基于eQUEST模拟的严寒地区内廊式教学楼节能优化研究

0 引言

随着高校规模、数量的大量增加，为了追求更高的土地利用率，教学建筑的空间内部组合更多采用内廊式布置，即中间过道，两边布置教室，具有节地节能，功能紧凑的特点

。但在整个设计中，教室进深往往较大，开间较小，走廊狭长，使得室内采光不足、通风不畅、空气质量差、建筑能耗高问题一直存在。如宋志超对北京某大学内廊式教学楼的采光环境进行调研实测，发现大多数教室的室内照度值低于标准值450 lx，近窗处光照强烈，远窗处采光不足，学生白天拉窗帘开启人工照明现象常在，经统计该楼的照明耗电量约占总耗电量的68%

。唐小波对河北某大学教学楼的室内风速、温度进行实测，发现上课期间教室室内温度会明显升高，风速减小，在靠廊侧温度明显高于靠窗侧，风速则相反

。高小燕对多个学校的教室进行空气质量调查，发现10个教室中有9个教室被发现CO

含量过高，空气质量差，这与该教室的入座率高、窗地比和门窗位置设计不合理等因素有关

。为更加充分利用自然采光与自然通风，改善室内的采光与通风环境，降低建筑能耗，黄子铭基于广州地区的中小学校设计现状与光环境情况，结合该地区的气候特征，对建筑采光朝向、建筑层高、外廊宽度、窗高系数以及反光板顶棚设计进行了优化改善

。李璐等人利用斯维尔vent软件探讨了窗洞尺寸、窗户开启方式及进出风口高度差对室内通风环境的影响，并总结出适宜的进风口宽度、面积、开窗方式以及进出风口高度差

。陈国栋对夏热冬冷气候区内廊式教学楼室内风环境进行实测与模拟，对教室的平面与剖面形式以及外围护构件进行了优化设计

。刘煜对武汉地区高校教学楼的侧窗特性进行了室内光环境及建筑能耗的影响探讨，利用灵敏度分析各参数的影响权重，并基于侧窗的全寿命周期经济性分析，得出武汉地区合理的窗地比、玻璃透光率、窗户高度、窗户形状以及窗之间墙的宽度。

这些有关教学楼的节能设计研究多以夏热冬冷、寒冷地区为主，其结果用于严寒地区的教学楼设计不适应。同时，对如何结合严寒地区气候特点，借助自然采光与自然通风节能手段，提高室内采光通风环境品质以及降低建筑能耗的节能优化策略进行研究探讨极为有必要。本文以呼和浩特市的教学楼为例，利用eQUEST软件探讨分析教学楼在不同走廊宽长比、教室平面尺寸、侧窗洞口及横向高窗下的采暖能耗、制冷能耗、照明能耗及综合能耗情况，并基于结果对各因素进行灵敏度分析，得出各参数对通风环境的影响程度以及适宜取值，这将为严寒地区内廊式教室的通风环境优化提供理论依据和实践指导。

1 研究对象

1.1 基础模型的介绍

本文以严寒地区呼和浩特市的某高校教学楼为例，该教学楼共5层，无地下层，层高均为3.6 m，其楼层平面图见图1，建筑正南朝向布置，东西向总长67.5 m，南北向15.6 m，主要功能空间教室、办公室、厕所、走廊和其他。其中，单元教室开间8.1 m、进深6 m，其教室长宽比为1.35，走廊宽3.6 m，南北墙窗墙比为30%，东西墙窗墙比5%，玻璃窗高度1.8 m，窗台高度0.9 m。

外墙结构为20 mm水泥纤维板+188 mm混凝土多孔砖+20 mm水泥纤维板+12 mm耐火纸面石膏，传热系数1.71 W/(m

·K)；内墙结构为12 mm耐火纸面石膏+96 mm混凝土多孔砖+12 mm耐火纸面石膏，传热系数2.63 W/(m

·K)；屋顶结构为6 mm沥青覆盖+150 mm轻质混凝土+10 mm石膏板，传热系数0.896 W/(m

·K)；楼板结构为10 mm石膏板+200 mm空气层+20 mm橡胶木板，其传热系数1.72 W/(m

·K)；窗玻璃种类为双层Low-E玻璃，可见光透射率为0.611，遮阳系数为0.25，传热系数为2.3 W/(m

·K)。

2.7 TEX14高表达的乳腺癌患者预后不良 与TEX14低表达组相比，TEX14高表达组乳腺癌患者总生存期明显缩短，差异有统计学意义（P＜0.05），即TEX14高表达与患者的不良预后相关，见图7。

1.2 室内设计参数

（一）优化时间管理。结合寄宿制学校工作和中学生身心学习生活特点，我们把德育教育集中于周末时间、午休时间和下午放学后时段，基本保证一周不少于15小时的课外德育教育时间，既保证学生文化课学习和睡眠休息时间，又能腾出充足时间用于体育锻炼、参与文娱活动和专题教育活动，也留出寄宿生自由支配时间，达到寄宿生在校学得有效、睡得安宁、玩出名堂、全面发展。

步骤3 建立双边匹配多目标优化模型式(8)～式(12)，利用双边主体的匹配竞争度将其转化为单目标规划模型式(13)～式(16)。

根据图纸和各参数，使用eQUEST-3.65版软件建立教学楼模型，得到的教学楼模型如图2所示。

2 影响因素分析

根据已建模型及各参数设置，模拟了建筑在使用采光控制与不使用采光控制时的基础建筑全年能耗，其统计结果见表2所示。

误会解开了，老吴又恢复了以往的热情，在他的帮助下，我将几位传承人召集在一起。经过两天的协商，《黑暗传》整理出版工作最终达成了共识。

本节通过改变窗台高度的方式，来对窗户在竖直方向的位置进行改变，其能耗模拟结果见表7。

2.1 走廊宽长比

考虑到疏散要求和学生活动空间，《中小学校设计规范》GB50099-2011中第8.2.3条规定“教学用房的内走道净宽度不应小于2.4 m，单侧走道及外廊的宽度不应小于1.8 m

”，本文研究的廊道是内走道，即净宽度应大于等于2.4 m，本节在保证建筑走廊东西向长度67.5 m不变的情况下，通过改变走廊宽度来改变走廊的宽长比，具体以走廊宽度2.4 m、3 m、3.3 m、3.6 m、4.2 m进行建筑全年能耗模拟，其对应的走廊宽长比为0.036、0.044、0.049、0.053、0.062，模拟结果见表3。

由表3可知，随着走廊宽长比增加，教学楼的制冷、照明及综合能耗下降，采暖能耗增加。在走廊宽为2.4 m，即宽长比为0.036时，制冷、照明及综合能耗分别比基础模型（宽长比0.053）多了2.68%、2.02%、0.36%，采暖能耗低了0.56%。当走廊宽度增至4.2 m，即宽长比为0.062时，相较于基础模型，制冷、照明及综合能耗分别降低了0.24 MWh、0.37 MWh、0.25 MWh，采暖能耗增加了0.36 MWh，这是因为走廊宽度增加，会带来两端的窗户面积增加，使得进入室内的光通量及通风量增多，提高了室内的照度水平及风速，进而减少了照明及制冷能耗，而采暖能耗会因窗户气密性减小而有所增加，但增加的效果不明显。综合来看，适当增加走廊宽长比对减少建筑综合能耗有益，是个可采取的节能手段。

2.2 教室平面尺寸

教室平面尺度进深、开间大小直接影响着室内的采光通风环境，矩形是一种最常见的教室平面形式，长宽比约为1:1~1.5:1，层高为3.3~4.2 m

。本节就针对不同开间与进深的比值进行能耗模拟分析，比值以步距0.05进行增加，在1.2~1.5间进行能耗模拟研究，得到的结果如表4所示。

由表4可得，随着教室长宽比的增加，照明、制冷能耗在减少，采暖能耗在增加，综合能耗在减少。这是因为教室面积相同时，长宽比越大，代表教室的开间尺寸越大，进深尺寸越小，为保持窗墙比不变，窗户面积会增加，进风量与采光量也随之增多，且教室进深尺寸减少，远窗处的采光与通风水平也得到了提高，这将使得照明及制冷能耗减少。而窗户面积增大，会带来房间气密性的减小，造成冬季采暖的制热能耗增加，但总能耗在减少。当教室长宽比为1.5时，相对于基础模型（长宽比为1.35）制冷能耗减少了3.06%，照明能耗减少了1.7%，采暖能耗增加了0.61%，综合能耗减少了0.26%。综合考虑教室容量、功能空间合理性以及建筑能耗，教室长宽比控制在1.35~1.5是适宜的。

2.3 侧窗洞口

整楼层仅办公室房间安装空调系统进行制冷，其余房间仅考虑冬季采暖，其中空调系统选用间歇式空气源热泵空调系统，运行时间为每天的8:00-21:00，风机在空调系统运行前和关闭后各运行1 h，夏季室内空调温度设为22℃，冬季室内采暖温度设为18℃，空调送风温度夏季13℃，冬季35℃。其余房间以燃煤方式进行集中采暖，考虑教学楼除办公室外，其他房间寒暑假全年开放。采暖季为10月15日至次年4月15日，制冷季在工作日的6月1日至7月15日。

悬臂式掘进机远程监控系统主要包括机载控制系统与远程监控系统。目前国内外尚未建立起系统的掘进机远程监控系统，文献[4-5]介绍了掘进机上位机监控系统与远程监控系统的设计与应用，在与掘进机结构类似或工况类似的盾构机与海底履带集矿车方面，国内外学者进行了一定的研究。文献[6-8]研制出盾构模拟试验系统，为试验的进行，设计了盾构机的远程监控系统。文献[9]研制出海底履带集矿车模拟试验系统的远程监控系统。文献[10-11]重点阐述了盾构掘进试验平台监控系统的开发与应用。

不同窗户大小会带来建筑的制冷能耗、采暖能耗、照明能耗和综合能耗的不同，本节通过改变窗户宽度来实现窗墙比大小的改变，探讨不同窗墙比下的建筑能耗情况。根据《公共建筑节能设计标准》，严寒地区各朝向窗墙比不应大于0.35。因此本文探讨南北墙窗墙比在0.15~0.35的建筑能耗变化，其全年能耗结果如表5所示。

由表5可知，随着窗墙比的增大，教学楼的制冷能耗和采暖能耗在增加，但后期增加幅度变得越来越小，而照明能耗在逐渐减小，综合能耗先减小后增大，当窗墙比为0.3时（基础模型），建筑的综合能耗最低，因此窗墙比在0.3~0.35间，综合能耗将会达到最小值。这是由于窗墙比增大，窗户面积增大，引入的可见光增多，室内平均照度增大，照明能耗减小，而窗户面积增大会带来室内得热和散热的增加，使得制冷和采暖能耗增大。与基础建筑相比，当窗墙比增至0.35时，制冷能耗增加了0.15%，采暖能耗增加了0.26%，照明能耗减少了0.44%，综合能耗增加了0.06%。当窗墙比降至0.15时，制冷能耗减少了3.37%，采暖能耗减少了1.64%，照明能耗增加了9.67%，综合能耗增加了1.44%。

式中：ΔP——某参数i值P

的变化量，ΔP=P

-P

；

式中:1≤i≤N,j∈NHi,1≤k≤K,‖xi-xj(ak)‖2表示节点与节点(或信标)之间真实距离,和分别表示节点与邻居节点之间以及节点与信标节点之间的估计距离。定义误差函数f(X)最小时所对应的X值作为传感器节点位置的最优估计即

由表6可知，带形窗的制冷能耗最低，而采暖、照明以及综合能耗最高；条形窗的照明、采暖能耗最低，但制冷能耗最大，综合能耗也较大；方形窗的居中。这是因为带形窗连续，中间无窗间墙，使得室内空气交换流畅，通风环境好，但不利于远窗处的采光和室内得热。而条形窗能将光线引入教室深处，增强室内的整体采光效果，同时因窗间墙遮挡，能减少采暖能耗，增加制冷能耗。当窗户形式为2个3 m×1.8 m，介于带形窗与方形窗之间，其综合能耗比方形窗增加了0.09%，比带形窗减少了0.28%。因此，窗户形状宜接近方形窗的，更有利于建筑节能。

②张掖市、敦煌市、武威市作为全国节水型社会建设试点取得的成效，初步揭示出了我国北方缺水地区巨大的节水潜力，所形成的“总量控制、水权明晰、以水定产、定额管理、公众参与、监管有力、水权流转、城乡一体”的节水型社会建设思路和方式方法得到充分认可，河西内陆河流域全部19个县（区）列入省级试点开展了节水型社会建设工作。

与不使用采光控制的基础建筑全年能耗相比，使用采光控制时制冷能耗降低了5.56%，采暖能耗上升了7.13%，照明能耗降低了42.68%，综合能耗降低了14.59%。因此，接下来选择基础建筑模型在使用采光控制情况下对有关影响建筑能耗的因素进行分析。具体结合天然采光，探讨教学楼在正南朝向下，不同走廊宽长比、教室平面尺寸、侧窗大小、位置、形状、窗玻璃类别及内墙侧的高窗设置对能耗的影响。

由表7可知，窗台高度增加，制冷与照明能耗降低，采暖能耗升高，综合能耗减少，这是由于增高窗户位置，会提高远窗处的照度水平与风速，与基础模型（窗台高度0.9 m）相比，当窗台高度降至0.8 m时，制冷、照明及综合能耗分别增加了0.31%、1.66%、0.47%，采暖能耗减少了0.04%。当窗台高度增至1.1 m时，制冷、照明及综合能耗分别减少了1.53%、1.12%、0.32%，其采暖能耗增加了0.14%。

浙江米奥兰特商务会展股份有限公司（以下简称“米奥会展”）2017年10月13日首次发布招股说明书，拟在创业板上市，而后在2018年4月23日更新预披露，至今仍在排队上会。招股书显示，米奥会展本次公开发行新股数量不超过2504.1万股，募集资金约为5.70亿元，拟投向于境外自办展业务升级与扩展项目、“China Homelife 247”展会外贸O2O撮合平台升级项目以及营销服务网络及信息化建设项目。

由《公共建筑节能设计标准》可知，不同玻璃窗的光学、热工性能不同，而不同地区、不同窗墙比、不同建筑类型下的玻璃窗传热系数限定也不同，对于严寒地区，窗墙比在0.3~0.4、楼层在4~8层的单一朝向外窗传热系数不大于3.0 W/(m

·K)。表8是本文选取的常见窗玻璃类型，其能耗模拟结果见表9。

由表9可知，不同性能指标对建筑能耗的影响不同，对于严寒地区，冬季采暖是最主要的能耗消耗，而玻璃传热系数是影响建筑采暖能耗的主要性能指标，如类型5、类型6的可见光透过率、遮阳系数相差不大，传热系数相差较大，其采暖能耗结果分别为150.74 KWh、154.21 KWh，传热系数大的相较于传热系数小的增加了2.3%，而类型3、类型6传热系数相同，遮阳系数相差不大，对应的可见光透光率为0.38、0.66，其照明能耗结果透光率小的相较于透光率大的多了16.3%。同理，类型6相比于基础模型，可见光透过率、传热系数相差不大，遮阳系数增大了0.16，其制冷能耗结果增加了5.2%。而对于窗玻璃类型4，三个性能指标都居中，其综合能耗最低。因此，窗玻璃的选择要综合考虑传热性能、遮阳性能以及透光性能，保证相互影响后得到的综合能耗最低。

人工照明结合天然采光进行控制，该方式采用传感器的开/关进行控制，每楼层在北面及南面墙体的三等分处各设置2个，其高度与该楼层的窗户上沿齐平。当室内照度低于教育建筑标准值450 lx时，自动开启人工照明

。本文结合实际调研与《公共建筑节能设计标准》

，其各类型功能房间的人员密度、设备功率密度、照明密度选取结果见表1所示。

2.4 横向高窗

在靠近走廊两侧的内墙上增设横向高窗，对南北两侧的采光与通风环境会有所改善，由此本节探讨在不同高窗尺寸下的建筑能耗情况，其结果见表10所示。

40年来，伴随着改革开放的逐步深入，我国农药工业逐渐发展壮大，极大地推动了农药由弱势产业转向强势产业，促进了我国由农药大国转向农药强国的健康发展轨道。尤其是近20年来，中国农药工业突飞猛进，已形成包括原药生产、制剂加工、科研创新开发和原料中间体配套的较为完整的农用化学品工业体系，为保证我国农业可持续发展、粮食安全和国家稳定作出了巨大贡献。

由表10可得，增设横向高窗对降低建筑全年综合能耗有益，这与横向高窗能改善教室及走廊的采光通风环境有关，提高了室内的照度水平，增大被风吹过的面积，使得建筑的制冷能耗及照明能耗降低，而对冬季采暖影响不大。当高窗尺寸为宽2.4 m×高0.6 m时，相对于尺寸宽2.1 m×高0.6 m的制冷能耗减少了3.76%，照明能耗减少了2.12%，综合能耗减少了0.8%，而相比于高窗宽2.4 m×高0.9 m，制冷能耗增加了1.43%，照明能耗增加了0.79%，综合能耗增加了0.3%，但增加得不明显。因此高窗宜选择宽2.4 m×高0.6 m，当进一步增大时，建筑节能效果不明显。

3 各因素的灵敏度分析

为得到各因素对建筑能耗的影响程度，本节采用灵敏度系数对其进行对比分析，灵敏度是项目效益指标变化的百分率与不确定因素变化的百分率之比，用S

%来表示，其中S

为灵敏度系数，计算公式如下

：

同理，本节在保证窗户大小、位置、玻璃类型不变的情况下，对不同窗户形状1个8 m×1.35 m的带形窗、4个1.125 m×2.41 m的条形窗、3个1.9 m×1.9 m的方形窗，其窗间墙均为0.6 m的侧窗形式进行能耗模拟分析，其结果如表6。

P

——某参数i的设定值；

ΔL——由于参数变化引起的目标变化量，ΔL=L-L

；

根据上述结论，给出以下建议：（1）不仅要促进中间品进口贸易，还要继续增加进口中间产品品种类型的多样性，尤其注重从发达国家的进口，提高我国制造业的自主创新意愿并提升企业的创新能力；（2）从高质量进口中间品的技术溢出效应出发，采用不同的政策措施扩大企业创新集约边际，缩小企业的创新成本，进而确保企业创新成功转化率的提升。

L

——基础值，其值选取建筑全年制冷能耗、采暖能耗、照明能耗以及综合能耗。

根据走廊宽长比、教室长宽比、窗墙比、窗台高度、玻璃性能传热系数、可见光透过率、遮阳系数以及横向高窗与建筑能耗的关系，得出各影响因素的灵敏度系数情况，其结果如图3所示。

由图3可知，走廊宽长比、教室长宽比、窗墙比、窗台高度、传热系数、可见光透光率、遮阳系数和横向高窗八个因素，对制冷能耗的灵敏度分别为-5.17%、-6.23%、4.37%、-1.67%、-3.15%、-4.46%、8.13%、-7.32%，对采暖能耗的灵敏度分别为-3.52%、4.73%、8.67%、1.05%、16.83%、-3.08%、-6.74%、1.02%。其中，玻璃窗遮阳系数是影响建筑制冷能耗最大的因素，而传热系数对采暖能耗影响最大，遮阳系数和传热系数对照明能耗没有影响。走廊宽长比、教室长宽比、窗墙比、窗台高度、可见光透过率和横向高窗对照明能耗的灵敏度系数为负值，表明照明能耗随着这些因素指标的增大而减少，其影响由大到小依次为窗墙比、可见光透过率、教室长宽比、横向高窗、走廊宽长比、窗台高度。而影响综合能耗由大到小依次为可见光透过率、窗墙比、教室长宽比、横向高窗、遮阳系数、走廊宽长比、传热系数、窗台高度。因此，教学楼设计应主要考虑走廊宽长比、教室平面尺寸、窗户大小、窗玻璃类型以及横向高窗设置，对于影响较小的窗台高度可不作重点考虑。

4 总结

本文以严寒地区呼和浩特市具体某高校内廊式教学楼为研究对象，利用eQUEST软件建立基础建筑模型并进行采暖、制冷及照明能耗模拟，分析探讨了该教学楼在不同走廊宽长比、教室平面尺寸、侧窗洞口以及横向高窗下的建筑全年能耗情况，其结果如下：

1）基础建筑在使用采光控制比未使用采光控制时的采暖能耗上升了7.13%，制冷能耗降低了5.56%，照明能耗降低了42.68%，其综合能耗降低了14.59%。

2）走廊宽长比增加，提高了室内的照度水平和风速大小，减少了照明与制冷能耗，采暖能耗因窗户气密性减小而稍有增加，但综合能耗是减少的。教室长宽比增加，远窗处的自然采光与通风环境得到了改善，使得照明、制冷能耗减少，采暖能耗增加，综合能耗减少，适宜比值在1.35~1.5。

3）窗墙比增大，教学楼的制冷、采暖能耗增加，照明能耗减小，综合能耗先减小后增大，在0.3~0.35间其综合能耗达到最小。窗户形状带形窗的制冷能耗最低，采暖、照明及综合能耗最高，条形窗的照明、采暖能耗最低，制冷能耗最高，综合能耗居中，方形窗综合能耗最低。窗台高度对建筑能耗影响较小，其值增加会导致采暖能耗增加，制冷、照明及综合能耗减少，适宜尺寸0.9 m。窗玻璃性能可见光透过率对照明能耗影响最大，随着透过率的增大，综合能耗在减少。传热系数主要影响着采暖能耗，其值越大，采暖能耗越大，综合能耗越大。遮阳系数越大，制冷能耗越多，但严寒地区以采暖为主，适当增大遮阳系数，对减少冬季采暖能耗有益，因此窗玻璃宜选择透光率高、传热系数低、遮阳系数低的玻璃窗，其相互影响后的综合能耗最低。增设横向高窗对采暖影响不大，但对建筑减少制冷能耗、照明能耗、综合能耗有利，其高窗尺寸宜选择宽2.4 m×高0.6 m，当进一步增大时，建筑节能效果不明显。

4）在建筑能耗各影响因素的灵敏度分析中，对制冷能耗影响较大的是走廊宽长比、教室长宽比、窗墙比、可见光透光率、遮阳系数、横向高窗；对采暖能耗影响较大的是走廊宽长比、教室长宽比、窗墙比、传热系数、可见光透光率、遮阳系数；而照明能耗，传热系数和遮阳系数对其无影响，窗台高度影响较小，其余因素对照明能耗影响均较大；而对综合能耗影响由大到小依次为可见光透过率、窗墙比、教室长宽比、横向高窗、遮阳系数、走廊宽长比、传热系数、窗台高度。因此，教学楼设计应主要考虑走廊宽长比、教室平面尺寸、窗户大小、窗玻璃类型以及横向高窗设置，对于影响较小的窗台高度可不作重点考虑。

[1]宋志超.寒冷地区高校教室采光设计研究[D].北京建筑大学，2018.

[2]唐小波.内廊式教学建筑自然通风设计策略研究[D].河北工业大学，2016.

[3]高小燕.高校教室自然通风对室内CO

浓度影响实测研究[D].重庆：重庆大学，2016.

[4]黄子铭.广州地区中小学校教室侧窗采光设计研究[D].华南理工大学，2016.

[5]李璐，陈昌勇.中小学校园建筑的室内自然通风模拟与优化策略研究——以广东地区为例[J].建筑节能，2020，48(8):1-9+17.

[6]陈国栋.夏热冬冷地区内廊式教学楼自然通风技术策略研究[D].安徽建筑大学，2020.

[7]中华人民共和国国家标准.建筑照明设计标准：GB50034-2013[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

[8]中华人民共和国国家标准.公共建筑节能设计标准：GB50189-2015[S].北京:中国建筑工业出版社，2015.

[9]中华人民共和国国家标准.中小学校设计规范：GB50099-2011[S].北京:中国建筑工业出版社，2011.

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