則會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)采光不足。在面對(duì)復(fù)雜而矛盾的物理環(huán)境需求時(shí)，控制合理的天窗比以獲得最高的綜合效益，在當(dāng)下的體育建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 用友運(yùn)動(dòng)中心天窗（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

圖2 Las Eras 運(yùn)動(dòng)中心擴(kuò)建項(xiàng)目天窗（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

2 基于Octopus 的多目標(biāo)擇優(yōu)算法分析

本研究采用數(shù)值模擬的方式探討在以多種物理環(huán)境指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)條件下的最優(yōu)天窗比問(wèn)題，屬于多目標(biāo)優(yōu)化的求解問(wèn)題。模擬工具選用根據(jù)Grasshopper 平臺(tái)的參數(shù)化建筑性能插件Ladybug Tools 1.4.0 版本。與傳統(tǒng)的物理性能模擬工具相比，基于Grasshopper 的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)可以利用連續(xù)性參數(shù)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬模型的實(shí)時(shí)調(diào)整，以獲得更加精確的模擬結(jié)果，有利于結(jié)果的比對(duì)。另外，基于Grasshopper 平臺(tái)的Octopus 可以一次接入多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)值，并引入帕累托原理來(lái)平衡極值，更適合于解決不同環(huán)境目標(biāo)的平衡問(wèn)題。Octopus 采用遺傳算法[4]，借鑒進(jìn)化生物學(xué)中的遺傳學(xué)、突變學(xué)、自然選擇和雜交等方法，通過(guò)任意規(guī)則找到近似最優(yōu)解集范圍。

在本文研究中，輸入的自變量為天窗比，通過(guò)Grasshopper 參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)可以控制天窗比連續(xù)性變量的輸入，可以獲得天窗比與優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)之間相對(duì)準(zhǔn)確的變量關(guān)系。對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化的求解，依靠參數(shù)化平臺(tái)將多種物理環(huán)境性能數(shù)值模擬兼容在一個(gè)平臺(tái)中，讓多目標(biāo)耦合效應(yīng)下的優(yōu)化成為可能。更重要的是，借助Octopus插件，在參數(shù)化平臺(tái)中，將輸入變量與優(yōu)化參數(shù)連接在同一運(yùn)算器中，利用遺傳算法求得多目標(biāo)耦合效應(yīng)下的最優(yōu)解集，并且通過(guò)可視化的界面展現(xiàn)出來(lái)，有利于參數(shù)組合的篩選，最終獲得滿足各種規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)解。綜上，該量化模擬的方法與本次研究的特點(diǎn)和目的高度契合，因此選其作為本次數(shù)值模擬的技術(shù)方法。

3 多目標(biāo)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

3.1 模擬地點(diǎn)與時(shí)間設(shè)置

模擬地點(diǎn)選取上海市，上海市屬于夏熱冬冷地區(qū)，需要滿足夏季防熱和冬季保溫的需求，極端季節(jié)能耗大，具有較大的節(jié)能意義。模擬時(shí)間選取夏至6 月21 日和冬至12 月21 日，在夏至和冬至地表獲得的太陽(yáng)輻射可以代表2 個(gè)極值點(diǎn)，模擬結(jié)果具有較好的參考意義。

3.2 模型及參數(shù)設(shè)置

上海市社區(qū)型體育訓(xùn)練館以中型尺度的場(chǎng)館最為常見(jiàn)。38 m×59 m 的中型運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地可以布置成1片手球場(chǎng)，4 片排球場(chǎng)，3 片籃球場(chǎng)和3 片網(wǎng)球場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地的多功能利用，提高場(chǎng)地的利用效率。15 m 空間的凈高可以滿足各種球類(lèi)運(yùn)動(dòng)所需得到空間高度。因此，模型尺度確定為59 m（長(zhǎng)）×38 m（寬）×15 m（高），長(zhǎng)軸沿南北方向，天窗形式為普通平天窗，如圖3 所示。

圖3 參數(shù)化模擬模型（來(lái)源：作者自繪）

模型外墻、屋頂、地面等實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)按照傳熱系數(shù)換算的方式輸入熱阻，換算公式為傳熱系數(shù)K=1/（0.15+熱阻R）。傳熱系數(shù)分別設(shè)置為0.3、0.3、0.7。外窗玻璃設(shè)置為6-12 A-6 LOW-E中空玻璃，傳熱系數(shù)為2.8，太陽(yáng)輻射得熱系數(shù)SHGC 為0.75，可見(jiàn)光透射率為0.6。對(duì)于Radiance 材質(zhì)參數(shù)，頂棚、墻面、地面的光反射比分別設(shè)置為0.7、0.5、0.3。模型設(shè)置為空調(diào)房間。

3.3 自變量與目標(biāo)值

自變量為天窗玻璃在屋頂平面的投影面積占屋頂總面積的比例，即天窗比，取值范圍為0 ～1 之間的連續(xù)區(qū)間。目標(biāo)值考慮風(fēng)、光、熱等各類(lèi)物理環(huán)境指標(biāo)，由于風(fēng)環(huán)境在空調(diào)房間中的風(fēng)速和通風(fēng)換氣量指標(biāo)較為穩(wěn)定，在室內(nèi)熱環(huán)境平均熱感覺(jué)指數(shù)，即PMV 指標(biāo)的計(jì)算中，默認(rèn)室內(nèi)風(fēng)速為0.1 m/s，滿足一般球類(lèi)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)速要求，因此，風(fēng)環(huán)境模擬在本次研究不具備與其他環(huán)境參數(shù)耦合的意義。最終選取與天窗相關(guān)性較強(qiáng)的采光系數(shù)，不舒適眩光值和PMV 指數(shù)來(lái)作為研究的物理環(huán)境參數(shù)，并以全年采光系數(shù)平均值（Daylight factor，DF），不舒適眩光占比（Discomfort glare percentage，DGP）和熱舒適 百分 比（Thermal comfort percentage，TCP）來(lái)作為目標(biāo)值進(jìn)行模擬計(jì)算。

全年采光系數(shù)平均值DF：計(jì)算全年模型內(nèi)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的采光系數(shù)平均值，再求取所有測(cè)點(diǎn)的平均值，以反映模型空間內(nèi)獲取采光量的整體水平數(shù)據(jù)。

不舒適眩光占比DGP：通過(guò)離籃筐最近（約1 m）的投籃點(diǎn)望向籃筐的視角作為最不利眩光視角進(jìn)行計(jì)算。時(shí)間設(shè)置為夏至日和冬至日太陽(yáng)高度角最大的12:00。

熱舒適百分?jǐn)?shù)比TCP：計(jì)算夏至和冬至08:00—20:00 期間模型內(nèi)每1個(gè)測(cè)點(diǎn)的PMV 在-1 ～1 之間的時(shí)間占比TCP，再求取所有測(cè)點(diǎn)TCP 的平均值，以反映模型空間內(nèi)整體的熱舒適程度。

由于Octopus 只能向目標(biāo)值的最小值優(yōu)化，因此，將目標(biāo)值中的正向指標(biāo)DF 和TCP 進(jìn)行逆向化，為保留原指標(biāo)的變化趨勢(shì)，采用相反數(shù)進(jìn)行逆向化。綜上，最終接入運(yùn)算器的目標(biāo)值為-DF、-TCP、DGP。

3.4 多目標(biāo)優(yōu)化求解

考慮到自變量為單一變量，遺傳算法求解過(guò)程的收斂性較強(qiáng)，將Max Generations 設(shè)置為10 代，第10 代運(yùn)算結(jié)束后自動(dòng)停止迭代，每代的計(jì)算數(shù)量Population Size 設(shè)置為30，Elitism設(shè)置為0.5，Mut.Probability 設(shè)置為0.2，Mutation Rate 設(shè) 置 為0.9，Cross Over Rate 為0.8。分別計(jì)算夏至和冬至的最優(yōu)解集。根據(jù)規(guī)范要求，體育建筑采用頂部采光時(shí)，采光系數(shù)DF 不應(yīng)小于2%[5]。不舒適眩光比例在35%以下時(shí)，人眼幾乎感受不到眩光。因此，結(jié)合規(guī)范的要求，從Pareto Front 解集空間中分別篩選出夏季和冬季6 組相對(duì)均衡的解，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 第10 代pareto front 最優(yōu)解篩選結(jié)果統(tǒng)計(jì)

對(duì)于夏至的6 組最優(yōu)解，天窗比為0.1 和0.3 分別代表了舒適型和采光型2 種設(shè)計(jì)取值。然而運(yùn)動(dòng)人群熱敏感性較差，對(duì)熱舒適性具有更大的寬容度，采光系數(shù)相比較于熱舒適性更容易影響運(yùn)動(dòng)的體驗(yàn)。因此，建議選取天窗比為0.3 作為最優(yōu)解。對(duì)于冬至的6 組最優(yōu)解，不舒適眩光比例與熱舒適百分比差距非常小，可以?xún)?yōu)先考慮選取采光性更好地解，因此，天窗比約為0.7 時(shí)，可以獲得最大的綜合效益。

4 結(jié)語(yǔ)

天窗作為體育場(chǎng)館與外部環(huán)境接觸的重要窗口，合理妥善的設(shè)計(jì)對(duì)于提升體育場(chǎng)館的物理環(huán)境性能具有顯著意義。

本文研究通過(guò)對(duì)中型尺度的多功能體育訓(xùn)練館設(shè)計(jì)和建模，并借助遺傳算法來(lái)求解在光熱環(huán)境耦合效應(yīng)下的最佳天窗比，分別得到了夏至和冬至最佳天窗比為0.3 和0.7，為建筑師提供了具有廣泛適用性的設(shè)計(jì)參考值。

但本次研究由于時(shí)間和精力有限，每代種群的模擬次數(shù)可以進(jìn)一步提升，以獲取更加精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果。并且場(chǎng)館的尺度和朝向?qū)Y(jié)果也有一定影響，未來(lái)相關(guān)人員可以在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步拓展研究，為設(shè)計(jì)和實(shí)踐提供更全面的理論參考。