基于热环境智能调控的气候适应性可变建筑表皮设计研究

The changeable building skin (CBS) is an intelligent and dynamic building skin system. By adjusting the changeable components on the skin, its thermal functions can be changed, so that it can adapt to dynamic changes of outdoor climate and indoor heat load. Intelligent control system is used in the CBS to achieve automatic adaptation to the thermal environment, and to integrate the passive and active technologies to meet the needs for indoor comfort and energy efficiency. In the study, a theoretical model is established to describe the heat transfer process of CBS, and find out the influence of the four adjustable factors: solar heat gain, air exchange rate, heat capacity and coefficient of heat transfer, on the building thermal environment. Measurements based on the two laboratory rooms are used to verify the theoretical model of CBS. Two net Zero-energy buildings, named Sunny Inside and Nature Between, are used in the study to explore the control strategies of CBS on different weather conditions. The forms and control strategies of practical CBS cases are sorted out, and the design strategies of CBS are summarized based on these case studies. Through the theoretical research, experimental research and case analysis above, the theory of changeable building skins can be enriched and improved.

可变建筑表皮是一种智能、动态的建筑表皮系统，能通过表皮上的可变构件调节其功能，动态地适应室外气候环境和室内冷热负荷的变化，并能通过智能控制实现对环境的自动调节，满足室内环境舒适要求并节约能耗。研究中将建立理论模型来描述可变建筑表皮的换热过程，理清太阳辐射得热量、换气次数、热容量、传热系数四个可调节因素对建筑热环境的影响；基于两个实验房进行对比实测，结合计算机模拟分析，探讨各个环境影响因素之间的相互关系；基于对“Sunny Inside”和“Nature Between”两栋零能耗建筑的实测，分析智能控制系统的不同调节策略对室内热环境以及建筑能耗的影响，探讨被动式和主动式相结合的调节策略；在实例分析的基础上，对可变建筑表皮的设计形式和调节策略进行整理归纳，得到可变建筑表皮的气候适应性设计策略。通过上述理论研究、实验研究和案例分析，充实和完善可变建筑表皮的设计理念。

可变建筑表皮是一种智能、动态的建筑表皮系统，能通过表皮上的可变构件调节其功能，动态地适应室外气候环境和室内冷热负荷的变化，并通过智能控制实现对环境的自动调节，满足室内环境舒适要求、节约能耗。本课题对可变建筑表皮的设计理念以及动态控制进行研究，对影响室内环境舒适的关键因素进行分析，同时也对生态建筑的立面设计进行探索，旨在建立建筑设计实践中易于应用的可变建筑表皮设计理论及策略体系。研究中建立理论模型来描述可变建筑表皮的换热过程，理清太阳辐射得热量、通风量、热容量、传热系数四个可调节因素对建筑热环境的影响；并基于两个实验房进行对比实测，结合计算机模拟分析进行验证，探讨各个环境影响因素之间的相互关系；提炼出可变建筑表皮的设计形式与调节策略，并应用于绿色建筑的设计实践中。本研究采用案例分析、实测研究与计算机模拟研究相结合的方法，在实际案例及历届SD太阳能十项全能竞赛的参赛作品分析评估的基础上，对可变建筑表皮的设计策略和运动形式进行整理归纳，得到可变建筑表皮的气候适应性设计策略；基于对2018年SD竞赛的“自然之间”这栋零能耗建筑进行实测，以及对“Sunny Inside”进行改造，分析智能控制系统的不同调节策略对室内热环境以及建筑能耗的影响，探讨被动式和主动式相结合的调节策略；计算机模拟研究用于与实测研究相互补充与印证。通过上述理论研究、实验研究和案例分析，充实和完善可变建筑表皮的设计理念。