本文是一篇建筑学论文，本文选取严寒地区办公建筑外窗布局的设计要素作为研究对象，对其现状进行调研。严寒地区办公建筑具有建筑能耗和光热舒适度不平衡的现象。从建筑能耗角度出发，室内自然采光有降低办公建筑照明能耗的潜力；
1绪论
1.1研究背景
国际能源署近期公开的全球能耗报告中，建筑能耗占据了相对较大的比重。《中国建筑与城市基础设施碳排放研究报告》中发现2021年公共建筑的碳排放量占整个建筑排放量的41%（见图1.1中(a)、(b)）。在此基础上，中国建筑能耗也呈现出快速增长的趋势。根据国家统计局发布的数据，全国建筑能耗总量为15.4亿吨标准煤，由于严寒地区（北方采暖区）特殊的气候条件，其建筑碳排放量为13.1t，占整体的57%（见图1.1中(c)、(d)）。
1.2国内外研究综述
建筑的外观和运行能耗以及其使用者的舒适性受到开窗形式的显著影响。就现阶段而言，建筑开窗的设计角度和优化方向也是大量学者进行讨论的两个研究点，其研究成果如下。
1.2.1国外相关研究现状
（1）1970年，国外的研究人员已有对建筑窗墙比以及建筑能耗进行的讨论，围绕建筑开窗参数进行的研究也就此起步。1977年，Arumi[5]选择建筑窗墙比对建筑能耗进行了进一步的研究，其结论为建筑物的制热能耗和制冷能耗以及照明能耗受到窗墙比的影响。1985年，Jonhson[6]围绕窗户展开讨论，选择建筑能耗作为研究对象，其研究结论为，建筑能耗的显著减少可以从设计层面提升建筑窗墙比这一措施实现，窗墙比是建筑能耗的最重要影响因素。
（2）C.Marino,A.Nucara[7]等学者围绕办公建筑内的开窗形式展开研究，通过EnergyPlus这一软件进行数值模拟，其研究结论为，办公建筑总能耗会受到不同区域窗户开窗最佳尺寸的影响。AllamA.S.教授[8]围绕PC对建筑性能的影响展开研究，该团队选择使用机器学习算法(MLA)，并结合PCA进行分析。其研究结果为，窗墙比（WWR）、窗宽（WW）、窗高（WH）、窗台高（SH）是对建筑性能最有影响的几种建筑设计参数。Ayoub[9]认为窗墙比是对近似所有性能指标影响最大的变量。
（3）RobertPhillips[10]等学者围绕办公建筑内的开窗设计展开研究，对办公建筑的能耗及其窗户属性进行探讨，其研究结论为，不同地理环境下，办公建筑能耗的影响因素也大不相同，需从多角度对其设计参数进行考量。FabrizioAscione[11]等人围绕建筑热舒适性和光舒适性及其运行能耗进行研究，选择实际建筑物作为研究对象，以办公建筑能耗的减少作为研究目标，最终得到该状态下的Pareto最优解集。
2严寒地区办公建筑现状与研究体系
2.1严寒地区现状调研
《民用建筑热工设计规范》中表明，我国的气候区有五个，华北及东北地区内的大部分地区均属于严寒地区。这一地区的气候特征是冬季严寒且持续时间长，夏季短促且凉爽，具有较大的气温年较差，太阳辐射量大，日照丰富；冬天经常刮大风。如表2.1所示，针对于严寒地区的最冷月平均温度和日均温度，《民用建筑热工设计规范》进行了定义，前者要达到不高于-10℃，而后者低于5°C的天数也要大于145天，才可判定为严寒地区。除此之外，严寒地区在不考虑夏季防热的前提下，还被划分为严寒A区、严寒B区、严寒C区。本研究对“严寒地区”的选取为严寒B区（鞍山市）作为研究区域，该区域冬季保温要求非常高，必须满足保温设计要求，且最冷月平均温度小于-10℃，可以作为典型的严寒地区进行相关研究。
2.2办公建筑现状调研
2.2.1办公建筑现状
为建立本文的研究基本单元，通过对严寒地区办公建筑进行调研，抓取其建筑特点和共性，为后文进一步搭建研究对象的基本模型做准备。通过网络和走访调研的形式，从城市区域、单体建筑、办公单元具体调研分析和总计如下：
严寒地区在我国的分布区域主要是东北地区、内蒙古、新疆北部等地区。选取以上城市的办公建筑（本文展示7个具有严寒地区办公建筑），对其建筑基本信息进行提取并归纳总结（见表2.2）。对严寒地区办公建筑的建筑基本信息、建筑类型、建筑朝向、办公单元形式进行总结归纳。
3 严寒地区办公建筑模拟原型与评价体系 ..................... 31
3.1 评价体系搭建 .................. 31
3.1.1 绿色建筑评价构成 .................... 31
3.1.2 建筑能耗评价体系 ......................... 32
4 办公建筑外窗布局与热工性能的相关性研究 ..................... 47
4.1 相关性研究方法及关键变量 .................... 47
4.1.1 相关性分析方法 .............................. 47
4.1.2 外窗布局关键变量元素 ................... 48
5 严寒地区实例办公建筑外窗布局优化策略 ........................ 75
5.1 办公建筑外窗布局优化设计策略 .............................. 75
5.2 办公建筑实际案例现状分析 ..................... 75
5严寒地区实例办公建筑外窗布局优化策略
5.1办公建筑外窗布局优化设计策略
本章的严寒地区办公建筑优化设计，通过第4章的模拟优化发现界面设计要素、布局设计要素对建筑性能影响最大。进一步确定设计参数（采光口排布形式、窗墙比、窗高、窗台高）对严寒地区办公建筑性能优化的影响。
具体的设计策略：办公建筑的南向窗墙比取0.3～0.5，北向窗墙比取0.3～0.4，东向窗墙比取0.3～0.5，西向不超过0.4。各朝向的窗高取2.0～3.0m。其他各朝向窗台高取0.6～0.8m。
根据模型建立、改造策略、模拟程序搭建优化策略模型（见图5.1），对建筑模型的外部环境进行控制，使用Grasshopper模拟结果对比选择最佳的优化策略，同时为严寒地区部分办公建筑提供设计策略。
6结论与展望
6.1结论
本文选取严寒地区办公建筑外窗布局的设计要素作为研究对象，对其现状进行调研。严寒地区办公建筑具有建筑能耗和光热舒适度不平衡的现象。从建筑能耗角度出发，室内自然采光有降低办公建筑照明能耗的潜力；从光环境角度发现侧窗采光有室内照度衰减快、均匀度差的问题，从热环境角度发现办公建筑冬季和过渡季易出现室内温度较高现象，同时办公人员对封闭式办公建筑光热舒适满意度低。考虑建筑能耗、光热性能，选取EUI、UDI、PMV作为性能指标评价建筑设计要素，对于建筑外窗与其相关性进行深度研究，便于提供优化策略和指导未来设计方向。
本研究主要结论如下：
（1）针对于外窗布局与建筑热工性能的相关性展开深度研究，为后续建筑优化设计提供方向。通过数据表明，对外窗设计要素进行优化，可有效改善建筑能耗和光热舒适度。在建筑设计阶段，为降低建筑能耗应优先考虑窗墙比的设计；为优化UDI应优先考虑窗墙比、窗高、采光口布局形式；为优化PMV应优先考虑窗高、采光口布局形式。
（2）优化窗墙比、窗高、窗台高对建筑能耗有着显著的节能效益表现，在建筑朝向方面进一步研究发现：在建筑南向上，窗墙比和窗台高优化效果更明显；而建筑东向上，窗高优化效果更明显。在建筑设计阶段为考虑优化建筑能耗和光热性能，在保证建筑外观美观的前提下，可应用RH+GH平台前置进行针对性设计模拟。
（3）在既考虑建筑能耗又考虑室内光热舒适度的前提下，对开窗设计要素进行进一步研究，依照以下的建议区间在建筑设计阶段对建筑进行模拟，可以更直接有效的找到开窗设计方案最优解：办公建筑的窗墙比南、东向取值接近0.5，西向取值不超过0.4；各朝向的窗高取值3.0m；各朝向窗台高取0.7m。
（4）基于能耗和舒适度的平衡目标和以上的策略，对鞍山市某办公建筑外窗设计进行优化改造。通过单目标优化确定极值，通过综合目标优化确定最优解，优化前后对比为节能5.8%，UDI提升5.7%，PMV改善12.5%，此时综合性能最优解的各朝向窗墙比均值为0.42（东0.48、南0.45、西0.20、北0.55），窗高为2.7m，窗台高为0.7m，墙体传热系数为0.36W/m2K，窗户传热系数为1.1W/m2K。进一步验证本研究提出的设计策略可以在严寒地区办公建筑开窗设计中应用，具有一定的参考价值。
参考文献（略）
