李智興，史學(xué)鵬，田密蜜

引言

近年來(lái)，建筑性能參數(shù)化模擬逐漸成為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)領(lǐng)域的常用方法，“性能耦合因素”受到重視，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)在保證高性能建筑環(huán)境的前提下實(shí)現(xiàn)低能耗，不能以犧牲“高性能”來(lái)?yè)Q取低能耗，由于追求單一環(huán)境性能的提高往往對(duì)其他方面的性能造成不利影響，多環(huán)境及其耦合性能的相關(guān)研究越來(lái)越受重視[1-3]?？紤]多變量的節(jié)能設(shè)計(jì)方案和過(guò)程比單一變量的節(jié)能策略更為復(fù)雜，多變量共同作用下對(duì)于建筑性能提升的價(jià)值和意義也更大。因此，迫切需要建立起多變量設(shè)計(jì)要素與多目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建集成式系統(tǒng)化的分析框架。

1 緒論

1.1 建筑氣候適應(yīng)性優(yōu)化設(shè)計(jì)的邏輯

建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略旨在研究適用于建筑舒適性空間的氣候調(diào)控方法，通過(guò)考慮不同地方的氣候差異，使用適當(dāng)?shù)牟呗詠?lái)改善居住者的熱舒適狀態(tài)，建筑通過(guò)調(diào)整自然環(huán)境的微氣候，為人類日常活動(dòng)提供舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。在該方法中，建筑技術(shù)的選擇基于外部氣候條件和人的需求之間的關(guān)系[4]。為了定量化地分析建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的環(huán)境效益，研究提出了基于建筑模擬的優(yōu)化搜索流程，將建筑性能模擬與優(yōu)化進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)性能參數(shù)的逆向搜索。

國(guó)內(nèi)外很多研究建筑優(yōu)化相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者通過(guò)整合Rhino，Grasshopper（GH），建筑性能模擬插件（如DIVA）和GH進(jìn)化求解器，來(lái)利用遺傳算法進(jìn)行建筑性能方案優(yōu)化。例如Ehsan Asadi等人[5]提出了利用TRNSYS，GenOpt和在MATLAB中開(kāi)發(fā)的Tchebycheff優(yōu)化技術(shù)來(lái)進(jìn)行建筑環(huán)境模擬和優(yōu)化。Mohammad Rahmani Asl等人[6]也探索了Revit的插件Dynamo用以擴(kuò)展該平臺(tái)的參數(shù)化功能，他們同時(shí)也使用NSGAII的免費(fèi)軟件包Optimo來(lái)解決優(yōu)化問(wèn)題。在利用多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行建筑改造和設(shè)計(jì)的研究方面，Giovanni Pernigotto等人[7]根據(jù)最低建筑能耗和最低投資成本定義了建筑改造的決策變量及其范圍，以實(shí)現(xiàn)改造參數(shù)的最佳組合。該研究中所提的策略均為建筑改造的常用措施，例如外墻和窗戶的隔熱性能、窗戶的大小和玻璃的采光效果等，便于大規(guī)模推廣應(yīng)用。Tomás Méndez Echenagucia等人[8]調(diào)查了辦公樓的開(kāi)放空間，使用位置、形狀、窗戶類型和砌體墻的厚度作為決策變量，利用EnergyPlus和NSGA-II算法（非支配排序遺傳算法）進(jìn)行建筑環(huán)境模擬和多目標(biāo)優(yōu)化，來(lái)搜索建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的帕累托前沿解決方案。Paola Penna等[9]通過(guò)使用多目標(biāo)優(yōu)化算法和動(dòng)態(tài)模擬工具對(duì)建筑節(jié)能措施（ESM）的最優(yōu)組合進(jìn)行評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、能耗最低及熱環(huán)境舒適度最大化的結(jié)果。

國(guó)內(nèi)夏春海、朱穎心等人[10，11]提出了適用于方案設(shè)計(jì)前期階段的建筑性能模擬操作流程，然后他們針對(duì)不同體形系數(shù)和窗墻比例的建筑計(jì)算了空調(diào)能耗和人工照明能耗。蘇劍鳴等人[12]利用編程技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于GA算法的生成式計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以獨(dú)立住宅拓?fù)淦矫娴哪Ｐ蜕蔀槔?，介紹了該系統(tǒng)的參數(shù)輸入、限定條件、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與生成結(jié)果。韓昀松[13]基于建筑性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理，以Rhino和Grasshopper作為幾何建模平臺(tái)，結(jié)合Ecotect、WinAir性能模擬軟件，針對(duì)日照以及風(fēng)環(huán)境，以寒冷地區(qū)某城市高校內(nèi)的文教建筑為例，實(shí)現(xiàn)了建筑形態(tài)與表皮的引導(dǎo)生形過(guò)程。

國(guó)內(nèi)外基于建筑設(shè)計(jì)的視角針對(duì)住宅建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)問(wèn)題的研究呈現(xiàn)出隨時(shí)間發(fā)展逐步深入和細(xì)化的趨勢(shì)，體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：

（1）建筑節(jié)能設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的定性分析、理論研究和案例歸納總結(jié)逐漸轉(zhuǎn)化為基于建筑物理和數(shù)學(xué)原理的性能模擬量化計(jì)算，使得建筑節(jié)能分析更具有學(xué)理性。

（2）與建筑能耗相關(guān)的環(huán)境性能耦合性研究越來(lái)越多，較早文獻(xiàn)大多僅討論建筑設(shè)計(jì)及運(yùn)行過(guò)程中的主被動(dòng)式能耗，而隨著當(dāng)前研究的逐步深入，很多學(xué)者意識(shí)到建筑的節(jié)能分析不能以住戶居住的舒適度及滿意度為代價(jià)，因此研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移到建筑能耗與室內(nèi)光熱舒適度等其它因素的綜合性評(píng)估系統(tǒng)上。

（3）由于當(dāng)前研究對(duì)于建筑能耗及環(huán)境耦合因素的關(guān)注逐漸增多，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)更為多元化，因此涉及到建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的分析變量也在逐漸擴(kuò)展，多個(gè)設(shè)計(jì)變量的組合共同作用于最終的節(jié)能設(shè)計(jì)目標(biāo)，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)性的節(jié)能設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)過(guò)程。

（4）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，與建筑參數(shù)化和環(huán)境性能模擬相關(guān)的新工具不斷涌現(xiàn)，由此帶來(lái)的研究方法、研究目的和研究對(duì)象逐漸多樣化，與此同時(shí)，建筑性能模擬的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大。

研究以住宅建筑為例，重點(diǎn)討論如何在方案階段有效利用建筑參數(shù)化分析手段實(shí)現(xiàn)建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)，在提高熱環(huán)境舒適度的同時(shí)，節(jié)約建筑能耗并降低建筑生命周期的成本。研究以此為技術(shù)手段，分析不同氣候區(qū)典型城市的最優(yōu)節(jié)能設(shè)計(jì)參數(shù)，并根據(jù)各城市節(jié)能規(guī)范要求，建立參照建筑模型，將參照建筑的性能與氣候適應(yīng)性最優(yōu)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)進(jìn)行比較，量化分析最優(yōu)設(shè)計(jì)在多大程度上改善了各地建筑的節(jié)能、光熱環(huán)境舒適度和成本效益，提升當(dāng)前氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究的精細(xì)化程度。

1.2 氣候條件分析

我國(guó)地處太平洋西岸，氣候主要受季風(fēng)環(huán)流的影響，又因地勢(shì)的多變而復(fù)雜。我國(guó)在1993年頒布的《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50176-93》中，根據(jù)全國(guó)各地最冷與最熱月的平均溫度，將全國(guó)分為7個(gè)一級(jí)建筑氣候區(qū)和20個(gè)二級(jí)建筑氣候區(qū)，一級(jí)區(qū)反映全國(guó)建筑氣候上大的差異，二級(jí)區(qū)反映各大區(qū)內(nèi)建筑氣候上小的不同。

研究根據(jù)我國(guó)建筑氣候分區(qū)，從氣候區(qū)I、II、III、IV、V中選取了5個(gè)典型城市，分別為哈爾濱（嚴(yán)寒地區(qū)I）、北京（寒冷地區(qū)II）、上海（夏熱冬冷地區(qū)III）、深圳（夏熱冬暖地區(qū)IV）和昆明（溫和地區(qū)V）。

2 多目標(biāo)優(yōu)化的方法

2.1 優(yōu)化流程

本研究針對(duì)建筑氣候適應(yīng)性的分析是基于集成式參數(shù)化模擬流程展開(kāi)的，在集成式參數(shù)化軟件的輔助下，用于建筑能量建模的各個(gè)參數(shù)可以集合在同一平臺(tái)上統(tǒng)一優(yōu)化分析。研究利用Grasshopper的插件Octopus對(duì)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行搜索，Octopus將SPEA-2的進(jìn)化原理應(yīng)用于參數(shù)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，SEPA2是Zitzler和Thiele在2001年提出的對(duì)SPEA(Strength Pareto Evolutionary Algorithm)的改進(jìn)版本，用于在多個(gè)目標(biāo)的極端值之間產(chǎn)生一系列優(yōu)化的帕累托權(quán)衡解決方案[14，15]。Grasshopper操作流程如圖1，圖1中各個(gè)模塊的標(biāo)號(hào)可以對(duì)應(yīng)到圖2中的邏輯。

圖1 Grasshopper操作流程

圖2 Grasshopper 平臺(tái)的建模邏輯

2.2 目標(biāo)函數(shù)的定義

建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)指利用自然手段減少建筑對(duì)于人工空調(diào)系統(tǒng)的依賴。現(xiàn)代建筑由于空調(diào)設(shè)備等環(huán)境調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，使得人類可以更為主動(dòng)且精確地控制室內(nèi)環(huán)境，由此導(dǎo)致人們更依賴于人工設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)舒適的生活環(huán)境，從而割裂了建筑與氣候的關(guān)系，消耗了大量的化石能源。針對(duì)這一問(wèn)題，大量研究人員開(kāi)展了建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的相關(guān)研究。其中美國(guó)建筑師奧格雅和吉沃尼在其各自的研究專著中對(duì)于建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了定義，分別包括了光環(huán)境舒適度和熱環(huán)境舒適度[16，17]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及建筑氣候適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系的完善，不少學(xué)者如Jürgen Schnieders等人[18]，Letizia Martinelli等人[19]和Fatima Harkouss等人[20]又加入了其它的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如生命周期成本和建筑能耗等。

因此，本研究定義的建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)旨在保證建筑熱環(huán)境舒適的同時(shí)盡量減少建筑能源消耗和生命周期成本。在本研究中，熱環(huán)境舒適度模型、建筑能耗模型和建筑生命周期成本模型是氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的三個(gè)重要的目標(biāo)函數(shù)，在某種程度上，三者既互相關(guān)聯(lián)又相互沖突，這三個(gè)目標(biāo)函數(shù)的基本參數(shù)設(shè)置定義如下：

（1）熱環(huán)境舒適度

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55[21]將“熱舒適”被定義為：人對(duì)熱環(huán)境表示滿意的一種意識(shí)狀態(tài)。研究根據(jù)一系列參數(shù)設(shè)定，利用PMV模型計(jì)算全年不舒適時(shí)間百分比（DH）為指標(biāo)進(jìn)行熱環(huán)境舒適度評(píng)估。

根據(jù)ANSI/ASHRAE STANDARD 55-2013列出的典型活動(dòng)水平和服裝熱阻值，研究大致確定了用于模擬的服裝熱阻值輸入?yún)?shù)，這一參數(shù)設(shè)定以月度為時(shí)間步徑值根據(jù)月度外部平均溫度的變化而變化，兩者呈線性關(guān)系，代謝率在案例中固定為1.2 met，這對(duì)應(yīng)于住宅建筑中的久坐行為。此外，空氣速度設(shè)定為在大多數(shù)封閉室內(nèi)環(huán)境中較為常見(jiàn)的0.05 m/s的極低風(fēng)速，近乎于無(wú)風(fēng)狀態(tài)，PMV計(jì)算的具體輸入?yún)?shù)以月度為步徑值變化。

（2）建筑能量需求

建筑物的年度能量需求定義為所有公寓的制冷和供暖負(fù)荷之和，其余家庭熱水、電器設(shè)備等能量需求均不計(jì)算在內(nèi)，夏季制冷時(shí)間和冬季供暖時(shí)間根據(jù)不同氣候區(qū)的要求設(shè)定。本研究中將HVAC系統(tǒng)性能系數(shù)假設(shè)為1，因此能量需求可以直接從模擬中提取EnergyPlus的結(jié)果。根據(jù)供暖與制冷設(shè)定點(diǎn)溫度確定能量需求計(jì)算的參數(shù)，假設(shè)在HVAC系統(tǒng)中沒(méi)有實(shí)施熱回收裝置。因此，年度建筑能量需求的目標(biāo)函數(shù)可以計(jì)算為公式1：

其中BED代表單位建筑面積年度建筑能量需求[kWh/m2]，建筑能量需求的計(jì)算僅考慮供暖和供冷需求，不考慮照明等其它方面，Eci是第i層的供冷需求，Ehi是第i層的供暖需求，n是建筑的總樓層數(shù)，A是建筑空調(diào)區(qū)的各樓層總面積。

（3）建筑生命周期成本

為了評(píng)估與給定建筑相關(guān)的總成本，研究使用30年的時(shí)間范圍執(zhí)行了生命周期成本分析（Life Cycle Cost Analysis, LCCA）[22]。建筑物的全生命周期成本包括初始建設(shè)成本，年度能源使用成本和持續(xù)維護(hù)成本。但是，根據(jù)全局成本概念，在當(dāng)前面向方案階段的研究中，僅考慮了建筑材料和年度能源成本，因?yàn)樗鼈儗?duì)生命周期成本產(chǎn)生的影響最大。公式2～4顯示了本研究中用于計(jì)算生命周期成本的方法。

式中：GC為建筑生命周期全局成本； 為初始投資成本（元）； 為年份為i時(shí)的能源費(fèi)用（元）； 為年份為i時(shí)的貼現(xiàn)率； 為總建筑面積（m2）； 為實(shí)際利率； 為能源價(jià)格上漲率，取1.2%； 為市場(chǎng)利率，取4.25%；計(jì)算期取30年，原因是超出30年的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性將受到影響。在計(jì)算期內(nèi)，假設(shè)建筑的能量需求不變。

2.3 典型建筑的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置

研究所建立的典型模型為普通的2層住宅樓，具體參數(shù)如表1所示。

在典型模型的基礎(chǔ)上（表1），由于本研究的優(yōu)化主要關(guān)注于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化框架下的HVAC能源系統(tǒng)、一次能源和可再生能源系統(tǒng)是固定的（即不包括在優(yōu)化過(guò)程中），因此需要對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行更為具體的細(xì)分設(shè)置，如表2～3，初始投資成本計(jì)算如表4.

表1 模型的參數(shù)設(shè)置

表2 每個(gè)氣候區(qū)參考建筑的設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 初始投資成本計(jì)算方法

2.4 典型建筑的性能指標(biāo)

表3 不同類型的窗戶及其參數(shù)和投資成本

為了突出優(yōu)化對(duì)于建筑性能的改善程度，將所獲得的最優(yōu)解與參考設(shè)計(jì)相比較，表5參考既有規(guī)范[25]，提供了參照建筑在相應(yīng)氣候區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)。根據(jù)表5的參考值，表6計(jì)算出了參考設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)（即三個(gè)目標(biāo)函數(shù)和投資成本）。

表5 我國(guó)不同氣候分區(qū)參考建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)

表6 我國(guó)不同氣候區(qū)典型城市住宅建筑參考設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)

3 住宅建筑優(yōu)化的結(jié)果

基于以上多目標(biāo)優(yōu)化邏輯，本小節(jié)針對(duì)我國(guó)5個(gè)不同氣候區(qū)的典型城市進(jìn)行氣候適應(yīng)性優(yōu)化分析，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為用于熱環(huán)境評(píng)價(jià)的全年不舒適時(shí)間百分比（DH）、建筑能量需求以及建筑生命周期成本，再將所得出的優(yōu)化參數(shù)結(jié)果和性能指標(biāo)進(jìn)行比較，并探討我國(guó)各氣候區(qū)城市住宅建筑的性能指標(biāo)差異。

3.1 我國(guó)典型城市住宅建筑的優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

圖3顯示了以上海氣候區(qū)為例的優(yōu)化過(guò)程，從圖中可以看出多目標(biāo)優(yōu)化的帕累托前沿在第18代之前是逐漸密集的，隨后開(kāi)始逐漸收斂，一直到第27代，而從27代之后，帕累托前沿幾乎沒(méi)有變化。

圖3 以上海為例的多目標(biāo)優(yōu)化迭代變化

圖4顯示了典型住宅建筑模型在我國(guó)不同氣候區(qū)的優(yōu)化結(jié)果，圖5的二維帕累托解是圖4在平面BED（垂直軸）- GC（水平軸）上的投影。

圖4 我國(guó)不同氣候區(qū)典型城市的優(yōu)化帕累托前沿

研究提供兩種最優(yōu)解方案，即最小化建筑能量需求的節(jié)能最優(yōu)解（nZEB最優(yōu)）和最小化全局成本的成本最優(yōu)解（C-O最優(yōu)解）。這兩種最優(yōu)解對(duì)應(yīng)了公共需求和私人需求兩種不同的目標(biāo)，一般而言，公共社會(huì)部門的主要目標(biāo)是大力減少能源消耗和污染排放，而私人住戶的目標(biāo)主要是節(jié)約成本和實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱舒適。因此圖5.BED-GC非支配解著重分析BED和GC的最小化，這些解是3D非支配解的一部分，因?yàn)闆](méi)有其他解決方案同時(shí)改進(jìn)（即減少）BED和GC。通過(guò)BED-GC帕累托前沿可知：

“節(jié)能最優(yōu)（nZEB）解決方案”，即BED在所有非支配解中最小化，位于圖5的2D帕累托前沿的右端； “成本最優(yōu)（C-O）解決方案”，即GC在所有非支配解中最小化，位于圖5的2D帕累托前沿的左端；

圖5 我國(guó)典型城市的建筑能量需求（BED，縱坐標(biāo)）與全局成本（GC，橫坐標(biāo)）帕累托前沿

“nZEB’解決方案”，當(dāng)“節(jié)能最優(yōu)（nZEB）解決方案”與“成本最優(yōu)（C-O）解決方案”均不能滿足綜合指標(biāo)的要求時(shí)，為了取得一個(gè)折衷結(jié)果，需要引入“nZEB’解決方案”，與參考設(shè)計(jì)相比，“nZEB’解決方案”具有較低的GC和BED值（圖6）。當(dāng)圖6帕累托前沿由左向右移動(dòng)時(shí)，非支配解的成本效益逐漸變差，但節(jié)能效果逐漸改善。

圖6 nZEB, nZEB’和C-O最優(yōu)解的關(guān)系示意圖

表7～9分別列出了不同氣候區(qū)建筑的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化值及相應(yīng)的目標(biāo)值，其中表7列出了每個(gè)氣候區(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化值，表8列出了優(yōu)化參數(shù)下相應(yīng)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，表9列出了優(yōu)化參數(shù)下目標(biāo)函數(shù)的性能指標(biāo)以及投資成本。

表8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)（U值）的最優(yōu)解

表9 優(yōu)解的性能指標(biāo)

根據(jù)表7列出的不同氣候區(qū)內(nèi)住宅建筑的設(shè)計(jì)參數(shù)值可知，在所有的優(yōu)化方案中，最佳建筑朝向?yàn)闁|西朝向（0°），以方便建筑在較冷季節(jié)最大限度地利用太陽(yáng)輻射。

表7 每個(gè)氣候區(qū)參考建筑的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)

就圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化而言，屋頂和外墻的外表面太陽(yáng)吸收率從較溫暖的氣候區(qū)到更冷的氣候區(qū)逐漸增加，以最大化利用太陽(yáng)輻射。盡管過(guò)高的太陽(yáng)吸收率在制冷季節(jié)尤其是對(duì)于較暖的氣候區(qū)來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，但在采暖季節(jié)則會(huì)更有利于建筑節(jié)能和維持室內(nèi)熱舒適度。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層厚度方面，以深圳和昆明為代表的我國(guó)夏熱冬暖氣候區(qū)與溫和氣候區(qū)的最優(yōu)解并不建議在屋頂、外墻和地面使用保溫層，因?yàn)檫@些城市處于我國(guó)南部，相對(duì)于保溫更注重于夏季散熱。相比較參照建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，除深圳和昆明以外，所有城市的nZEB最優(yōu)解的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)都有所降低，而深圳和昆明的屋頂與地面的傳熱系數(shù)，由于不使用保溫層，所以相比較參照建筑的建議參數(shù)反而提高了。相比較nZEB最優(yōu)解，C-O最優(yōu)解更關(guān)注于全局成本的最低，由此可能會(huì)犧牲一部分的熱環(huán)境舒適度和建筑能耗。在C-O最優(yōu)方案中，哈爾濱和北京僅建議在地面使用保溫層，而不建議在外墻和屋頂使用保溫，通過(guò)后文性能指標(biāo)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這一策略在很大程度上犧牲了熱環(huán)境舒適度并大大地提高了建筑能量需求，使得該方案并不適宜于實(shí)際操作，因此研究針對(duì)這兩個(gè)城市，在nZEB最優(yōu)解和C-O最優(yōu)解提之間提出了折衷的nZEB’解決方案。相對(duì)于哈爾濱和北京，C-O最優(yōu)解下的深圳和昆明，由于氣候原因，在不使用保溫層的情況下，降低了全局成本的同時(shí)仍然可以保證一定的熱舒適性。

此外，nZEB最優(yōu)方案中外墻磚塊厚度隨著城市從南至北逐漸變厚，類似情況也發(fā)生在屋頂磚塊厚度的變化趨勢(shì)上。相比較外墻和屋頂?shù)拇u塊厚度，不同城市住宅建筑的地面磚塊厚度總是保持為0.25m，但是氣候變化的適應(yīng)性體現(xiàn)在地面磚塊的導(dǎo)熱系數(shù)和密度上。nZEB最優(yōu)方案中，隨著城市從南到北，地面磚塊的導(dǎo)熱系數(shù)和密度逐漸降低，即材料的熱容性逐漸降低。

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)透明部分（即窗戶），北方城市，即哈爾濱和北京為代表的嚴(yán)寒氣候區(qū)和寒冷氣候區(qū)城市，窗戶類型7較為常見(jiàn)。而南方城市，即以上海、深圳和昆明為代表的城市，窗戶類型5較為常見(jiàn)。這是因?yàn)榇皯纛愋?在所有窗戶類型中的傳熱系數(shù)最低，為1.35W/m2K，適合用于北方城市住宅的冬季保溫；而窗戶類型5在所有窗戶類型中的太陽(yáng)得熱系數(shù)最低，為0.37，適合于南方城市的夏季遮陽(yáng)。

3.2 優(yōu)化結(jié)果與參照建筑的比較

最后，將所提出的最優(yōu)解與在先前表6中劃定的與氣候相關(guān)的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，表10顯示了BED、GC、IC和DH的差異。從不同解決方案與參照建筑的對(duì)比可以看出，所有地區(qū)的nZEB最優(yōu)方案雖然能耗相比參照建筑都有一定程度的降低，但在不同程度上都是以全局成本（GC）和熱環(huán)境舒適度（DH）的劣化為代價(jià)的。針對(duì)哈爾濱和北京為代表的嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)，C-O最優(yōu)方案雖然具有成本效益，但提高了建筑能耗，并且惡化了熱環(huán)境舒適度，因此這兩個(gè)地區(qū)的設(shè)計(jì)建議值應(yīng)采用nZEB’最優(yōu)解。而針對(duì)上海、昆明和深圳等夏熱冬冷氣候區(qū)、溫和氣候區(qū)和夏熱冬暖氣候區(qū)的城市，C-O成本最優(yōu)解決方案比nZEB解決方案更具成本效益，并且與nZEB解決方案一樣節(jié)能，因此公共部門與家庭住戶可以選擇C-O這一權(quán)衡最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表10 所提出的最優(yōu)解與相關(guān)參考設(shè)計(jì)之間的比較

從優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與參照建筑設(shè)計(jì)的比較可以看出，最佳解決方案為各城市住宅建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了不同的指導(dǎo)原則。主要如下：

（1）建筑的朝向?yàn)闁|西朝向最佳，即主立面朝南；

（2）就外墻節(jié)能設(shè)計(jì)參數(shù)而言，上海、昆明和深圳等較溫暖地區(qū)住宅建筑的太陽(yáng)吸收率值建議低于0.7，而北京和哈爾濱等較寒冷地區(qū)的住宅建筑則需要更高的太陽(yáng)吸收率。此外，北京和哈爾濱等較寒冷地區(qū)的城市建議使用較厚的外墻保溫層，最佳厚度應(yīng)為0.10～0.12m厚，遠(yuǎn)高于參考建筑物（參考建筑物的保溫層為0.04～0.05m厚），并且外墻建議使用低密度和低導(dǎo)熱材料。

（3）與外墻類似，上海、昆明和深圳等較溫暖地區(qū)的屋頂太陽(yáng)吸收率建議低于0.3，而北京和哈爾濱等較寒冷地區(qū)的屋頂太陽(yáng)吸收率可以較高。此外，北京和哈爾濱等較寒冷地區(qū)城市住宅建筑的屋頂保溫層的最佳厚度應(yīng)為0.10～0.12m厚，高于參考建筑的屋頂保溫層厚度（0.06～0.08m），且屋頂建議使用低熱容材料。在昆明和深圳等較溫暖地區(qū)住宅建筑的屋頂可以不使用保溫層，但建議使用高熱質(zhì)量材料。

（4）由于地面與外墻和屋頂不同，接觸不到直接太陽(yáng)輻射，因此沒(méi)有對(duì)地面的太陽(yáng)吸收率進(jìn)行限定。但北京和哈爾濱等較寒冷地區(qū)城市住宅建筑的地面保溫層的最佳厚度應(yīng)為0.10～0.12m厚，高于參考建筑的屋頂保溫層厚度（0.05～0.06m），而昆明和深圳等較溫暖地區(qū)的住宅建筑不建議使用保溫層，但建議使用熱質(zhì)量較高的 材料。

（5）針對(duì)窗戶，哈爾濱和北京等較寒冷地區(qū)建議使用窗戶類型7，而上海、昆明和深圳等較溫暖地區(qū)建議使用窗戶類型5，替換參考建筑中的窗戶類型2和窗戶類型3。

結(jié)論

研究依據(jù)我國(guó)的氣候分區(qū)選取5個(gè)典型城市，基于Grasshopper參數(shù)化平臺(tái)利用Octopus建立了優(yōu)化流程，對(duì)住宅建筑模型進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化決策（包括建筑能量需求、全年不舒適時(shí)間百分比和建筑全局成本），并通過(guò)帕累托前沿得出了適用于各典型城市住宅建筑的設(shè)計(jì)參數(shù)。研究將各典型城市的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)與各地節(jié)能規(guī)范建議的參照建筑參數(shù)進(jìn)行性能指標(biāo)的對(duì)比，量化最優(yōu)設(shè)計(jì)在多大程度上改善了各氣候條件下典型城市住宅建筑的目標(biāo)性能。

此外，本文還得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)于被動(dòng)式低能耗、高熱舒適度的建筑，可以使其在創(chuàng)造良好環(huán)境效益的同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性要求[26]。因此在方案階段需要對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，從設(shè)計(jì)的最初階段對(duì)建筑進(jìn)行控制；

（2）通過(guò)被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)篩選得到的綜合最優(yōu)解集，可以根據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同劃分為節(jié)能效果最優(yōu)(nZEB最優(yōu))和經(jīng)濟(jì)最優(yōu)(C-O最優(yōu))2種選擇模板，同時(shí)也可以根據(jù)參照建筑的既有性能搜索到權(quán)衡最優(yōu)解(nZEB’)的設(shè)計(jì)參數(shù)區(qū)間；

（3）基于典型住宅建筑模型構(gòu)建的多目標(biāo)優(yōu)化框架，利用不同氣候區(qū)典型城市的氣象數(shù)據(jù)，可以得出適用于不同氣候分區(qū)的住宅建筑熱環(huán)境最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)[26]。將最優(yōu)設(shè)計(jì)與不同氣候區(qū)住宅建筑參考模型的性能進(jìn)行對(duì)比，可以從公共部門和私人住戶兩個(gè)利益方的角度提出針對(duì)當(dāng)?shù)刈≌ㄖ夂蜻m應(yīng)性設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)住宅建筑的節(jié)能化發(fā)展。

圖、表來(lái)源

文中圖、表均為作者繪制。