寒冷地区高校既有建筑光热性能优化＊——以山东建筑大学艺术学院中庭为例

房文博，梁荣菁，盛笑雪

（山东建筑大学建筑城规学院，山东 济南 250101）

0 引言

随着人们节能减排意识的增强，以及对生活质量要求的提高，既有建筑中庭能耗高、光热环境不舒适等问题备受关注。夏季，缺少合理遮阳设施的中庭极易出现室内过热的问题；冬季，由于玻璃幕墙自身导热性能的问题，室内热量散失严重，昼夜温差大，对室内热环境的营造有不利影响，增加了室内的取暖能耗，与当前人们推崇的节能减排理念相悖。

高校建筑普遍建成时间较早，中庭空间除作为交通空间外，往往承担教学辅助功能，由于寒冷地区季节性较强，中庭光热环境问题在冬夏两季较为突出，中庭的教学辅助功能难以实现，形成较大的空间浪费。针对高校中庭问题进行分析，建立模型进行模拟优化，具有一定的理论价值和实践意义。

1 图书馆中庭现状实测分析

山东建筑大学艺术学院建筑为5层建筑，中庭建筑面积约为100m2，位于建筑东侧，贯穿整个建筑。主体结构形式为框架结构，中庭顶部为大跨度玻璃屋盖，网架结构，建筑中庭三面被教室围合，另一侧1层通向门厅；天窗玻璃材质为Low-E夹胶玻璃，无遮阳措施，自然光透射率高，对中庭热环境有较大影响。光热环境测试在2021年8月至2022年1月分2次进行。当前中庭为自然通风工况下，因此不对能耗进数据进行收集。

为保证测试数据的可靠性，本次测试依据GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》进行。选用HOBO温、湿度记录仪，采集中庭工作区的水平温度分布状况和垂直温度变化状况，设置采集时间间隔为15min[1]。

选用多功能环境检测仪人工测量中庭工作区各测点光照变化情况，由于实测条件限制，采集时间间隔为1h。结合 GB/T 5699—2017《采光测量方法》及 JGJ/T 347—2014《建筑热环境测量方法标准》，将中庭平面分一个测区，分别在对角线上的等分点处布置，将每个区域内的温度、照度平均值作为该区域的测量数据。

光热环境测试在2021年8月至2022年1月分2次进行。

根据艺术学院中庭夏季照度的测量结果，一天中的照度最大值出现在11∶00前后，9∶00—11∶00，照度值不断增加，且变化迅速，在12∶00左右照度值逐渐降低（见图1a）。受顶层玻璃天窗的影响，5层照度受太阳辐射影响最大。根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》，中庭空间的照度标准值主要为200lux。结合UDI理论，当室内照度大于2 000lux时，存在眩光的危害。艺术学院中庭正常使用时间内的多数照度值超过200～2 000lux的正常使用范围，在11∶00前后中庭中出现大面积光斑，存在眩光危害。

根据艺术学院中庭冬季照度的测量结果，在测量时间段内，中庭空间的照度9∶00—12∶00不断提升，在12∶00左右达到照度最高点，照度高为5 400lux，随后逐渐回落。在4∶00后，随着太阳落山，照度值达到最低点，最低处照度仅为1lux，影响人们的正常活动（见图1b）。

根据夏季温度变化分析图，在测量时间段内，自2层起，温度逐层升高，2～4层温度变化相对平缓，幅度变化较小，4～6层温度变化剧烈，最大温差达到6.144℃，6层由于距天窗距离较近，受热辐射作用较大，温度最高达到39.075℃。在实际的现场测量中，6层中庭附近并未正常利用，主要以堆放杂物为主，人流量极少。中庭中1～4层全天温度变化相对平缓，整体温度呈缓慢上升的态势，5层温度幅度变化较大，测量时间段内，中庭温度从早上9∶00起缓慢上升，到下午1∶45达到峰值，平均温度为32.991℃；自下午1∶45，温度逐渐回落（见图1c）。

根据冬季温度变化图，在测量时间段内，6层受太阳热辐射影响最大，温度在测量时间段内最高，9∶00—12∶15，温度呈逐渐升高的趋势，在12∶15达到最高值9.19℃，随后，6层温度受太阳变化的影响，逐渐回落，其余楼层温度变化较为平稳。测量时间段内各个测点的湿度变化频率较大，在9∶00—15∶45时间段内，整体呈现波折下降的趋势，随后，呈波折上升趋势（见图1d）。根据统计，测试时间段内，中庭的平均温度为5.74℃，最高温度为9.192℃，最低温度为2.377℃，平均湿度为31.42%，最低湿度为28.34%，最高湿度为38.76%，综合冬夏两个典型季节的照度变化和温度变化，艺术学院中庭在夏季存在照度过高、部分区域出现光斑、存在眩光可能性、明显影响人们日常工作学习的问题，冬季由于中庭层高较高，底层不能受到充足的光照，随着太阳变化，在下午时间段内存在光照不足的问题，需通过人工照明补充照度；夏季中庭空间温度过高，严重影响6层区域人们的正常工作学习，人群满意度较低；冬季温度偏低，相比夏季人群满意度高，非人工冷热源热湿环境评价等级为Ⅱ级，人群75%感到满意。

图1 测量数据

2 图书馆中庭优化流程

根据对图书馆中庭空间光热环境的总结分析，存在冬夏两季光照不均、照度偏高以及热环境不舒适的问题。根据调研分析，采光面积、采光朝向、对外接触面围护结构材料以及主体建筑空间温度对中庭光热环境影响较大。根据我国GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》规定，当为冬季有采暖需求房间的门窗设计建筑遮阳时，应采用活动式建筑遮阳、活动式中间遮阳构件[2]。因此，提取建筑玻璃材质类型、竖向活动式遮阳板尺度以及采光面积作为主要设计变量。由于该采光面积比值仅对中庭空间，因此设定最大比值为0.9，将天窗面积比取值范围设定为0.1～0.9，变化间隔为0.1。设置遮阳板旋转角度为-90°～90°，即垂直偏北90°和垂直偏南90°，变化间隔为10°；设定遮阳板间隔和宽度取值范围为0.1～1.0m，变化间隔为0.1m。

本研究中只针对玻璃材质选择进行优化研究，得热系数以上参数均参照JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》中表C.0.1典型玻璃系统的光学热工参数，设置24种玻璃光学热工参数，并对其依次进行编号[3]。

对光热环境的评价标准进行整理分析，选择测试时间段内的人们对舒适度满意的百分比作为室内热环境的优化目标，追求人群舒适度满意百分比最大值（以下简称人群满意百分比）；UDL200～2 000作为室内照度优化目标，追求UDI200～2 000最大值，模拟采暖能耗、制冷能耗以及照明能耗总和作为建筑总能耗用于后期能耗模拟指标。

本研究希望通过构建通用模型的方式，辅助设计人员对既有建筑的中庭空间进行改造性设计。因此，以中庭空间的各种设计参量作为定量，以真实建筑尺度为依据，在rhino中建立中庭模型（见图2），通过ladybug和honeybee生成性能模拟模型，以天窗面积比、玻璃类型和遮阳板旋转角度、遮阳板间隔宽度作为优化变量，对中庭内光热环境和能耗水平进行模拟分析，结合octopus进行多目标优化，得出非支配解集。

图2 山东建筑大学图书馆中庭尺寸设置

3 图书馆中庭优化结果分析

山东建筑大学图书馆优化过程经历28次迭代，耗时142h，完成目标收敛。统计上文中对冬夏两个典型气候日的测量数据，整理优化目标初始值，UDI200～2 000初始值为49%，人群满意百分比初始值为13.5%。

在多目标优化过程中，各个变量对优化目标都产生不同程度的影响，非支配解中各个优化目标相互影响，单个优化目标优化性能的提升可能导致其他优化目标性能的降低，或导致优化率存在负增长。因根据不同解集的优化侧重点不同，对解集进行进一步整理。

根据优化的侧重点不同，总结优化方案（见表1），在改造过程中，可根据对预期效果的期望，选择以上方案，追求中庭空间内较好的光热性能和能耗水平。

表1 艺术学院中庭优化方案

4 结语

中庭对高校建筑具有重要的辅助作用，本文对山东建筑大学艺术学院中庭进行现场实测，总结了中庭内部存在的主要问题，结合文献整理，确定中庭空间的光热性能评价指标和优化变量。基于实际建筑尺寸，通过参数化空间生成方法，与性能模拟和多目标遗传算法结合，构建基于性能模拟的中庭空间多目标优化模型。根据octopus提供的优化解集，从玻璃类型、采光面积、遮阳板旋转角度和遮阳板宽度间隔等方面，具有针对性地提出中庭空间优化方案，以便对相同类型的高校既有建筑中庭优化提供参考。