在两类围护结构热工设计条件下,依据前文得出的关中合院建筑典型特征,本文着重分析五个对于建筑能耗有影响的形态要素,包括院落宽度、倒坐的屋脊高度、东西厢房的檐口挑出尺寸、檐口高度与檐口高度.
关中合院建筑能耗主要包括冬季火炉采暖、夏季空调制冷,生活炊事用能,以及少量的照明用电.为此本文主要以采暖与制冷能耗为评价指标,分析形态要素影响下的建筑能耗变化即节能优化方案.
3.1 变量范围
尽管关中合院建筑形式复杂多样,但各形态要素都符合一定的尺度限制或比例关系,这些尺度或比例作为古代建筑设计与施工时共同遵循的法则,使得建筑在形式多样的同时还拥有统一的风格.
通过对明、清时期营造通则的调查,可以得出关中建筑建造的如下限制条件:普通百姓的房屋禁止使用斗栱,且正房面阔不能超过三间; 通常明间面阔尺寸为九尺,一丈,一丈一尺,丈二,丈三,丈四,丈七不等(明清时一尺约等于32 cm)[13]; 明间两侧的次间一般为明间的8/10; 面阔与柱高的比例应为10:8; 出檐尺寸应为檐柱高的3/10; 举高与步架之比为0.5、0.65、0.75、0.9等等; 小式房脊步一般不超过八五举[14],见图5.
图5 建筑各位置名称
Fig.5 Name of each location of the courtyard
以上限制条件可作为本文数值模型中形态要素变量的尺度依据,结合典型合院建筑尺寸现状,可确定五个形态要素变量的尺寸变化范围、变化步长与变化次数,如表3所示.
合院建筑模型形态变化的实现,依赖于形态控制点的设置.本文将房间交接顶端设置为控制点,通过控制点实现在各形态要素取值范围的自由变化.在此基础上,设定屋顶必须高于檐口的限制条件,以优化和减少冗余计算.
除上述自变量外,为保证能耗计算不受到建筑用能空间体量变化的影响,模拟过程中将东西厢房以及南侧倒座的一层与二层分别建立模拟区域,其中一层布置用能设施,二层阁楼为非采暖/制冷空间,为此调整R1檐口高度、R3屋脊高度不影响建筑用能空间体量.
表3 形态要素变量的变化方案
Tab.3 Change scheme of architectural form elements
3.2 运算方法
本文选择了非支配排序遗传算法(NSGA-II)来运行WallaceiX的节能优化目标.其中建筑形态要素作为遗传因子,制冷与采暖能耗作为计算目标,获取特定情况下的形态要素组合结果,生成满足适应性的最优解,即最后形态要素组合方案.
实验以每代50个、共计12代的种群规模设计,计算全年能耗最低解; 目标值设定,令能耗取值为负,计算在相同条件下全年能耗的最高值,用以与最低值情况进行对比,模拟组与对照组共计算4次.
随后,实验以同样的规模,分别计算模拟组与对照组中采暖、制冷能耗的最低与最高值,这个过程运算8次.在全部的12次运算中,设定精英比例为0.9,突变比例为0.1.
3.3 运算结果分析
3.3.1 建筑能耗变化范围
图6显示了模拟组建筑能耗优化过程与计算结果.随着运算迭代次数的增加,形态要素组合方案的解逐渐收敛,建筑能耗趋于稳定,约为200.48 kW·h/m2,见图6(a).图6(b)显示了以全年建筑最高能耗为计算目标下的结果,最终可得建筑能耗的最高约为205.1 kW·h/m2.
通过对模拟组采暖制冷能耗的最低最高值的计算,可知建筑全年能耗的变化范围为200.48~205.1 kW·h/m2; 采暖能耗的变化范围为162.37~167.73 kW·h/m2; 制冷能耗的变化范围为33.52~40.16 kW·h/m2.同时可以清楚地观察到本次计算过程中建筑能耗均值的变化曲线均类似指数函数,符合实验预期,见图6(c).
图6 模拟组节能计算过程
Fig.6 Simulation group computational process
图7显示了对照组建筑能耗优化过程与计算结果.在对照组中形态要素组合方案的建筑能耗约为119.06 kW·h/m2,对照组相对于模拟组,建筑能耗降低了40.61%.最高建筑能耗得约为122.74 kW·h/m2.
图7 对照组节能计算过程
Fig.7 Control group computational process
通过对对照组采暖制冷能耗的最低最高值的计算,可知建筑全年能耗的变化范围为119.06~122.74 kW·h/m2; 采暖能耗的变化范围为90.47~94.75 kW·h/m2; 制冷能耗的变化范围为26.54~28.88 kW·h/m2.同时可以观察到本次计算过程中建筑能耗均值的变化曲线均类似指数函数,符合实验预期,见图7(c).
结合模拟组与对照组的变化范围,对照组在进行了围护结构热工性能的优化后,建筑能耗的变化范围明显减小.可知,围护结构的优化会降低形态变化的作用.
同时进一步对比模拟组与对照组采暖制冷能耗的变化范围,可知围护结构的改变对夏季制冷的能耗范围影响较大.
3.3.2 建筑能耗变化规律
本研究选择12次计算后能耗最大与最小的不同组合进行分析对比,见表4及图8.
组合2、组合4在满足约束条件的前提下采用最小尺寸的东西厢房屋脊高度与挑檐宽度,将院落宽度调整至最大; 以期在冬季获得更多的太阳直射.组合3、组合6将东西厢房屋脊高度与挑檐宽度调整至最大,同时将院落宽度设置为最小; 希望建筑在夏季获得更多的遮阳,以降低室内的能耗.
表4 冬夏季能耗模拟方案
Tab.4 Simulation scheme of energy consumption in winter and summer
图8 组合方案要素对比
Fig.8 Comparison of elements of combination scheme
根据对模拟组与对照组采暖能耗的形态要素的对比,见图8(a),R3、R4、R5的相对极差较大,应为影响采暖能耗的核心要素.
对比模拟组与对照组制冷能耗的形态要素变化,见图8(b),R2、R3、R4、R5的相对极差较大,应为影响夏季制冷能耗的核心要素. R1在不同方案中无明显规律,因此要素与能耗的相关性较弱. R5在组合1至6中均为3.5 m以下,因此为了降低能耗,南侧倒座应当尽量降低高度.
3.3.3 形态要素组合方案
结果显示,模拟组与对照组全年最低能耗的形态表现出较大差异,见图8(c),模拟组中组合1以组合3为基础,降低东西厢房屋脊高度,并略微提高倒座檐口高度,在保证夏季制冷能耗较低的同时,兼顾了冬季的采暖能耗.对照组中组合4的形态表现与组合5高度相似,只是微调挑檐宽度与倒座屋脊高度,总体上是一个应对冬季采暖能耗的形态组合.
由此可知,在模拟组中,建筑形态要素的改变对夏季制冷能耗的改善作用更佳; 而在进行了维护结构热工性能优化的对照组中,建筑的形态要素的变化对冬季采暖能耗的改善更明显.
关中地区位于ⅡA气候区内,应首要满足冬季采暖以及保温防寒要求.结合上述分析和对不同方案的综合对比,认定综合能耗较低且主要针对采暖能耗优化的组合4为较优解.
结合冬夏两季的模拟分析图及上述分析,关中合院在古代通则的限定下,关中地区的节能设计建议为,院落宽度为13 m,东西厢房挑檐宽度为0.3 m、东西厢房屋脊高度为5 m,倒座檐口高度为3 m.在进行当代的传统民居更新设计时,应尽量加大院落尺寸,减小挑檐宽度,降低倒座高度,以达到建筑节能的目的.
综上实验结果,并结合关中地区合院民居现状调查结果可知,目前,关中地区合院几何形态对夏季防晒有利,但却是以减少冬季日照为代价.故本文认为关中目前的建筑形态并不能回应对较好的气候条件.而清代以来民族间的融合与交流,人口迅增引发的土地矛盾,生产力重新分布后所引起的移民活动,以及新的建筑材料及技术的应用等社会发展的新特点[15],都应该是直接地影响到关中民居形制演变、规模变迁更直接更主要的原因.