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现代且可持续，乌尔比诺大学的监测与节能改造
摘要：
本文介绍关于20世纪建筑杰作节能改造中，平衡建筑保护、用户舒适度和能源效率三者之间关
系的研究。乌尔比诺大学由建筑师吉安卡洛·德卡洛（Giancarlo de Carlo）于1962年至
1983年修建在文艺复兴时期的城市旁边。5栋宿舍和62,000平方米的土地上生活着超过
1,000名学生。作者讨论由盖蒂基金会（Getty Foundation）在2016年资助的“保持现代”
研究计划的一些成果，旨在为学院提供可持续的保护计划。目标是降低供暖和运营成本，以
允许资金投入保护活动。考察的问题包括：建筑群庞大的尺寸，建筑物结构特征（砖
墙，无包覆混凝土结构，单层玻璃窗）以及缺乏有关湿热数据。
因此，该研究包括
湿热分析，能源改造建议，建筑-空调耦合模型，及一项试点实验。作者已对地表温度，室内空
气温度及湿度进行了一整年的监测，亦绘制了数字干湿度的分布图。热成像技术被用于检测热损失，热桥和
太阳得热。所得数据被输入建筑-空调耦合模型，其结果为设计合理的建筑群节能改造方案提供了参考
。一些改造方案正在试验站点上实施。比较了改造前后的建筑
性能。
这些研究结果为二十世纪古老建筑的保护和可持续发展融合提供了指示。
总结来说，对每种情况的充分了解明确了支持传统建筑的翻新建议，此外，如果是20世纪的建筑，则常常会忽略这种巨大遗产的文化价值，以改善其历史价值。
1.绪论
作者介绍了由建筑师Giancarlo De Carlo设计的乌尔比诺大学的能源改造。这是“乌尔比诺大学保护现代遗产”项目的一部分。该项目被洛杉矶盖蒂基金会的一项名为“保持现代”的国际计划选中并资助。“保持现代”计划旨在资助对具有重大建筑意义的二十世纪建筑的保护工作。
本研究旨在代表大多数依据新节能法规进行改造的二十世纪的建筑，这些建筑也会慢慢成为建筑遗产一步部分。实际上，即使与工业化前的建筑相比，战后修建的建筑的结构和设施也常导致高能耗和低性能。作者主要介绍在建筑保护，用户舒适度和能源效率三者之间取得平衡的可持续保护计划。降低供暖和运营成本可为该庞大建筑群的维护工作提供资金。
2.乌尔比诺大学
乌尔比诺大学学院是建筑师吉安卡洛·德·卡洛（1919-2005）最著名和最重要的作品之一。它们是当时Carlo Bo支持的城市发展总体战略的一部分。该大学的目标是将乌尔比诺转变为“文化之都”。学院建于1962年至1983年，位于卡布奇尼山，距离文艺复兴时期的市中心1.5公里。
按照建造的时间顺序，这5座建筑分别是：“ Colle”，“ Tridente”，“ Serpentine”，“ Aquilone”和“Vela”。该校可以在975个房间中容纳1,136人，净可用面积为32,396平方米，总供暖容积127,059立方米。住宅单元分为不同类型：带有个人或共用厕所和厨房的单人间或双人间。公共空间位于各学院的中间位置，包括接待处，食堂，餐厅，房间，会议室，教室，办公室，技术室和剧院。建筑群依地形而建，建筑物从卡布奇尼山发源，各分支延伸至山谷，不同海拔的建筑物构成了一系列交错的空间和形式。
与受X小组[3]或“新野蛮主义”倡导的许多其他建筑物一样，大学建筑的砖砌筑的承重墙，无包覆混凝土梁和楼板几乎完全没有热防护层。原本的透明建筑围护结构主要由具有木框的单层玻璃窗户或带有简单玻璃面板的铁框天窗组成。随着时间的流逝，许多原来的窗户已经换成几种不同类型的新窗户。许多问题影响了这些建筑的保护状况，如钢筋混凝土腐溃，屋面防水差以至渗水，门窗密封性下降或失效，安全和防火要求，有限的维护工作，以及缺乏保护计划。
暖通空调系统。2012年前，电厂拥有2台蒸汽发生器和3台热水发生器，总容量约7兆瓦。带蒸汽换热器的热水炉用于制备生活热水，热压罐既提供生活热水也提供制冷需热，管壳式水水换热器及凝结水箱设置在各学院的换热站中。2012年，ERSU（乌尔比诺大学学习权利区域机构）与乌尔比诺大学加入了由CPL CONCORDIA推广的Consip SIE 2（集中供热服务2）协议。该机构主要负责能源结构及其监测系统的升级工作。因此，一套热电联产系统（电功率637 kWel，热功率770 kW，引入的热功率为1620kWth）被付诸实施。该系统主要包括3台额定功率为1,650 kW的两级可调回焰加压锅炉，生产用水储水系统，制备生活用水的快速热交换器，电磁阀，以及板翅式散热器。区域供热外网为环状管网，通过换热站连接至各学院。除“Colle”大楼主楼会议室的可以追溯到1965年的辐射地板外，其余区域均采用高温热水铸铁散热器。在“ Tridente”大楼的屋顶上安装了并网光伏系统（270个太阳能板，峰值功率为81 kW）。
3.方法论
研究包括对代表性房间的分析，基于建筑HVAC模型进行能源改造，在试验现场进行的测试。考虑到建筑物的相关性，已使用为分析和保护文化遗产制定的程序。
作者监测了一年内（12 / 2015-12/2016）地面温度，室内和室外空气温度和湿度。为了评估当前的湿热条件和围护结构的性能，一起使用了本地数据记录器以及季节性温度记录和湿度计在“ Aquilone”大楼的四卧室和一公共区域（图2中的蓝色）进行了监视。该建筑被选为五所学院中最具代表性的建筑。 所有其他四所学院也按季节进行了调查（图1中的红色）。
十个传感器[5]用于监视温度（T [°C]，精度：在-25°C / 80°C时为plusmn;0.1°C）和相对湿度 (RH [%], plusmn;2% at 0%/100%)，其中四个还测量表面温度（Tsup [°C]）。因此，总共有22个测量点通过无线发射机无线连接。传感器规格遵循UNI EN 15758：2010 [6]和UNI EN 16242：2012 [7]标准。它们的数量，位置和具体特征通过现场初步分析确定。
传感器安装在带有原窗户的不同楼层的几个重叠房间（B6B和B6D室）中。这是大学中最典型的房间布置。传感器也安装在房间配置不同的大楼的其他部分。B8B室的位置相似，而原来的窗户已经被新的铝框架取代，没有热断裂。房间B6A代表房间不与外部砖墙接触的情况。
热成像已用于检测由于太阳辐射引起的热量损失，热桥和热量增加。FLIR P620红外热像仪（精度：在-40°C / 500°C时为plusmn;2°C，分辨率为640x480像素，在30°C时为40mK的热敏度）与EXTECH MO297（精度：空气温度为-29°C / 77°C时为plusmn;0.1°C，温度为plusmn;1％湿度为0％/ 100％）结合使用，可通过蓝牙进行实时关联。
由Politecnico di Milano授予专利的数字干湿计（精度0.1°C，分辨率0.01°C）[8,9]沿大约1英寸的虚拟网格绘制了温度和相对湿度图。然后对结果进行插值以评估空气温度和湿度的梯度和空间分布（在平面和/或剖面中）[10,5]
数据输入了建筑物的HVAC模型，该模型用于设计一些翻新和提高大楼能源效率的解决方案。选择了其中之一，目前正在试点中实施。前后的建筑性能将进行比较。
4.室内气候监测
室内气候分析旨在评估湿热条件以及供暖系统是否符合其设定点。 该分析还有助于检测舒适状况在哪里受到特定问题或局部失衡的影响。 它有助于了解这些失衡是由于加热系统类型，安装故障还是控制系统引起的。
4.1。 湿热分析
根据UNI 10829：1999“历史和艺术兴趣的资产-环境存储-测量和分析”，特别是附录D“环境参数的计算方式” [10]，对数据进行处理。 对于每个测量参数，我们确定：最大，最小，平均和标准偏差，每日和每年的温度范围，时间曲线，频率分布和累积频 。
图1. Collegi的总体规划，其中房间位置连续（蓝色）和季节（红色）进行了分析
图2.被监视的房间在“ Aquilone”大楼西南立面上的位置
图3.沿着“ Aquilone”大楼横截面的传感器位置
通过监视几个房间获得结果需要扩展到整个建筑群 因此，需要从详细的观察转向更综合的观察，这与可接受范围的频率有关。然后计算性能指数，即冬季(01/12/2015 – 07/05/2016)微气候参数落在可接受范围内的时间百分比。还计算了两个失败指数来分析数据偏差的原因：
-冷故障指数：室内温度低于可接受下限的时间百分比；
-暖故障指数：室内温度超过可接受上限的时间的百分比。
根据加热系统的定义温度范围。 相对湿度范围是根据标准UNI EN ISO 7730：2006和ASHARAE 55定义的： -日平均温度：19°Cle;日平均温度le;21°C 18°Cle;日平均温度le;22°C
日平均相对湿度：40％le;日平均相对湿度le;60％ 30％le;日平均相对湿度le;70％ 在图4中有高的热失效指数。B6a房没有外部墙和分散墙（右侧图）。高温度值都可能导致太阳能过热。法规中定义的可接受性阈值是为保护乘员健康制定的，考虑到他们的生理反应，例如皮肤干燥，眼睛和上呼吸道刺激，以及防止生物污染物扩散的需要。在这种情况下，所有传感器都受到属于相对湿度可接受区间：
72％的一天（考虑40％-60％的范围）
96％的一天（考虑30％-70％的范围）
图4.日平均温度-验证所有选定房间（左）和房间B6a（右）的热舒适范围
还将日平均温度的分析结果与供暖小时内的平均温度进行了比较。这是为了验证它们是否符合温度设定点。所有房间的平均温度为20°C，如图5所示。放置在公共空间块中的传感器和放置在靠近外壁的传感器已测量出不同的值。50％的公共区域温度保持在20°C以下。公共区域隔开房间与室外环境分的大空间。他们在周围装有一些散热器。考虑到要加热的巨大空间，缺乏绝缘和温度控制，这些散热器还不够。而且，公共区域没有好处，也没有免费的太阳能获取空间，因为它们没有面向西南的大窗户，也不会由于人们的存在而获得热量收益，因为人们没有充分利用这些收益。
在B6B室的分散剂壁附近，在所监测的54％的日子里，空气温度lt;20°C。它突出显示了可能的局部不适。因此考虑了空气工作温度而不是环境空气。数据显示，不隔热的建筑物的低热惯性和窗户的高传热率如何影响室内气候和舒适度（请参阅第4.2节） 然后，分析的重点是比较加热系统分别打开或关闭两个星期的数据。选择了以天气恶劣（由于下雨，下雪和/或起雾）或晴朗的天空为特征的两个星期。这是为了检测日照增加如何导致总体变暖，特别是在加热系统关闭时。
由于大楼没有冷却系统，夏季监测期的分析（08/05/2016 –（2016年10月15日）根据UNI EN 15251：2008要求提供“热适应舒适度模型”，其结合了心理健康，并考虑了用户对环境的感知。自适应模型包括识别热感和主要气候变量之间的相关性。II级可接受区间代表正常的期望水平，应用于新建筑和装修。III级可接受区表示可接受的中等期望水平，可用于现有建筑物。他们都已通过验证。图6显示了所有传感器的日平均温度趋势和根据自适应方法计算出的接受带。黑色粗线表示在各种外部条件下的根据自适应方法计算的舒适温度。黑色虚线代表II级舒适度范围。黑色虚线表示III类舒适度范围。因此，图6示出了房间全部被加热，尤其是房间B6a（洋红色）。
通过热量漂移和太阳辐射的影响分析夏季。太阳辐射会增加与屋顶房间的温度（12/07/2016）。这些房间仅向相邻房间和屋顶散发热量。在夏季，屋顶达到最高温度。因此，室内空气温度很高，B8b房间（蓝色）中的最高温度为41.3°C，B6a（洋红色）中的最高温度为39.6°C，B6b（红色）的最高温度为39.0°C。这些高温也归因于通过窗户进入的阳光，因为它们没有任何屏幕，而棉制窗帘是唯一的保护措施。因此，这些房间温暖干燥，负面影响了热舒适性。例如，在B6a房间的66％的日子里，相对湿度lt;30％
然后通过空气工作温度分析其湿热舒适度，该温度包括线性平均辐射温度实际上，完整的分析不应只考虑空气温度，还应考虑局部热不适。通过计算视角因子，四个房间中的五个不同点获得平均辐射温度[13]。我们分析了冬季最紧急的情况。我们考虑了在最冷的一周（2015年12月1日至2016年1月24日）中所有传感器记录的气温。我们将加热系统运行时（上午8点至晚上10点）记录的平均值与关闭加热系统时（上午11点至上午7点）记录的平均值区分开来。
B6B室中的空气温度为20.6°C，而靠近分散剂壁（点C）的线性辐射温度为17.5°C，因此相差3.0°C（图7）。在夜间，当加热系统不工作时，温度下降至16.3°C。 考虑到两者的平均值，可获得19.1℃的工作温度，因此导致1.5℃的不适感。靠近墙壁和靠近地板的热不适感比高导热率（5,522 W /（mk））的窗户更高。
在几个临界点计算了局部热舒适指数PMV（预测的平均投票）和PPD（预测的不满意百分比）[14]。 使用AICARR根据UNI EN ISO 7730：2006 [15]提供的软件。根据标准冬季家居服的表格，该服装的耐热性设置为等于1克洛（1克= 0.155平方米·K / W）。新陈代谢速率等于相当于坐在办公室的人（对于C点）的代谢活动，而对于在睡眠中的人（B点）的0.8代谢活动。当加热系统打开时，C点为最不舒服点。假设学生白天坐在窗边的桌子旁，PMV为-0.99，超出了UNI EN ISO 7730规定的plusmn;0.5的可接受范围。因此，它对应于C类。在25.6％，PPD表示感觉“非常冷”。假设一个学生在晚
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