针对乌克兰气候条件的办公建筑采光与能耗多目标优化研究学术报告
本报告旨在介绍由Bogdan Kutsevych与Keiichiro Taniguchi共同完成，发表于学术期刊《Energy Efficiency First》2025年第2卷的一项原创性研究。第一作者Bogdan Kutsevych来自东京大学工学部建筑学系与乌克兰国家美术与建筑学院建筑理论与艺术综合系；通讯作者Keiichiro Taniguchi隶属于东京大学工学部建筑学系。该研究于2025年10月23日在线发表。
一、 研究的学术背景
本研究属于可持续建筑设计与建筑性能优化领域，具体聚焦于建筑围护结构，尤其是建筑立面的参数化设计与多目标优化。研究的发起源于乌克兰国家发展的现实需求。乌克兰近年来致力于实现能源独立与转型、环境保护及生态安全，并颁布了《建筑能效法》、《能效法》、《替代能源法》等系列法规。在此背景下，提升建筑能效，特别是占能耗大比的办公建筑能效，成为关键议题。采光设计不仅是影响办公建筑能耗（尤其是照明能耗）的核心因素，更直接关联使用者的健康、视觉舒适度、昼夜节律调节与工作效率。因此，如何在建筑设计的早期阶段，通过优化立面设计参数，在保障充足、舒适自然采光的同时实现能耗最小化，是建筑师面临的核心挑战。多目标优化是解决此类目标间（如最大化采光与最小化眩光、减少能耗）固有冲突的有效方法论。
然而，尽管国际上关于建筑性能多目标优化的研究已较为丰富，但针对乌克兰特定气候条件，综合考虑采光因子、眩光概率与能耗的优化研究尚属空白。因此，本研究旨在填补这一知识缺口，为乌克兰的建筑环境设计实践提供一种经过学术验证的、基于帕累托原则的多目标优化方法。具体研究目标包括：1) 提出并验证一种结合参数化建模与多目标优化的办公建筑立面优化方法；2) 探究适用于乌克兰两个不同气候区（基辅和敖德萨）的采光策略；3) 通过计算机模拟确定南向立面的最优窗墙比、窗户长高比及遮阳构件深度等设计变量；4) 对比分析两地最优立面设计方案，并量化优化措施带来的节能潜力。
二、 详细工作流程
本研究采用定性与定量相结合的研究方法。定性研究主要用于文献综述，梳理了多目标优化算法、采光与眩光评价（特别是DGP模型的建立与发展）、以及建筑立面参数化优化等方面的国际前沿进展，为方法论构建奠定了理论基础。定量研究是核心部分，构建了一个完整的“模拟-优化”工作流，主要包含以下几个关键步骤：
第一步：研究框架与模型定义。 研究首先明确了三个优化目标：满足乌克兰建筑规范要求的平均采光系数（Daylight Factor, DF）不低于3.0%；控制眩光，确保日光眩光概率（Daylight Glare Probability, DGP）不高于0.35（即不可感知眩光的上限）；以及最小化年总能耗消耗。设计变量选定为南向窗户的宽度、高度以及水平遮阳板的深度。研究以基辅和敖德萨两市作为乌克兰两个气候区的代表。气候数据分析显示，敖德萨因黑海调节，冬季更温和，年太阳辐射更高，而基辅则为典型的大陆性气候，冬季更寒冷。
第二步：基准建筑与参数化建模。 研究设定了一个位于典型城市街区的10层办公建筑的标准层作为分析对象。办公室间尺寸固定为21.6米（长）× 20米（宽）× 3米（高）。北向窗户尺寸固定，仅对南向立面进行优化。使用计算机辅助设计软件Rhinoceros进行几何建模，并利用其内置的视觉编程插件Grasshopper建立参数化模型。该模型将建筑几何（随设计变量变化）、材料属性（如墙体U值、玻璃的可见光透射率、遮阳板反射率等）、内部负荷（人员、设备、照明日程）以及两地的气象数据（通过Ladybug Tools插件调用）进行动态关联。
第三步：性能模拟耦合。 在Grasshopper平台中，通过Ladybug Tools和Honeybee插件，将参数化模型与环境性能模拟引擎（如Radiance用于采光，EnergyPlus用于能耗）进行耦合。模型能够自动对每一组设计变量组合执行三种模拟计算：1) 采光系数模拟：计算室内工作平面的平均DF值；2) 眩光概率模拟：在春分日（3月22日）正午，从室内预设的视点生成高动态范围图像，计算DGP值；3) 能耗模拟：计算建筑全年的供暖、供冷、照明、设备等总能耗。特别地，研究中集成了日光控制传感器策略，在室内布置了4个照度传感器（设定点300勒克斯），当自然光照度充足时自动调暗或关闭人工照明，以进一步降低照明能耗。
第四步：多目标优化执行。 利用Grasshopper的优化插件Octopus，采用强度帕累托进化算法（SPEA-2）进行多目标优化。算法配置为运行20代，种群规模10，通过选择、交叉、变异等操作迭代生成新的设计方案（变量组合）。每一代方案都经由上述参数化模拟模型进行评估。经过约600次方案评估后，算法收敛并输出一组“非支配解”（Pareto最优解集）。这些解在DF、DGP和能耗三个目标上达到了最佳权衡，即任何一个目标的改善都至少会导致另一个目标的恶化。
第五步：结果分析与对比。 从帕累托解集中，根据研究设定的优先级（首先满足DF≥3.0%，其次满足DGP≤0.35，最后追求能耗最小），为基辅和敖德萨各筛选出一个“最佳案例”。同时，研究还设定了一个代表乌克兰当前常见实践的非优化案例（高窗墙比、无遮阳、无日光传感器）作为基准进行对比。通过对比优化前后以及两地之间的性能数据（DF、DGP、能耗构成、照度分布、冬季太阳得热等）和设计变量值（窗宽、窗高、遮阳深度、窗墙比、长高比），进行深入分析。
三、 主要研究结果
模拟与优化过程产生了丰富的结果，清晰地展示了优化效果和地域差异：
非优化案例性能：基辅和敖德萨的非优化案例DF值均高达约6%，远超规范要求，但DGP值分别为0.380和0.369，均超出舒适范围（>0.35），表明存在可感知的眩光问题。年总能耗分别为301.5 kWh/m²和292.4 kWh/m²。敖德萨能耗略低，主要得益于其更温和的冬季气候。
帕累托最优解集特征：对于基辅，筛选出的11个优化方案DF范围为3.0-4.66%，DGP为0.33-0.348，年能耗为289.4-290.8 kWh/m²。对于敖德萨，6个优化方案DF为3.32-4.01%，DGP为0.319-0.332，年能耗为279.3-280.1 kWh/m²。所有优化方案均同时满足了DF和DGP的舒适性要求。
最佳案例设计变量：基辅最佳案例（案例18）的南窗尺寸为5.1m（宽）× 2.1m（高），窗墙比为64.8%，窗户长高比约为2.42:1，水平遮阳板深度为0.5米。敖德萨最佳案例（案例16）的南窗尺寸为4.7m × 2.1m，窗墙比为60.9%，长高比约为2.23:1，遮阳板深度为0.6米。一个关键发现是：尽管两地最优窗高均为最大值2.1米，但敖德萨所需的最优窗宽比基辅小约7.9%，而遮阳板深度则比基辅深16.7%。
能耗对比与节能效益：
共同趋势与地域差异：研究发现，对于乌克兰的这两个气候区，最优立面设计存在一些共同趋势：窗墙比集中在55%-65%区间；窗户倾向于水平长方形，长高比约2:1；遮阳板深度在0.5-1米之间。然而，地域差异明确：敖德萨的最优窗墙比比基辅低5-10%，而最优遮阳深度则比基辅深10-20%。 研究将此归因于敖德萨更温和的冬季温度和更高的太阳辐射，使其需要更小的开窗来避免夏季过热和冬季过度的太阳得热（虽然冬季得热有益，但可能加剧与制冷能耗的权衡），同时需要更深的遮阳来调控更强烈的日光，以控制眩光。
其他发现：研究观察到窗墙比与DF、DGP值之间存在正相关关系。较高的窗墙比通常带来更高的DF，但也导致更高的DGP（眩光风险）。优化过程正是在这些矛盾目标间寻找平衡点。此外，云量覆盖的分析也提示，其在具体日期和地点的DGP值及照明能耗中扮演着重要角色。
四、 研究结论与价值
本研究成功提出并应用了一套基于参数化建模和多目标进化算法的办公建筑立面优化方法，并针对乌克兰基辅和敖德萨的气候条件得出了具体、量化的设计指导。主要结论如下：
方法论价值：该研究为乌克兰的建筑设计与研究领域引入了一套严谨、可重复的“模拟-优化”工作流程。该方法能够在设计早期高效探索大量设计方案，并在采光质量（DF与DGP）与能耗之间找到科学的最佳平衡点，支持数据驱动的设计决策。
设计指导价值：研究为乌克兰不同气候区的办公建筑南向立面设计提供了具体的参数范围：建议窗墙比控制在55-65%，采用长高比约2:1的水平窗，并配合0.5-1米深的水平遮阳板。更重要的是，研究明确指出设计不能“一刀切”：在敖德萨等冬季更温和、太阳辐射更强的地区，应采用相对较小的开窗和更深的遮阳；而在基辅等冬季更寒冷的地区，则可适当增大开窗以获取更多冬季太阳热，同时遮阳可以稍浅。
节能潜力验证：研究量化了综合优化措施的节能效果，表明通过优化的立面设计结合日光控制传感器，可以实现约4-5%的年总能耗降低。其中，日光控制传感器贡献了最主要的节能份额（主要通过大幅降低照明能耗），这为在乌克兰推广该技术提供了实证依据。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容与局限
研究也坦诚指出了其局限性，为未来研究指明了方向：首先，研究仅分析了单一类型的水平板式遮阳装置，未来可研究百叶、格栅等更复杂遮阳形式的性能。其次，研究采用了静态的DF指标，未来可采用动态的年日照自主sDA等指标进行全年度评价，使采光评估更全面。这些局限性并未削弱本研究的核心价值，反而使其结论在设定的边界内更加坚实，并为后续研究提供了清晰的起点。
这项研究为乌克兰迈向可持续建筑实践提供了重要的方法论支持和具体的设计参考，展示了在特定气候背景下通过精细化设计实现建筑性能提升的可行路径与显著效益。