寒地住宅建筑气候适应性建筑表皮的数据挖掘研究

瞿萧羽 高智慧 刘子恒

（1吉林建筑大学城建学院， 吉林 长春 130111；2长春华大房地产开发有限责任公司， 吉林 长春 130000）

对于建筑自然环境而言，气候适应性代表了一种建筑、自然环境二者积极的共生策略。也就是说建筑本身应该具备一定的气候适应性，通过其建筑表皮来积极主动适应外界气候动态变化，设置符合于自身要求的气候动态调节系统。在寒冷地区，寒地建筑表皮应该保证能在冬季大量吸收太阳辐射热，同时也能阻止室内热量过度散失，提高建筑室内热舒适度，减少建筑冬季的采暖耗热量，节约建筑运营成本

1 建筑表皮基本研究与数据挖掘

1.1 建筑表皮的基本概念

建筑表皮是指建筑的围护结构表层，或者直接指代围护结构本身，它是构成建筑实体最为重要的组成部分。而围护结构所包含的环节就包括了建筑房间的各种围挡物，例如门、窗、墙等等，这些围挡物能够有效抵御外界不利环境，保证建筑内部环境空间高稳定性，提高空间舒适性与私密性[1]。

1.2 数据挖掘

数据挖掘是指从大量数据中发现有用知识的复杂过程，其数据可存放于数据库中，也可以结合其它信息库共同使用。目前的数据挖掘属于一门交叉性学科，它其中就涵盖了设计数据库、机器学习、人工智能、模式识别、统计学、信息学以及数学可视化等多个技术领域。目前数据挖掘技术结合数据的应用正在呈现快速增长趋势，它能发现大量数据中的特定模式规律内容，也包括诸多领域所提供的可靠知识信息。总而言之，它能够发现诸多潜在知识信息内容，且能够以人类理解的方式展示出来，其中就结合了大量的人机交互与技术调整内容，对发现高质量知识内容非常有帮助。它的具体功能应用就包括了以下6点：

数据清洗——数据集成——数据转换——数据挖掘——模式评估——知识表示[2]

2 寒地住宅建筑的气候适应性表皮冬季实验分析与数据挖掘

2.1 寒地住宅建筑气候适应性建筑表皮的数据挖掘应用分析

首先要确定寒地目标住宅的即有维护结构材料与能耗情况，包括它的房间气密性与功能系统，首先对它的数据进行清理分析，要结合寒地基本气候条件与建筑改造成本来首先清除与主体无关的数据，再进行目标建筑各项指标测试，例如能耗、最冷最热月份的温度与建筑内温湿度等等，即数据挖掘过程。一般来说，建筑内符合人体感觉的最舒适温度在21～24℃左右，其相对湿度则要控制在40～80%左右为最佳，冬季采暖过程中，它的相对湿度则要控制在30～60%。

这里举个例子，要根据寒地住宅建筑的实际能耗预测模型，结合数据挖掘技术来分析它的建筑表皮气候适应性特点，例如利用量化关联性分析QARM为主要采纳工具来对建筑所运行数据与隐藏知识进行数据挖掘，结合研究经验挖掘提出提升建筑表皮气候适应性的关联法则。

首先，可以利用聚类分析结合数据挖掘对建筑表皮数据进行分类，利用BAS数据按照寒地住宅建筑所处的冬季环境进行分析（一般为11月～2月），再用QARM挖掘每个数据子集中的量化关系法则。在后期处理阶段，通过计算提升方差值的方法来建筑表皮气候适应性与建筑外寒地气候的量化关系法则，分析建筑在冬季季节的实际能耗。

其次，要利用到决策树对建筑表皮气候适应性问题进行处理，其中决策树输出量应该为PAU能耗，输入量则为建筑数据中的其他变量。这里就以11月～2月为区间，分析寒地住宅建筑的表皮PAU能耗，假设PAU为三级控制，能耗分别为0L/s、900L/s、1200L/s和1500L/s，进一步进行数据挖掘，提出建筑表皮能耗(WCC)与建筑能耗(PAU)之间的关联法则，如表1。

表1 建筑表皮能耗(WCC)与建筑能耗(PAU)之间的关联法则

如上表1，它就基于数据挖掘技术与多种其它辅助技术表示了建筑表皮能耗与建筑能耗之间的关联法则，提取寒地住宅建筑所经历的气温最低的4个月数据进行分析，基本了解了在这段时间内建筑的整体能耗，从侧面明确了它的建筑表皮气候适应性功能表现。

2.2 冬季实验

对寒地住宅建筑表皮的气候适应性进行冬季实验的宗旨在于不改变建筑任何构造关系的情况下，有效降低室内外温差，同时满足节能要求。建筑窗系统种类多样，在对它进行调节装置过程中应该考虑到窗系统的相对密闭性，考虑其温度缓冲层的气候适应能力，保证它具备良好的冬季保温能力，这也是冬季实验的根本思路。

在第一个冬季实验中为建筑采用了拥有百叶闭合功能的外置木百叶窗系统（A房间）和房间内置纺织品窗帘（B房间）。对两个建筑空间均采用相同型号电暖气并同时启动，在5小时后断电停止运行。测试时间从当日17:30～次日5:30

图1 建筑窗系统冬季气候适应性对比实验示意图

从图1可以看到，A实验房间升温速度相比B实验房间较慢，但它的降温速度同样也很慢。在22:00以后，室内温度方面A实验房间要始终比B实验房间高出2～3℃左右。这说明进入深夜后B实验房间升温速度变快，但由于其内置窗帘在一定程度上减小了B实验方面的预热区域容积，相比较而言A实验房间必须要加热它的全部室内空间，同时还要加热玻璃，整体上A实验房间的降温速度慢也是因为它的外置木百叶表皮系统与所附带的空气间层在相当程度上阻碍了窗户系统的热阻效应。再一点，夜晚百叶窗处于闭合状态也能在一定程度上阻挡外界空气冷辐射，对维持室内温度有一定作用。

总结来看，叶片关闭状态下的木制百叶窗可以称得上是合格的建筑表皮系统，尤其在寒地住宅应用方面具有一定的保温能力。考虑到实验中的外置嵌入式百叶窗向外侧平开开放，所以该窗系统不会影响到冬季昼间房间对太阳能的有效利用。

2.3 实验结论

根据冬季对比实验也可以得出以下结论，外置百叶窗是相对较好的寒地住宅建筑表皮系统，它的气候适应性强，能够实现对室内温度的均匀分布，且拥有一定的遮阳效果。而且由于它属于生态型建材，在绿色环保与加工能耗节约方面都有一定促进作用。

3 总结

寒地住宅建设过程中需要多利用具有主动适应能力的气候适应性表皮系统，以此来有效保护建筑空间，特别是维持空间温度，隔绝外部寒冷空气与其它因素影响，以保证建筑室内空间的舒适性与环境稳定性。

[1]石峰,胡赤,郑伟伟等.基于环境因素动态调控的可变建筑表皮设计策略分析——以国际太阳能十项全能竞赛作品为例[J].新建筑,2017(2):54-59.

[2]赵欣悦.寒冷地区住宅生态化表皮设计研究[D].大连理工大学,2016.