寒地人居环境绿色性能优化设计关键技术研究与应用

1 引言

我国寒地城乡占国土面积的71.32%，近6亿人口生活在寒地城乡。寒地气候严酷，采暖时间长、室内外温差大、冬季日照时长短，存在能源消耗大、碳排放水平高、物理环境品质改善难等问题，严重制约了寒地城乡经济和社会发展。因此，提高寒地人居环境室外环境品质，改善寒地建筑围护结构体系绿色性能，优化寒地建筑室内环境舒适度，已成为推进“节能减排”战略落实，建设节约型社会的关键。

图1研究框架

寒地人居环境绿色性能优化设计存在室外环境绿色性能影响机理复杂、建筑围护结构体系多性能矛盾突出、室内环境绿色性能提升能耗代价高等瓶颈问题，制约了寒地城乡人居环境绿色性能的优化。同时，寒地城乡幅员辽阔、新方法与新技术推广覆盖难度大。针对上述问题，研究立足人居环境系统观[1]，从建筑室外环境、建筑围护结构体系和建筑室内环境三方面展开寒地人居环境绿色性能优化设计关键技术研究（图1），并结合寒地城乡规划与建筑工程项目展开关键技术实践应用。

2 寒地建筑室外环境绿色性能优化设计关键技术

寒地建筑室外环境受气候波动、建设活动与植被水体等多因素耦合影响，影响机制解析难，热湿环境预测难度高。在光环境方面，局地光气候数据采集困难，光环境仿真边界条件偏差大，仿真精度待提升。在热环境方面，人为热源众多，局地气候下建筑与环境交互作用复杂，对环境影响量化评价难。

针对以上问题，研究立足城乡尺度，通过红外遥感与数值仿真，突破复合影响机制导致的解析困难和环境预测瓶颈。围绕建筑尺度，通过全天空扫描，实现基于局地光气候的建筑光环境高精度仿真，整合局地环境人为排热时空分布数据，提高建筑排热对室外环境影响的评价精度。

2.1 多因素耦合的城乡尺度热湿环境预测与优化设计关键技术

研究应用红外遥感技术采集城乡建筑、河流、植被热湿分布数据，解析城乡建设活动与植被、水体等绿色要素对城乡尺度热环境的复合影响机制，通过遥感图像校正消除地球自转、大气折射、地形起伏、传感器姿态变化导致的遥感图像辐射失真和几何变形。基于卫星过境时刻的温湿度廓线、水汽、二氧化碳、臭氧和氧气含量等大气探空数据进行大气校正。应用单窗算法将TM影像元对应灰度值反演为地表辐射温度。基于LSE影像，估计各类型发射率值，反演出地面真实温度；应用地表温度日变化幅度、植被冠层与冠层空气温差、表观热惯量计算地表湿度；应用ArcGIS生成区域地表温湿度分布图，该方法已应用于严寒地区典型城市哈尔滨的地表温湿度数据采集与分布图生成（图2）[2][3]。

图 2 基于红外遥感的哈尔滨地表温湿度分布研究 [4]

基于地表温湿度分布数据，通过CFD计算不同建筑布局、容积率、岸堤高度、滨水间距和绿化对室外环境水蒸气扩散及温度影响，得出城乡建设活动与植被、水体等绿化要素对城乡尺度室外热环境的复合影响机制[5]。遥感与CFD仿真模拟实验结果表明：容积率、岸堤高度和绿化对水蒸气扩散的影响最为显著，其次为滨水间距，影响程度最小的为建筑布局，而各因素对于温度影响无明显差距。

针对城市规划中的控制性详细规划阶段，将影响热环境的控规参数进行分类，并选用新标准有效温度、湿黑球温度、热岛强度作为热环境评估指标，在城市区域热气候预测模型的基础上，采用单因子变量的方法分析各控规参数对评估指标的影响，得到各评估指标的逐时简化计算模型，并与原计算模型进行对比验证，结果显示简化模型更为简便快速，具有较高的计算精度，并极大提高了运算速度，通过将数据导入、数据维护、图形展示、数据导出等模块与简化计算模型进行耦合，开发了城市控制性详细规划热环境评估软件[6]。

2.2 基于局地气候实测的建筑室外光热环境仿真评价关键技术

由于局地光气候数据采集难度高，既有方法多以CIE全云天模型展开光环境仿真，对光气候地域性考虑不足，制约了室外光环境仿真精度。针对上述问题，研究提出了寒地建筑室外光环境仿真方法，实现了基于局地光气候的寒地建筑室外光环境仿真。该方法根据地理环境信息确定天空亮度分布数据采集时间域和步长，将局地天空划分为145个天空元，应用全天空扫描仪与成像仪监测、采集寒地光气候数据，建立局地光气候模型，整合BIM、VR建模与人工天穹，构建基于局地光气候的光环境仿真平台，显著提升光环境预测精度（图3）。

建筑排热对室外热环境具有显著影响，研究基于典型公共建筑排热实测数据，解析了建筑显热和潜热排热构成关系，提出了建筑大气排热比（HRR）指标和计算模型（公式1），建立了建筑排热影响评价模型，并将其与城乡区域热环境动态预测模型耦合展开建筑排热影响评价，实现了建筑排热对城乡热湿环境影响的量化评价[8]。

公式1 

图3基于局地光气候的光环境仿真平台[7]

3 寒地建筑围护结构绿色性能优化设计关键技术

既有寒地围护结构热工性能评价精度仍待提升。同时，限于保温需求，寒地建筑围护结构因构造复杂，耗材量大。而且，新型低碳材料因性能评价难，优化设计技术匮乏，很难推广应用于寒地建筑围护结构[9]。

针对上述问题，研究面向绿色建筑评价需求，对围护结构绿色性能展开优化设计[10]：基于热质比拟与流固耦合传热理论，提高围护结构热工性能计算与检测精度；研发了EPS模块产品和装配式建造技术，突破了围护结构材料利用效能瓶颈。

3.1 基于流固耦合的围护结构热工性能仿真与检测评价关键技术

研究耦合流固传热函数，解析围护结构与环境的能量交互过程，优化热工性能仿真技术。既有围护结构传热模拟多将对流换热系数设定为常量，误差较大，影响了围护结构体系传热模拟精度[11]。应用改进的非线性涡粘性模型，研究修正了撞击区湍动动能预测过大缺陷，补偿了建筑尾迹区涡脱落的湍动动能，显著提高了建筑围护结构体系绕流场预测精度[12]。

基于热质比拟理论，研发高效快速的围护结构热工性能检测评价技术。该技术应用萘试件来实测建筑表面时均换热系数，适用于不同形态、材料的建筑围护结构体系节能性能检测，能够兼顾建筑墙体等垂直围护结构和屋面等水平围护结构的节能性能检测需求（图4），解决了既有寒地建筑围护结构体系对流换热特性检测难题。

图4基于萘升华的建筑围护结构体系节能检测与统计分析[13]

3.2 保温结构一体化下的围护结构材料利用优化设计关键技术

研发的围护结构体系新型节材模块以EPS空心模块为保温围护材料，采用高温模腔一次成型，抽真空加冷却脱模，其在模腔内完成收缩变形，熔结性均匀、性能指标稳定、几何尺寸误差小。相比传统聚苯板，能够大幅提高围护结构体系材料使用效率，减少围护结构体系整体耗材量。基于对不同种类新型节材模块规格形状、拼装组合及体系构造特点的考虑，新型模块体系显著提高了寒地建筑围护结构体系工业化水平，可降低围护结构成本，在城乡建筑、灾后重建等领域具有广泛应用前景[14][15]。

3.3 低碳围护结构性能优化设计关键技术

结合稻草板墙（图5）、轻钢龙骨复合墙体等低碳围护结构的多性能人工气候舱仿真数据，展开低碳围护结构性能研究。

在相同实验条件下测定了稻草板和2种常用建筑调湿材料（硅藻泥及多孔无机矿物质瓷砖）的等温吸湿、放湿曲线，比较了上述3种材料调湿特性的差异性，实验结果表明：在相同的环境条件下（温湿度恒定），稻草板的平衡含湿量为硅藻泥的4~6倍，为多孔瓷砖的6~8倍；相同的环境条件下，稻草板的吸放湿速率最大，随着吸湿时间增加，吸湿速率均呈衰减特性，稻草板的衰减幅度最小[16]。

对腹板开孔轻钢龙骨复合墙体截面参数如钢龙骨翼缘宽度、龙骨厚度、龙骨宽度和龙骨间距对墙体传热的影响和热桥问题进行模拟研究，为围护结构各参数选取提供了科学支持[17]。

图5稻草含水率检测及电子显微镜照片[18]

4 寒地建筑室内环境

绿色性能优化设计关键技术在室内环境绿色性能优化设计方面，研究兼顾热舒适、光舒适与空气品质绿色性能展开关键技术攻关。由于使用者行为建模工作量大、技术难度高，寒地建筑热舒适评价精度待提升。既有室内光环境优化中对寒地光气候地域特征考虑不足，眩光评价难[19]。在室内空气品质方面，以VOCs为代表的化学污染物散发机制复杂，缺乏针对寒地建筑保温及气密性特点的空气品质提升技术，导致室内化学污染物暴露量超标（图6）。针对上述问题，研究通过建立使用者行为模型，突破室内热舒适预测精度瓶颈。基于HDR图像筛选光舒适评价指标，提高室内光舒适评价科学性。耦合化学污染物散发模型和流体仿真技术，提高室内化学污染物的去除效果。

图6化学污染物暴露量（左侧：北方城市；右侧：南方城市）[20]

4.1 整合行为数据的

寒地建筑室内热舒适性能优化设计关键技术基于使用者行为与热感觉数据的长期采集（图7），利用数据挖掘对使用者行为模式进行分类，建立更为优化的、并可链接建筑性能模拟平台的寒地建筑使用行为数据库；在此基础上，建立了基于使用者行为的寒地建筑室内热舒适性能预测模型，避免使用者随机行为的不确定性对于性能预测的影响。

图7调研建筑的地理分布及室内场景[21]

4.2 基于HDR成像技术的寒地室内光舒适性能优化设计关键技术

针对寒地光舒适评价指标不适用的问题，研究应用HDR成像技术对室内光舒适性能进行实测。HDR成像技术通过拍摄光环境场景获取光环境参数，可获取多曝光时间场景低动态范围（LDR）图像，其涵盖了由最亮到最暗的场景全部信息，进而确定相机亮度反应函数，合成HDR图像，校准相机刻度及镜头渐晕（图8），其平均误差率仅为7.3%，适用于大多数建筑室内光舒适性能实测，精度高且简单易行，优于传统方法。基于该技术，研究筛选了适用于寒地的光舒适评价指标，并通过使用者实时调查验证所选用评价指标的科学性，提出了寒地室内光舒适性能评价方法。

图 8 HDR 成像技术流程 [22]

4.3 基于间歇通风烘焙的寒地室内空气品质性能优化设计关键技术

建成环境初期，建筑材料内的VOCs等室内空气品质污染物散发机理比较复杂。目前，国内外既有数学模型还难以准确表征VOCs从建材内部向室内空气中散发的整个过程。研究应用数值模拟解析不同环境因素如温度、换气次数等对室内空气污染物包括甲醛、VOCs释放的散发率、空间浓度分布的影响。考虑到VOCs从建材内部向室内空气中散发的整个过程周期长、种类多、不易区分计算，选用总挥发性有机化合物（TVOC）污染放散模型，建立了集成化学污染物散发模型与CFD模拟技术的室内污染预测评价模型[23]。

同时，研究提出了基于间歇通风烘焙的建筑室内空气品质性能优化技术。该技术包括密闭过程烘焙及通风过程。密闭过程烘焙过程将对地板污染源的房间在45℃烘焙条件下烘焙10d。由于烘焙过程加快了苯的扩散，前两天室内污染物平均浓度增长很快。但第3天后，室内浓度变化非常缓慢，室内浓度平均值维持在26.5mg/m³左右。可见，密闭烘焙3天以上的效果不大。主要原因在于室内浓度过高影响了建材内污染物的进一步扩散。由于密闭环境下没有气流紊动，污染物从地面至顶层呈现非常规律的层状分布，地面处污染物浓度最高，顶棚处污染物浓度最低。

该技术利用建筑装饰材料中的化学物质在高温下更容易挥发的特性，将室内温度在一定期间内一次性迅速提升，从而促进污染物的挥发，达到缩短污染物散发周期的目的。传统烘焙法和间歇通风烘焙法的污染物去除效果比较表明：传统烘焙过程苯的去除率只有42.8%，间歇通风烘焙处理后去除率达到80.1%。针对地下空间，项目也研发了空调通风控制技术，以便实现空气品质与节能权衡（图9）[24,25,26]。

图9化学污染物去除效果[27]

5 研究展望

研究围绕寒地人居环境绿色性能提升瓶颈问题展开技术攻关，丰富和发展了人居环境科学理论，推动了一系列国家标准、行业标准、地方标准的形成与发布，支撑了我国寒地人居环境绿色性能优化设计体系的构建，引领了行业健康发展。研究成果得到了国内二十余家设计单位、环保科技企业的积极推广和应用，提高了寒地人居环境室外环境质量，改善了寒地建筑围护结构体系绿色性能，优化了寒地建筑室内环境品质，推动了传统建筑业的转型升级，提升了我国在寒地建筑可持续研究领域的综合实力，取得了显著的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]孙澄,韩昀松,任惠.面向人工智能的建筑计算性设计研究[J].建筑学报,2018(09):98-104

[2]齐静静,刘京,郭亮.建筑物排热对城市区域热气候影响的长期动态模拟及分析[J].哈尔滨工业大学学报,2010,42(05):797-800+805.

[3]齐静静,刘京,郭亮.遥感技术应用于河流对城市气候影响研究[J].哈尔滨工业大学学报,2010,42(05):797-800+805.

[4]Liang G, Jing L, Jing jing Q,et al. Research of the River's Influence on the Thermal Climate of City through Infrared Remote Sensing[C]// International Conference on Energy & Environment Technology. IEEE Computer Society, 2009.

[5]宋晓程,刘京,余磊.北方地区滨水住宅区设计对夏季热湿环境的影响分析[J].建筑科学,2015,31(06):14-19.

[6]刘琳,刘京,肖荣波,李智山,饶峻荃,陈昕.控规阶段的城区热环境评估分析软件[J].哈尔滨工业大学学报,2017,49(02):92-97.

[7]孙澄，韩昀松等.一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法:中国,108052762A

[P].2018-05-18.

[8]穆康.城市空间公共建筑空调系统大气排热时空规律研究[D].哈尔滨工业大学,2016.

[9]Y Han, H Yu, C Sun. Simulation-Based Multiobjective Optimization of Timber-Glass Residential Buildings in Severe Cold Regions[J]. Sustainability, 2017(12): 2353

[10]孙澄,韩昀松,庄典.“性能驱动”思维下的动态建筑信息建模技术研究[J].建筑学报,2017(08):68-71.

[11]邵建涛,刘京,赵加宁,付志鹏,张文武.建筑外表面对流换热实验研究进展[J].建筑科学,2007(08):92-97.

[12]刘京,张文武,邵建涛.建筑外表面对流换热系数的CFD模拟[J].华南理工大学学报(自然科学版),2009,37(08):94-98.

[13]刘京,付志鹏,邵建涛,张文武.应用萘升华法实测建筑外表面对流换热[J].天津大学学报,2009,42(08):683-688.

[14]林国海,赵荣国.HS-ICF保温隔热承重模块复合墙体[J].墙材革新与建筑节能,2006(09):44-46+4.

[15]钱坤,夏源,林国海.EPS模块钢筋混凝土墙结构体系施工技术[J].建筑节能,2015,43(12):120-123.

[16]史路阳,刘京,张会波.稻草板与常见建筑材料调湿特性对比实验[J].建筑科学,2017,33(02):42-46.

[17]王昭俊,崔永旗,张素梅.腹板开孔轻钢龙骨复合墙体截面参数对传热的影响[J].哈尔滨工业大学学报,2006(10):1786-1788+1792.

[18]Yin X, Lawrence M, Maskell D, et al.Comparative micro-structure and sorption isotherms of rice straw and wheat straw[J] .Energy and Buildings, 2018:S0378778817332152.

[19]韩昀松,王钊,董琪.严寒地区办公建筑天然采光参数化模拟研究[J].照明工程学报,2017,28(04):39-46.

[20]Guangtao F, Jingchao X, Hiroshi Y, et al. Common SVOCs in house dust from urban dwellings with schoolchildren in six typical cities of China and associated non-dietary exposure and health risk assessment[J]. Environment International.

[21]Cheng S, Ran Z, Steve S, et al. A longitudinal study of summertime occupant behaviour and thermal comfort in office buildings in northern China[J]. Building and Environment.

[22]孙澄,刘蕾,孔哲.HDR-I技术应用于光环境性能实测的方法[J].照明工程学报,2017,28(02):65-69+83.

[23]Xiao Y, Wang L, Yu M, et al. Characteristics of indoor/outdoor PM 2.5, and related carbonaceous species in a typical severely cold city in China during heating season[J]. Building and Environment, 2018, 129:54-64.

[24]Yang L U, Jing L, Jing L I, et al. Experimental research on bake-out with dilution exhaust ventilation for preventing hazardous indoor air pollutants due to interior decoration[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2007, 39(6): 904-907.

[25]吕阳,刘京,吕炳南,姜安玺,谢冰,李静.关于室内装修有害气体烘焙排风稀释技术数值研究[J].环境保护科学,2006(05):8-10+13.

[26]刘京,李静,吕阳,张静茹.关于间歇通风烘焙法技术流程的CFD数值模拟研究[J].环境保护科学,2007(04):67-69+76.

[27]吕阳，烘烤-生物滴滤塔组合技术去除室内有害气体的研究[D]，哈尔滨工业大学博士学位论文，2008

作者

哈尔滨工业大学建筑学院 / 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室  孙澄 刘京

哈尔滨鸿盛房屋节能体系研发中心林国海

欢迎订阅《建设科技》杂志（半月刊）

国内邮发代号：2-543

账     号：0200049309201072985

单位全称：北京康居认证中心

定     价：15元/本

开户银行：中国工商银行股份有限公司四道口支行

邮     箱：kcpc409@126.com