Multi-criteria approach to passive space design in buildings: Impact of courtyard spaces on public buildings in cold climates
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https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2015.02.025Get rights and content
Highlights
bull;
Establishment of a new logical framework to assess passive space performance.
bull;
Development of software to display environmental test data distribution clouds.
bull;
Development of a semantic differential method to judge occupant satisfaction.
bull;
Distribution of a comprehensive judgment model of the Comfort – Satisfaction Matrix.
Abstract
Passive design has widely been identified to be one of the most economical and effective strategies for sustainable building. However, the research on verification of passive design strategies is in its initial stages. Currently, its test method and verification conclusions are not sufficiently scientific to validate. This study introduces a new logical framework to assess building space performance. A multi-criteria approach has been developed to validate and optimize the influence of passive spaces on sustainable buildings from the perspectives of building environment quality and occupant satisfaction. Building environment quality was judged by fieldwork physical environment tests, including indoor thermal, lighting, indoor air quality and acoustics data in the operating phase. A voting method designed to test satisfaction was developed to evaluate the occupants#39; satisfaction with the building#39;s overall environment and space efficiency. Considering both the relationship between the building and people, and the building and the environment, from the dual perspectives of building design and building environment control, a comprehensive judgment model for a Comfort – Satisfaction Matrix was developed to display the regulation capacity of the building#39;s environmental performance in the passive space. Finally, an in-depth fieldwork survey of six types of passive courtyard spaces in cold climates was conducted as an example to validate the developed multi-criteria approach. The results indicate the level of environmental performance of each object building, and highlight optimized possibilities for passive space and the whole building in the design and renovation phases.
Graphical abstract
Keywords
Passive space design
Building physical environment
Fieldwork test
Satisfaction vote
1. Introduction
1.1. Research background
The results show that energy use during the operating (80–90%) phase is a significant contributor to a building#39;s lifecycle energy demand [1]. Passive design has widely been identified as one of the most economical and effective strategies for reducing energy demand [2–5]. The literature indicates that passive strategies can reduce more than 50% of the primary energy source#39;s consumption [6]. It is therefore essential for buildings to reduce their lifecycle energy demands through both passive and active strategies during the building#39;s operating phase [7–9]. However, research on the verification of passive design strategies in sustainable buildings is at an initial stage, and its test method and verification conclusions are currently not scientific enough to validate [10]. Because they lack actual verification data to support their choices, architects#39; means and methods of selecting passive strategies in the design phase are still based on subjective judgments or computer simulations lt;
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对建筑物被动空间设计的多标准方法：庭院空间对寒冷气候中公共建筑物的影响
被动式设计被广泛认为是可持续建筑最经济和最有效的策略之一。然而，被动设计策略的验证研究还处于初级阶段。目前，其测试方法和验证结论还没有足够的科学性来验证。这项研究引入了一个新的逻辑框架来评估建筑空间性能。从建筑环境质量和居住者满意度的角度，开发了多标准方法来验证和优化被动空间对可持续建筑的影响。建筑环境质量通过现场工作物理环境测试来判断，包括室内热，照明，室内空气质量和运行阶段的声学数据。开发了一种旨在测试满意度的投票方法，以评估住户对建筑物整体环境和空间效率的满意程度。从建筑设计和建筑环境控制的双重视角考虑建筑与人，建筑与环境的关系，建立了舒适满意矩阵的综合判断模型，以展示建筑环境的调节能力在被动空间表现。最后，对寒冷气候下的六种被动式庭院空间进行了深入的田野工作调查，以验证所制定的多标准方法。结果显示了每个建筑物的环境性能水平，并突出了被动空间和整个建筑在设计和改造阶段的优化可能性。
1.介绍
1.1。研究背景
结果表明，运营阶段（80-90％）阶段的能源使用是建筑物生命周期能源需求的重要因素[1]。被动设计被广泛认为是减少能源需求的最经济和最有效的策略之一[2-5]。文献表明被动策略可以减少50％以上的主要能源消费[6]。因此，建筑物在建筑物运营阶段通过被动和主动策略来减少其生命周期能源需求至关重要[7-9]。然而，对可持续建筑被动设计策略的验证研究尚处于起步阶段，其测试方法和验证结论目前还不足以验证[10]。由于他们缺乏实际验证数据来支持他们的选择，因此建筑师在设计阶段选择被动策略的手段和方法仍然基于主观判断或计算机模拟[11,12]。如果没有长期和可证实的测试数据，被动策略的有效性不易被优化[13]。
随着更多绿色建筑的建设，许多研究已经开始回归实地研究方法来测试建筑物环境的真实实际效果，并验证设计策略和价值的有效性[14-16]。在由Sergio Altomonte和Stefano Schiavon进行的联合研究中，提供了一个调查数据库，其中包含65个LEED认证和79个非LEED认证建筑，其中21,477个单独占用人响应（LEED建筑中为10,129个），使得人员对IEQ满意。结果显示，在17个总体IEQ参数中，9个LEED认证建筑的使用者的满意度低于非LEED评级建筑的使用者。调查研究表明，并非所有的低能耗建筑都能够达到所需的用户满意度[17]。
1.2。被动空间设计
被动式建筑描述了旨在通过持久和自然地提供舒适的室内条件来应对气候因素的建筑[18,19]。 “被动”一词表达了用户对建筑设计中当地自然环境的自我防御或自我保护的想法[20,21]。
创造用户与环境共存的空间的理论包含许多广为人知的积极定义[22-24]。例如，“开放式建筑”理论试图构建“个性化”动态空间。这一概念的主要特点是以系统和动态的视角审视建筑环境，并以此为出发点研究建筑形式与动态社会生活之间的相互最佳关系[25,26]。 Hermann Hertzberger提出了与“灵活性”相对应的适应性“多义空间”，这意味着空间的某些特征具有随使用要求而变化的适应能力[27]。黑川纪章提出了“中介空间理论”，认为具有中介特征的空间可以在一个充满活力和充满活力的共生体中结合相反的对象[28,29]。在“新的空间动态概念”这一概念中，Aldo Van Eych认为，建筑应该是既考虑内部空间又考虑外部空间的创作，其中位于两个极端之间的动态空间给予双方同样的关注，并缓解两者之间的矛盾他们[30]。
从建筑的角度来看，具有生命力的被动空间有两种属性：有机组织和动态组合。有机特征体现了空间与整体建筑的有机联系，具有与自然环境和谐的自然活力和有机共生[31]。动态特征体现了空间在整个生命周期内动态适应气候，用户习惯和建筑功能的观念[32]。空间类型包括庭院，中庭，风塔，天井，光井，太阳空间，双层立面和门廊等。
1.3。这项研究的目的
本研究基于被动空间验证及其优化设计的影响，并追求两个目标：（1）定量验证被动空间和周围空间的客观物理环境，以提高建筑物物理环境的整体舒适度并降低能耗（2）建立收集建筑物和建筑环境的乘员满意度表的方法，以提高用户对建筑物环境和空间效率的满意度。因此，这项研究强调了监测建筑物的实际环境以优化被动式战略的必要性
2.方法
这项研究从一个普遍的社会调查开始，并遵循由五个研究阶段组成的“发现问题 - 定义问题 - 解决问题”过程的逻辑。第一个是针对建筑师和工程师的可持续性调查问卷。结果显示，两组之间在被动空间认知和需要验证的价值方面态度存在显着差距。第二阶段是问题定义阶段，其中包括三个调查方面。首先是通过测量，计算和统计的方法建立一个建立信息访问的逻辑框架，以获得影响空间性能的指标。第二个是针对客观物理环境的现场测试框架，例如室内热，光，IAQ，声学环境等，以在运行阶段收集各种运行数据。第三阶段建立了语义差异，以建立关于建筑空间感知，判断和满意度的乘员满意度投票框架。本研究选择六种庭院空间作为其被动空间样本进行深入的实地调查。解决问题的过程是根据实际的实例验证进行的，以便对各种信息进行交叉分析，并调查建筑信息与建筑环境舒适度之间以及建筑信息与居住者满意度之间的关系，并且还旨在分析被动空间设计的舒适满意度优化方法（如图1所示）。在第五阶段，该研究提供了舒适 - 满意矩阵的综合判断模型，以强调被动空间和整个建筑物在设计和改造阶段的优化可能性。
图1.研究项目的关系框架。
2.1。第一阶段：对建筑师和工程师的可持续观点调查
这些数据是通过基于网络的调查问卷调查收集的，该调查涉及分布给中国前沿建筑师和工程师的“关于构建可持续性概念的观点”[34]。总体而言，我们收集了403套数据，其中有效套数为356套。有效数据率为88.34％，其中包括建筑师302套和工程师（HVAC）54套。为了在工作场所收集基本的第一手资料，调查一方面旨在比较建筑师和工程师对可持续建筑的看法，每个小组可能采用的策略以及他们各自对未来感知的差异趋势。另一方面，调查的目的是提供那些“提高建筑物的可持续性能，减少能源消耗，提高建筑设计原型的IEQ舒适度”的空间认知，空间缓冲区利用率，被动策略优化等的进一步认知调查。
问卷调查主要针对在不同部门进行设计工作的建筑师和工程师。本研究中77.5％的参与者年龄小于40岁，80.9％的人从事建筑行业5至15年的设计工作。这些人的雇主分布如下：大中型国有设计机构（56.6％），地方，小型设计院（12.6％），大学研究机构（10.9％）和独立设计工作室（10.9％）。 。
该调查使用了一个7分的语义差异量表[35,36]，其中终点“不重要”和“非常重要”。出于比较的目的，我们假定该量表大致为线性，并将序数值分配给每个从-3（不重要）到 3（非常重要），0作为中立点。评估类别如表1所示。
表1.从建筑师和工程师的观点评估可持续建筑技术的价值。
类别选项最不重要普通最重要的
宏观：城市规模A.建筑与城市布局的关系-3 -2 -1 0 1 2 3
B.选址，建筑布局，方向-3 -2 -1 0 1 2 3
Meso：建筑规模C.形状因子，窗墙比-3 -2 -1 0 1 2 3
D.使用被动空间，如庭院，中庭，天井（空地）-3 -2 -1 0 1 2 3
E.使用被动空间，如风塔，轻井，地下风洞，太阳空间（技术空间）-3 -2 -1 0 1 2 3
F.建筑围护结构的细节和气密性-3 -2 -1 0 1 2 3
Micro：详细尺度G.屋顶和高程的绿色比率-3 -2 -1 0 1 2 3
H.再生材料和污染排放量-3 -2 -1 0 1 2 3
I.设备类型和效率-3 -2 -1 0 1 2 3
J.可再生能源，如太阳能-3 -2 -1 0 1 2 3
K.减水和再循环-3 -2 -1 0 1 2 3
结果比较（如表2和图2所示）意味着以下三点结论：（1）建筑师和工程师都更加重视宏观层面的建筑设计，在城市规模上进行可持续的决策和设计，但工程师认为，建筑原型对建筑的可持续性水平贡献更大。 （2）两组之间明显的识别差异是“在可持续建筑设计中是否使用被动空间，如庭院，中庭或天井（开放空间）”以及“是否使用被动空间，如风塔，轻井，地下风洞或可持续建筑设计中的太空（技术空间）。“被认为在可持续效应中最重要的空间类型对于建筑师而言与工程师非常不同。特别是关于庭院，庭院或庭院等开放空间的设计策略，建筑师的重要投票值为1.23，而工程师只有0.45。这表明了广泛的意见差距，并要求进一步验证各个空间的有效性。 （3）这些群体的可持续建筑设计概念已逐渐改变。建筑物的可持续性表现不再仅仅是“绿色”标签或“技术”问题。简单地提高建筑物屋顶和高程的绿色比例或使用更多的可再生能源，将其列为最低水平的战略的重要性。
表2.从建筑师和工程师的观点来看可持续建筑技术的价值评估结果。
Question在设计低能耗，高IEQ舒适公共建筑时，请评估每种可持续建筑技术的重要性。
选项A B C D E F G H I J K
建筑师1.5 1.84 1.44 1.23 0.77 1.56 0.41 0.76 1.07 0.56 0.78
工程师1.86 2.14 1.65 0.45 0.54 1.55 0.38 0.64 1.59 0.41 0.95
图2.可持续建筑技术价值评估柱形图，来自建筑师和工程师的观点。
调查的第二个结论（如表1所示）强调了这项研究打算解决的核心问题：庭院，中庭和露台等被动式空间设计在操作短语中对可持续建筑性能起着重要的积极作用：建筑师相信，还是他们“不是很重要”，正如许多工程师所认为的那样？
因此，本文侧重于典型的被动空间 - 庭院 - 并采用多标准方法来验证其在寒冷气候区的正面或负面影响，建立一种基于主观“占用满意度”方面的评估方法和目标“建筑的物理环境“方面，为未来的设计师提供参考。
2.2。第二阶段：目标建筑中的信息获取
空间并不意味着空虚。空间是一个充满“三个流”的动态系统：物质流，能量流和信息流[37]。对空间的研究始于获取建筑信息的有效手段，通过建立逻辑方法和框架来实现。本研究基于AHP（层次分析法）方法，将复杂问题分解为若干组因素，并将这些因素相互比较以确定其相对重要性[38,39]。空间属性可以分为四个主要部分：尺寸，界面属性，内部相关类别和外部相关类别。这四个因素可以细分为几个子项，然后可以通过“测量，计算，统计”等实地调查方法来量化，以捕捉建筑物的信息（如表3所示）。
表3.被动式太空实地测试的建筑信息采集框架。
测量项目参数类型测试内容参数单位
空间尺寸布局形状距离测量建筑布局和空间长度和宽度m
布局尺寸尺寸计算一楼占地面积和形状
空间高度距离测量建筑物（空间）高度
界面特性建筑材料的热性能材料热性能计算材料类型，玻璃和整个墙面的U值W / m2bull;K
窗口位置和窗墙比例距离测量，尺寸计算距离测量：墙面面积和窗口面积％
开窗比率统计开窗时间和开门时间小时数
阴影阴影类型和面积m2
内部相关类别内部空间绿色比例距离测量，尺寸计算绿色区域，占用空间比例m2，％
内部空间景观与水的比例水域，占用空间的比例
内部空间占用密度统计内部空间FTEs FTE / hbull;100平方米
其他功能服务，信息亭，商店，展览，组装，运输，其他N / A
外部相关类别与周围空间的关系类型判断被动空间与其周围空间之间关系类型的判断：1个方向，2个方向，3个方向，4个方向N / A
与主空间的关联空间透明度：开放，半开放，半封闭，关闭％
外空占用密度统计外空间（主空间）FTEs FTE / hbull;100平方米
注意：
FTE =Sigma;i=1infin;（niTi），Tisin;[0,1]（1）
其中，n是同时停留在测试空间的人数，T是1小时内的占用时间（单位：小时，T），FTE是全职等效[40]。例如，如果三个人分别占据30分钟的空间，那么该空间的全职等价物等于1.5个FTE。）
rho;O= 100N A（2）
其中rho;O是占用密度（单位：FTE / hbull;100平方米），N是工作期间每1小时FTE的数量（n），A是可用建筑面积（单位：m2）。
2.3。第三阶段：建立物理环境现场测试
人们将80-90％的时间花在建筑物上[41]。建筑与人的关系，特别是室内环境的健康程度，对人类的生存和可持续发展具有重要影响。它也是建造人造环境的前提之一。本研究将室内物理环境分为几个人体舒适区域，包括热环境，照明环境，室内空气质量和声环境[42-44]。使用现场测试方法，我们完成了对我们测试建筑物室内物理环境的综合评估（如表4所示）。
表4.构建物理环境现场工作测试框架。
测量项目参数类型测试内容测试内容
热环境室外温度测试温度连续三天室外温度;测量间隔为5分钟°C
每个（选定）地板的室内栅格温度测试8 m栅格中每个（选定）地板的温度测量;测量大小连续三天下午1:00和下午6:00
光环境室外亮度测试亮度连续三天的室外亮度;测量间隔为5分钟Lux /日光因数％
每个（选定）地板的室内网格亮度测试每个8米网格（选定）地板的亮度测量;测量大小连续三天下午1:00和下午6:00
IAQ室外二氧化碳浓度测试二氧化碳浓度室外二氧化碳浓度连续三天;测量间隔为5分钟ppm
室内电网二氧化
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