适应性建筑表皮的多目标优化模型

It has become a non-negligible global issue that in order to maintain a comfort indoor environment in buildings a large amount of non-renewable resources have been consumed and CO2 emission has lead to global warming. Since a façade is an interface between the internal and external environment, its thermal and optical properties have crucial impacts on the energy demand and indoor environmental quality of the building. From the bionic point of view, instead of being a static and enclosed system, a façade should perform as a dynamic building skin that is capable of actively filtering climatic phenomena. The objective of this project is to minimise the energy demand of buildings and to improve the indoor thermal and optical comfort. With this purpose, we propose to construct an automatic and systematic optimisation model for adaptive facades through dynamic building performance simulation in combination with multi-objective optimisation algorithms. Based on this model, the variation of the instantaneous optimal thermal/optical properties of adaptive facades and suitable control strategies will be investigated, taking the hot summer and cold winter zone of China as an example. A whole-life value based method will be deployed for analysing the economic and environmental benefits of adaptive facades. The outcome of this project will show the impact of adaptive façades on energy demand and thermal/optical comfort in buildings. It explores the potential of adaptive facades in China’s building sector, and provides a novel direction for the development of green building façade technologies in China.

为满足建筑室内环境舒适度而消耗大量不可再生能源和排放温室气体所导致的气候变暖，已成为不容忽视的全球性的环境问题。建筑围护结构作为建筑室内与室外的分界面，其光学、热学性能对建筑能耗、室内光、热环境有着十分重要的影响。从仿生学的角度来说，建筑围护结构不应是静态的封闭结构，而应是对气候进行动态“过滤”的表皮。本课题以适应性建筑表皮为研究对象，以降低建筑能耗、改善室内热环境与光环境舒适度为目标，将建筑性能动态模拟与多目标优化算法相结合，建立针对适应性建筑表皮的自动化、系统化的优化模型；并以我国冬冷夏热地区为例，探索适应性建筑表皮瞬时最优性能的变化规律和调控策略；运用全生命周期法分析适应型建筑表皮的经济效益和环境效益。本课题旨在揭示适应性建筑表皮的性能变化对建筑能耗和室内光、热环境的影响机制，探索适应性建筑表皮在我国建筑市场的应用潜力，为我国绿色建筑外墙技术的发展提供新思路。

建筑围护结构作为建筑室内与室外的分界面，其光学、热学性能对建筑的总能耗和室内光、热环境有着十分重要的影响。随着新材料、新技术的研发和利用，建筑围护结构逐渐从静态的封闭结构向对气候进行动态“过滤”的、适应性的建筑的表皮逐渐演变。设计师在建筑设计的过程中也力求使建筑表皮能够有选择性地对热量、声音、可见光等环境条件和资源进行传递、过滤或阻隔，从而在多个设计要求中找到最佳平衡点。本课题以适应性建筑表皮为研究对象，以降低建筑能耗、改善室内热环境与光环境舒适度为目标，将多目标优化计算方法利用数学建模软件进行表达，并与建筑性能模拟软件结合，对适应性建筑表皮进行模拟优化。在此基础之上探索适应性建筑表皮的瞬时最优光学、热学性能的变化规律和最佳调控策略，并对其经济效益和环境效益进行分析。研究主要成果为一套针对适应性建筑表皮的模拟和优化模型，该模型可假设适应性建筑表皮的光、热学性能参数可根据控制条件在一定频率和数值范围内任意变化，通过全年的模拟计算得到最优（即能使总能耗和室内环境质量达到最佳平衡）的性能参数组合。其中还利用了热学历史管理技术对建筑表皮具适应性的性能参数在以每日/次以上频率改变时进行控制，从而能够准确模拟前一时间段内的最优解对后一时间段的影响。在此基础之上，研究还对热学性能可变的外墙保温板和热学、光学性能同时可变的透明外墙材料展开分析，给出全年中各性能参数在不同调节频率下（从每季度/次递增至每小时/次）在每个调节区间内的最优值和最佳调节策略。计算结果表明适应性材料相对于传统外墙材料可将节能性和室内环境质量提高约50%。另外，研究还通过量化分析确定了光伏玻璃和电致变色玻璃的优越性，并对相变材料保温板的材料和构造设计提出具体意见。本研究揭示了适应性建筑表皮的性能变化对建筑能耗和室内光、热环境的影响机制，量化了适应性建筑表皮在我国建筑市场的应用潜力，为绿色建筑外墙技术的发展提供了新的方向。