寒冷地區高校既有建筑光熱性能優化＊
——以山東建筑大學藝術學院中庭為例

房文博，梁榮菁，盛笑雪

（山東建筑大學建筑城規學院，山東 濟南 250101）

0 引言

隨著人們節能減排意識的增強，以及對生活質量要求的提高，既有建筑中庭能耗高、光熱環境不舒適等問題備受關注。夏季，缺少合理遮陽設施的中庭極易出現室內過熱的問題；冬季，由于玻璃幕墻自身導熱性能的問題，室內熱量散失嚴重，晝夜溫差大，對室內熱環境的營造有不利影響，增加了室內的取暖能耗，與當前人們推崇的節能減排理念相悖。

高校建筑普遍建成時間較早，中庭空間除作為交通空間外，往往承擔教學輔助功能，由于寒冷地區季節性較強，中庭光熱環境問題在冬夏兩季較為突出，中庭的教學輔助功能難以實現，形成較大的空間浪費。針對高校中庭問題進行分析，建立模型進行模擬優化，具有一定的理論價值和實踐意義。

1 圖書館中庭現狀實測分析

山東建筑大學藝術學院建筑為5層建筑，中庭建筑面積約為100m2，位于建筑東側，貫穿整個建筑。主體結構形式為框架結構，中庭頂部為大跨度玻璃屋蓋，網架結構，建筑中庭三面被教室圍合，另一側1層通向門廳；天窗玻璃材質為Low-E夾膠玻璃，無遮陽措施，自然光透射率高，對中庭熱環境有較大影響。光熱環境測試在2021年8月至2022年1月分2次進行。當前中庭為自然通風工況下，因此不對能耗進數據進行收集。

為保證測試數據的可靠性，本次測試依據GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》進行。選用HOBO溫、濕度記錄儀，采集中庭工作區的水平溫度分布狀況和垂直溫度變化狀況，設置采集時間間隔為15min[1]。

選用多功能環境檢測儀人工測量中庭工作區各測點光照變化情況，由于實測條件限制，采集時間間隔為1h。結合 GB/T 5699—2017《采光測量方法》及 JGJ/T 347—2014《建筑熱環境測量方法標準》，將中庭平面分一個測區，分別在對角線上的等分點處布置，將每個區域內的溫度、照度平均值作為該區域的測量數據。

光熱環境測試在2021年8月至2022年1月分2次進行。

根據藝術學院中庭夏季照度的測量結果，一天中的照度最大值出現在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GB 50034—2013《建筑照明設計標準》，中庭空間的照度標準值主要為200lux。結合UDI理論，當室內照度大于2 000lux時，存在眩光的危害。藝術學院中庭正常使用時間內的多數照度值超過200～2 000lux的正常使用范圍，在11∶00前后中庭中出現大面積光斑，存在眩光危害。

根據藝術學院中庭冬季照度的測量結果，在測量時間段內，中庭空間的照度9∶00—12∶00不斷提升，在12∶00左右達到照度最高點，照度高為5 400lux，隨后逐漸回落。在4∶00后，隨著太陽落山，照度值達到最低點，最低處照度僅為1lux，影響人們的正常活動（見圖1b）。

根據夏季溫度變化分析圖，在測量時間段內，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，溫度最高達到39.075℃。在實際的現場測量中，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勢，5層溫度幅度變化較大，測量時間段內，中庭溫度從早上9∶00起緩慢上升，到下午1∶45達到峰值，平均溫度為32.991℃；自下午1∶45，溫度逐漸回落（見圖1c）。

根據冬季溫度變化圖，在測量時間段內，6層受太陽熱輻射影響最大，溫度在測量時間段內最高，9∶00—12∶15，溫度呈逐漸升高的趨勢，在12∶15達到最高值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。測量時間段內各個測點的濕度變化頻率較大，在9∶00—15∶45時間段內，整體呈現波折下降的趨勢，隨后，呈波折上升趨勢（見圖1d）。根據統計，測試時間段內，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%，綜合冬夏兩個典型季節的照度變化和溫度變化，藝術學院中庭在夏季存在照度過高、部分區域出現光斑、存在眩光可能性、明顯影響人們日常工作學習的問題，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，在下午時間段內存在光照不足的問題，需通過人工照明補充照度；夏季中庭空間溫度過高，嚴重影響6層區域人們的正常工作學習，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境評價等級為Ⅱ級，人群75%感到滿意。

圖1 測量數據

2 圖書館中庭優化流程

根據對圖書館中庭空間光熱環境的總結分析，存在冬夏兩季光照不均、照度偏高以及熱環境不舒適的問題。根據調研分析，采光面積、采光朝向、對外接觸面圍護結構材料以及主體建筑空間溫度對中庭光熱環境影響較大。根據我國GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》規定，當為冬季有采暖需求房間的門窗設計建筑遮陽時，應采用活動式建筑遮陽、活動式中間遮陽構件[2]。因此，提取建筑玻璃材質類型、豎向活動式遮陽板尺度以及采光面積作為主要設計變量。由于該采光面積比值僅對中庭空間，因此設定最大比值為0.9，將天窗面積比取值范圍設定為0.1～0.9，變化間隔為0.1。設置遮陽板旋轉角度為-90°～90°，即垂直偏北90°和垂直偏南90°，變化間隔為10°；設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選擇進行優化研究，得熱系數以上參數均參照JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》中表C.0.1典型玻璃系統的光學熱工參數，設置24種玻璃光學熱工參數，并對其依次進行編號[3]。

對光熱環境的評價標準進行整理分析，選擇測試時間段內的人們對舒適度滿意的百分比作為室內熱環境的優化目標，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作為室內照度優化目標，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。

本研究希望通過構建通用模型的方式，輔助設計人員對既有建筑的中庭空間進行改造性設計。因此，以中庭空間的各種設計參量作為定量，以真實建筑尺度為依據，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角度、遮陽板間隔寬度作為優化變量，對中庭內光熱環境和能耗水平進行模擬分析，結合octopus進行多目標優化，得出非支配解集。

圖2 山東建筑大學圖書館中庭尺寸設置

3 圖書館中庭優化結果分析

山東建筑大學圖書館優化過程經歷28次迭代，耗時142h，完成目標收斂。統計上文中對冬夏兩個典型氣候日的測量數據，整理優化目標初始值，UDI200～2 000初始值為49%，人群滿意百分比初始值為13.5%。

在多目標優化過程中，各個變量對優化目標都產生不同程度的影響，非支配解中各個優化目標相互影響，單個優化目標優化性能的提升可能導致其他優化目標性能的降低，或導致優化率存在負增長。因根據不同解集的優化側重點不同，對解集進行進一步整理。

根據優化的側重點不同，總結優化方案（見表1），在改造過程中，可根據對預期效果的期望，選擇以上方案，追求中庭空間內較好的光熱性能和能耗水平。

表1 藝術學院中庭優化方案

4 結語

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藝術學院中庭進行現場實測，總結了中庭內部存在的主要問題，結合文獻整理，確定中庭空間的光熱性能評價指標和優化變量?；趯嶋H建筑尺寸，通過參數化空間生成方法，與性能模擬和多目標遺傳算法結合，構建基于性能模擬的中庭空間多目標優化模型。根據octopus提供的優化解集，從玻璃類型、采光面積、遮陽板旋轉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化方案，以便對相同類型的高校既有建筑中庭優化提供參考。