本文是一篇建筑学论文，本文通过对实测问卷、模拟与优化等方法，基于寒冷地区中庭舒适度的评价分析与策略的提出，主要提出了近零能耗多层办公建筑中庭尺度参数与建筑整体能耗、碳排放与成本的关系，从而为寒冷地区办公建筑的前期方案设计提出参考借鉴。
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 节能减排导向下的近零能耗办公建筑发展
我国人口众多、均资源占有量低于世界平均水准，据统计我国石油资源和煤炭资源的人均占有量分别是世界平均水准的1/10和1/5[1]。习近平总主席在第七十五届联合国大会提出我国双碳目标：我国二氧化碳排放量于2030年前达到峰值以及于2060年前实现碳中和。建筑行业作为我国主要用能行业之一，其能源消耗占总比例的36%。近零能耗建筑的设计推广与应用，是建筑行业实现双碳目标的必要途径之一。因此在能源节约与碳排放减少的双重驱动下，有必要在节约成本的基础上提高能源利用效率，减少环境碳排放。
我国住房和城乡建设部于2019年颁布的《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350-2019)，对近零能耗建筑技术进行了及建议与相关参数的约束，并规定了近零能耗建筑能耗水平相比现行标准降低65-70%。我国现鼓励保障性住房、政府办公建筑及公益性建筑率先执行更高水平节能标准，在不同气候区将建设一批近零能耗或近零能耗建筑示范工程，发挥建筑能效提升标杆引领作用[2]。相关研究对我国节能建筑的建设实施做出了2016-2030年发展设想：于2030年30%新建建筑实现近零能耗，30%既有建筑改造达近零能耗；可再生能源的使用满足30%新建建筑能耗需求[3]。
因此可见近零能耗建筑的发展前景迅速、前景广阔，已成为我国建筑行业发展的重要方向。办公建筑作为人们日常工作的场所，能源消耗约占公共建筑总能耗的20-24%，在建筑行业中能耗占比大[4]。多层办公建筑规模不断扩大，对建筑室内空间环境及空间功能需求日益多元化。低层办公建筑相对高层办公建筑而言，其形体与在空间尺度与空间组合方式的设计更多强调低层空间的丰富性，宜通过被动式的中庭等空间组织设计手法进行进近零能耗的方案与节能设计。
1.2 研究目的与意义
1.2.1 研究目的
本研究重点研究寒冷地区的多层建筑中庭几何设计参数对于能耗与舒适度的影响，从而在成本节约的前提下使建筑能效性能得到提升，达到节约能源与改善室内环境的目的。本研究基于办公建筑的建筑空间功能需求、物理环境评价需求，制定中庭空间舒适度优化策略。并在此基础上建立近零能耗建筑中庭几何尺度与建筑整体能耗、碳排放、成本之间的关系。并通过多目标优化系统的建立得到最优解集并建立参考尺度几何表，可供设计方案阶段进行参考。具体分为以下四个目的：
（1）通过对寒冷地区超低能耗办公建筑与普通建筑的调研与问卷分析，得出寒冷地区中庭夏季的物理环境的热舒适投票值MTS，并与PMV、aPMV模型进行对比分析，并得到寒冷地区中庭等过渡空间夏季中性温度与舒适度合理值域范围。
（2）基于得出的舒适度范围，分析与选择寒冷地区近零能耗多层办公建筑中庭舒适度优化技术策略。并通过模拟筛选合理适宜的技术手段来保证建筑中庭的舒适度，为近零能耗中庭的热环境设计提供借鉴意义。
（3）基于以上的参数分析与的技术策略选择，筛选出寒冷地区近零能耗多层办公建筑以能耗为导向的中庭空间尺度关键参数。并通过模拟与统计分析关键参数与制冷与制热能耗之间的关系。通过相关性分析建立参数与制冷与制热能耗之间的参数方程，分析各参数对建筑整体能耗的影响权重。
（4）基于中庭空间尺度关键参数分析，通过多目标优化建立寒冷地区多层办公建筑全生命周期成本、碳排放、中庭与房间设计面积与中庭相关参数之间的关系。应用多目标优化遗传算法实现性能模拟与决策过程的耦合，得到帕托拉前沿解。通过对最优解集的分析，得到近零能耗建筑中庭关键参数的设计范围与组合，为寒冷地区近零能耗多层办公建筑空间尺度的选择提供借鉴意义。
第 2 章 寒冷地区办公建筑中庭设计与热环境舒适度调研分析
2.1 多层办公建筑中庭空间设计分析
办公建筑中庭的空间主要由设计理念、功能需求和空间特性等因素决定，使办公建筑中庭的形式不尽相同。以下是常见的中庭功能形式：（1）自然采光中庭。其设计目的是引入自然光线，提高室内明亮度，同时也提供视觉上的焦点和空气流通。（2）绿植中庭。通过种植植物来净化空气、美化环境，同时也可提供沉静、舒适的休息空间。（3）水景中庭，建造小型水池或喷泉，营造水流声和水面反光的视觉效果，增加空间活力和趣味性；交通中庭，作为人流和垂直交通的中转站，包括楼梯、电梯和走道等，同时也可通过设计使其成为视觉上的亮点。（4）休闲中庭，设计为开放空间，可提供休息、聚会、交流和社交等功能，常配备座位、桌子和其他休闲设施。不同尺度的办公建筑中庭可以根据建筑的特点和使用需求，选择适合的中庭功能形式。
2.1.1 近零能耗办公建筑中庭分析
近零能耗含中庭多层办公建筑调研如下表2.1所示。如图2.1、2.2、2.3所示，不同气候区的近零能耗的办公建筑的中庭的尺度有所不同。位于夏热冬暖地区广州的中庭形式较夏热冬冷地区的盐城的中庭形式相对尺度较大，且中庭内部组织较为开阔。
2.2 寒冷地区中庭热环境与策略特征分析
2.2.1 寒冷地区气候特征
中国大部分寒冷地区位于北方，冬季寒冷夏季炎热，冬季与夏季需要采取保温与隔热措施。中庭的天窗在冬须接受更多的太阳辐射，而在夏季须采取遮阳措施。冬季和夏季比过渡季节持续时间更长，这是寒冷地区的主要气候特征。该地区除全年气温变化大外，年降雨量60～100天，降水量300～1000毫米，平均相对湿度50%～70%。全年太阳总辐照度为150～190W/m2，年日照时数为2000～2800小时，日照充足[81]。
寒冷地区春秋两季气温起伏较大，春季多风，降雨少；夏季炎热多雨，降水集中，夏季7月高温，冬季1月低温[82]。因此寒冷气候区组织中庭公共区域，设计相对室外舒适的室内区域并降低建筑物的能源使用，设计策略与中庭尺寸至关重要。本研究以济南为研究地点，典型气象年温度如图2.15所示，室外全年适应模型舒适度如图2.16所示。有图可知室外温度于7月达到39℃左右，1月达到零下10℃左右，在7月、8月、12月、1月份室外环境最为不舒适。
2.2.2 寒冷地区近零能耗建筑中庭热环境优化与节能策略分析
针对寒冷地区的气候条件，基于中庭空间热环境舒适的目的，提出中庭空间舒适度优化的策略:天窗遮阳设计、中庭自然通风设计与空调通风等主动式设计策略等。为第三章不同中庭空间热环境优化策略下的能耗模拟作理论基础支撑。
寒冷地区近零能耗建筑通常有较好的气密性，且围护结构传热系数较低，其有利于防止室内热量向室外的流失。由于中庭顶部天窗引入的太阳辐射，以及整体的热量维持让寒冷地区近零能耗建筑冬季热环境更为有利。而减少建筑夏季的热量，维持近零能耗夏季中庭热环境更尤为重要。因此以下对中庭热环境的策略优化主要针对夏季中庭的热环境。
第3章 近零能耗建筑中庭热环境与节能策略分析 ............................ 51
3.1 建筑参照模型与验证 ........................... 51
3.2 寒冷地区近零能耗建筑中庭优化热环境策略选择 .................... 52
第4章 寒冷地区近零能耗中庭关键几何设计参数分析 .................... 68
4.1 中庭建筑空间几何组合设计分析 ........................... 68
4.1.1 中庭剖面设计策略 .............................. 69
4.1.2 中庭与建筑整体空间的关系 ........................... 69
第5章 基于中庭几何参数的多目标优化 ......................... 89
5.1 多目标优化设计流程 ............................. 89
5.1.1 基于 Grasshopper 参数化建筑性能模拟 ...................... 89
5.1.2 基于优化算法的多目标优化过程 ...................... 90
第 5 章 基于中庭几何参数的多目标优化
5.1 多目标优化设计流程
现有多目标研究多集中在改进算法与性能优化设计方法两个方面，本研究利用产生的的参数化建筑设计平台Rhino进行性能优化设计研究。该类型研究主要用于建筑设计的方案阶段，运用设计策略在保证中庭热环境舒适的基础上，研究建筑中庭空间几何变量对多个优化目标的影响。优化目标包括去拿生命周期成本、能耗、碳排放以及建筑中庭与房间的设计面积等目标。
建筑多目标优化是基于参数化平台，运用建筑性能模拟工具，建立建筑设计要素与建筑性能之间的关系，运用多目标优化算法，对多个设计目标进行计算分析与优化。其主要包括建筑性能模拟、多目标优化与自动寻求最优解三个方面。基于此可以充分挖掘建筑方案阶段的性能潜力，解决多变量多目标问题下建筑设计方案。
5.1.1 基于Grasshopper参数化建筑性能模拟
本研究基于建筑中庭热环境舒适的基础上以几何参数为变量，进行建筑制冷与制热能耗的模拟。建立在Rhino软件的平台之上的Grasshopper可以通过可视化参数化编程记性建筑的形体尺度建模，并通过参数的改变进行建筑空间形态的联系改变。基于参数性能模拟的平台Grasshopper软件可以搭载Ladybug和Honeybee建筑室内热环境与能耗运算器，在进行模拟的同时可以对模拟结果进行清晰的可视化分析。
Ladybug软件在模拟时中调用EnergyPlus中的（.epw格式）典
