如何利用智能建筑技术,可以提高教育建筑室内环境质量外文翻译资料

How using smart buildings technology can improve indoor environmental quality in educational buildings

Abstract. An educational building must integrate smart building strategies to ensure indoor environmental quality. Thermal, acoustic, visual comfort and indoor air quality are to be considered, otherwise they can develop the sick building syndrome. Smart buildings solve this potential problem by providing a highly efficient living ambience that includes safety, comfort and a good quality of living/learning/working experience, that helps the users achieve their best possible performance. These buildings should integrate advanced technologies such as automated systems and the implementation of architectural skins, well and functional designed spaces and architectural features that act as active bioclimatic solutions. The following is a case study of an architectural project for an elementary and junior high school academic campus in the state of Nuevo Leoacute;n, Mexico that has to deal with the extreme climate conditions of the location, while applying the best alternative and bioclimatic strategies through the implementation of inmotics, a responsive architectural skin, sustainable construction systems and native vegetation. In doing so, a comprehensive environmentally friendly building is created, taking advantage of the surrounding natural conditions, using the latest environmentally oriented systems and technologies. The result is a healthy, safe, and productive space for its users that greatly benefits the teaching-learning process.

1.Introduction

As Francisco Vargas and Isabel Gallego [1] mention, the different ways in which we interpret environmental conditions have created concepts such as the sick building, in relation to air or interior environmental quality, which seeks to understand the complexity of an indoor microclimate, the possible contaminants in closed environments, and their implications on the health of a buildingrsquo;s users. The optimal conditions of the interior environments must generate comfort and well-being for people, promoting a healthy lifestyle at work, school, and in leisure and entertainment areas. Society needs clean, safe and well ventilated spaces that allow them to carry out their daily activities in an adequate way. This is why it is necessary to “achieve a balance between social standards, the use of energy and sustainable development, seeking comfort without polluting and without increasing the consumption of energy sources that degrade the environment' [1]. According to the National Institute for Occupational Safety and Health (2013) [2] Indoor Environmental Quality (IEQ) is the quality of a buildingrsquo;s environment regarding the health and wellbeing of its occupants. Many people have noticed that they developed symptoms that cannot be linked to a specific illness or cause, and/or their health and performance are affected when they spend time in some buildings. The particular conditions of these buildings create the emergence of sick building syndrome, observed in many contemporary cities. According to Lili Rodriacute;guez and Jorge Alonzo [3], this syndrome is characterized by a series of discomforts presented by the occupants within the buildings caused by physical, chemical, microbiological, outdoor contaminants and even psychosocial factors. Sick building syndrome is created 'when the users of a building experience discomfort in their general health conditions, causing poor comfort, absenteeism and low productivity' [3]. Understanding and applying strategies that generate indoor environmental quality in buildings is of crucial importance, especially in buildings for educational purposes. According to Brink, Loomans, Hobach, and Kort these optimal conditions in the classrooms can contribute to the quality of the teaching-learning process. 'Thermal, acoustic, visual and indoor air quality conditions can be of great support for tasks in the classroom of teachers and students' [4]. The buildings that best respond to an environmental design are smart buildings. Their goal is to provide greater efficiency and control in the buildingrsquo;s operation, responding to a better quality of life to users inside the buildings [5]. In this way, an active strategy that is used in these buildings is the implementation of architectural skin as an advanced technology that protect the facades from climatic constraints, and regulate an adequate temperature within the buildings. The implementation of aresponsive architectural skin, allows the building to respond to ongoing needs through passive and active strategies, that provide a characteristic impact on the performance of buildings. This can be achieved by control strategies and renewable energy systems that improve the energy consumption of the building, its comfort and its functional characteristics for its occupants [6]. This paper explains the problems and effects that contemporary buildings have generated today. The strategies that resolve the environmental conditions of buildings are mentioned through the concepts of intelligent buildings and responsive architecture that helps reduce the energy consumption of the building and allows to maintain an ideal thermal temperature inside the interior spaces. In this paper we seek to highlight the strategies that were established to create optimal indoor environmental conditions in a Montessori school project as a case study. The school is located in San Pedro Garza Garciacute;a, a municipality of the great metropolitan area of the city of Monterrey, Nuevo Leoacute;n, a region of extreme climate conditions in northeast Mexico (semi-arid climate with hot summers, mild winters and little rain year-round), in which technology will be implemented through the incorporation of responsive architectural skin and an artisanal construction system.

2.The problem with contemporary buildings

Nowadays there is a trend of buildin

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如何利用智能建筑技术,可以提高教育建筑室内环境质量

摘要

教育建筑必须整合智能建筑策略，以确保室内环境质量。热舒适度、声学舒适度、视觉舒适度和室内空气质量都要考虑在内，否则它们会发展成病态建筑综合症。智能建筑通过提供高效的生活环境来解决这一潜在问题，包括安全、舒适和优质的生活/学习/工作体验，帮助用户实现最佳性能。这些建筑应整合先进技术，如自动化系统和建筑表皮的实施、设计良好且功能完善的空间和建筑特征，作为积极的生物气候解决方案。以下是墨西哥新莱昂州一所小学和初中校园建筑项目的案例研究，该项目必须应对该地区的极端气候条件，同时通过实施inmotics（一种响应性建筑表皮）应用最佳替代方案和生物气候策略，可持续建筑系统和原生植被。在这样做的过程中，利用周围的自然条件，使用最新的环保系统和技术，创建了一座全面的环保建筑。其结果是为其用户提供了一个健康、安全和高效的空间，大大有利于教学过程。

1. 简介

正如弗朗西斯科·巴尔加斯（Francisco Vargas）和伊莎贝尔·加列戈（Isabel Gallego）[1]所提到的，我们对环境条件的不同解释创造了一些概念，例如，与空气或内部环境质量相关的病态建筑，它试图了解室内小气候的复杂性，封闭环境中可能存在的污染物，以及它们对建筑物使用者健康的影响。室内环境的最佳条件必须为人们带来舒适和福祉，促进工作、学校和休闲娱乐区的健康生活方式。社会需要干净、安全和通风良好的空间，使他们能够以适当的方式开展日常活动。这就是为什么有必要“在社会标准、能源使用和可持续发展之间实现平衡，在不造成污染的情况下寻求舒适，同时不增加对环境造成恶化的能源消耗”[1]。根据国家职业安全与健康研究所（2013）[2]室内环境质量（IEQ）是指建筑物环境的质量，与居住者的健康和福祉有关。许多人已经注意到，他们出现的症状与特定的疾病或原因无关，和/或他们在某些建筑中逗留的健康和表现受到影响。这些建筑的特殊条件导致了病态建筑综合症的出现，这在许多当代城市中都可以观察到。根据Lili Rodriacute;guez和Jorge Alonzo[3]，该综合征的特点是建筑物内的居住者因物理、化学、微生物、室外污染物甚至心理社会因素而出现一系列不适。病态建筑综合症是“当建筑使用者在其一般健康状况下感到不适，导致舒适度差、旷工和生产率低”[3]。理解和应用在建筑中产生室内环境质量的策略至关重要，尤其是在用于教育目的的建筑中。根据Brink、Loomans、Hobach和Kort的说法，教室中的这些最佳条件有助于提高教学过程的质量。“热、声、视觉和室内空气质量条件可以极大地支持教师和学生的课堂任务”[4]。最符合环境设计的建筑是智能建筑。他们的目标是在大楼的运行中提供更高的效率和控制，为大楼内的用户提供更好的生活质量。通过这种方式，在这些建筑中使用的一种积极策略是将建筑表皮作为一种先进技术加以实施，以保护外墙免受气候限制，并调节建筑内的适当温度。实施响应性建筑表皮，使建筑能够通过被动和主动策略响应持续的需求，从而对建筑的性能产生独特的影响。这可以通过控制策略和可再生能源系统来实现，这些系统可以提高建筑的能耗、舒适度以及居住者的功能特性[6]。本文解释了当代建筑所产生的问题和影响。通过智能建筑和响应式建筑的概念，提出了解决建筑环境条件的策略，这有助于降低建筑能耗，并允许在室内空间内保持理想的热温度。本文以蒙台梭利学校项目为例，重点介绍了为创造最佳室内环境条件而制定的策略。该校位于圣佩德罗·加尔扎·加西亚（San Pedro Garza Garciacute;a），该市是新莱昂蒙特雷市大城市区的一个自治市，是墨西哥东北部气候条件极端的地区（半干旱气候，夏季炎热，冬季温和，全年少雨），该技术将通过结合响应性建筑表皮和手工施工系统来实施。

2、当代建筑问题

如今，建筑外墙完全由幕墙设计是一种趋势。然而，这些设计在地中海气候的城市中带来了严重的能源问题：“这些玻璃建筑比其他建筑消耗更多的能源，因为夏季对空调的需求巨大，而在冬季，在最冷的日子，热量的损失必须得到补偿，”安东尼奥·塞里洛（AntonioCerrillo）[7]说。虽然这可以作为北欧地区捕捉光和热的一种策略，但从环境角度来看，这些类型的建筑可能是地中海城市中最糟糕的建筑。玻璃产生了良好的美感，因为它给人一种振幅感，并允许空间得到良好的照明。因此，在使用大窗户的办公楼中，经常观察到这种做法。然而，这些建筑由于其内部产生的热量对冷却的高需求，产生了巨大的能量消耗。虽然有隔热玻璃，但与不透明墙相比，它在节能方面的优势要小得多。设计时必须考虑外部环境，不要依赖耗电量大的空调系统。正如玛丽亚·安格拉·达扎（MariaAacute;ngela Daza）、戴安娜·西梅娜·马丁内斯（Diana Ximena Martiacute;nez）和保拉·安德烈亚·卡罗（Paola Andrea Caro）[8]所述，“随着时间的推移，为提高能效而设计的建筑设计发生了变化，使得家庭和办公室越来越封闭”。因此，这种被称为“病态建筑”的建筑在室内产生的气候方面存在缺陷，影响人们的健康，导致头痛、粘膜刺激和疲劳感等症状。此外，建筑技术的进步导致了合成材料的使用，这些合成材料很容易积聚污染物，例如来自不同来源的挥发性化合物，如加热系统、家具中的油漆和清漆、建筑材料或清洁用品。德里克·克莱门茨·克罗姆（Derek Clements Croome）和李·巴赞（Li Bazhan）[9]证实，除了极端的温度变化、非常潮湿、陈旧或干燥的空气，也就是说，室内环境的质量状况不佳外，室内空气质量低和污染是导致病态建筑综合症的最主要因素。这在建筑物内创造了不良环境，降低了居住者的生产力。有必要创造与周围环境和气候完美结合的建筑设计，以提高其能源性能。重要的是要认识到，玻璃和钢立面具有不同的行为，这取决于位置的方向、时间和特定的气候条件。在墨西哥，由于其地理位置，如果这些类型的外墙位于建筑物的西面，它们将受到当天最高的太阳照射，使整个建筑物过热。相反，如果它们位于北立面，则会捕捉间接光，这可以用作照明策略。因此，不应排除使用玻璃幕墙，而应了解如何、何时何地使用玻璃幕墙，以便在建筑内提供舒适感。

3、选择环境设计

正如兰德尔·托马斯（RandalThomas）[10]所提到的，环境设计并不是一个新概念，但自从工业革命以来，环境设计就得到了应用，当时工程师们几乎可以在全球任何气候条件下建造建筑。然而，为了实现这一目标，高品位能源已被用于解决天气条件引起的问题和建筑设计引起的问题。因此，有必要减少建筑物对化石燃料的依赖，但同时实现为建筑物内用户提供舒适的环境质量。托马斯建议利用自然能源、照明和通风，如太阳和风。我们必须停止使用那些在发电时会转化为二氧化碳的燃料储备。在这样做的过程中，我们的活动会产生其他释放到环境中的污染物，对臭氧层产生灾难性影响。有必要重新设计我们建筑的方式，以改善环境质量，同时有效减少对全球环境的负面影响。

根据拉斐尔·塞拉（RafaelSerra）和海伦娜·科赫（HelenaCoch）[11]，人类与环境有着密切的关系，因为他们有各种各样的能量交换。人体在波动的环境中寻求保持稳定的内部条件。这就是所谓的体内平衡。我们有特定的器官，称为体内平衡机制，调节身体对环境负荷的反应，如气候、光线、声音，甚至精神负荷。有必要对环境质量进行分析，以建立必要的条件，提供充足、良好的环境。为了实现这一点，架构应该相应地进行调整，以向用户提供舒适度。良好的宜居环境设计应整合环境参数，“无论空间的用途和居住者如何，都能体现居住空间的物理和环境特征的能量表现”，以及用户舒适度因素，“影响其欣赏的环境外条件”[11]。

3.1热舒适性

除了拉斐尔·塞拉（Rafael Serra）和海伦娜·科赫（Helena Coch）[11]提到的环境舒适性的一般原则之一是热舒适性，它考虑了影响人体的环境热参数。这些是空气温度、温度辐射、相对空气湿度和空气流速。根据Dima Stouhi[12]的说法，提供热舒适性的首要要素之一是在建筑中创建一个外壳，作为室外气候和室内环境之间的过滤器。这样可以建立并稳定内部小气候，减少能耗机械系统的使用。有必要考虑绝缘、太阳增益、热惯性和空气通风。太阳能增益是指“建筑吸收光线时产生的热量”[12]。这由体积的方向、墙窗比、隔热层级别和附近图元的阴影量控制。热惯性是指“建筑物的温度达到周围温度的速度”，由建筑物的材料和结构类型控制。同样，有必要对室内空气循环进行全面、合理的管理，以便通风有效地消除环境湿度。

3.2声学舒适性

林赛·莱尔迪（LindseyLeardi）[13]认为，“音质取决于对声源的控制程度”。应考虑不必要的噪声，无论是外部噪声、内部噪声、由冲击引起的噪声还是由设备发出的噪声。“人耳感知声音的方式直接取决于建筑物内的混响和吸收水平”。为了获得声学舒适度，您必须首先根据完整的场地分析进行良好的设计。然而，最终声学性能取决于饰面。为了获得优质的声学空间，在选择技术先进的材料时必须特别小心，以降低噪音水平。声学是所有类型建筑的关键要素，例如医院、剧院、文化中心、住房、工作场所，尤其是教育建筑。3.3视觉舒适度Joseacute;Tomaacute;s Franco[14]提到，这种舒适度与自然光与人工光的正确平衡有关。空间的环境质量考虑了一些因素，如闪烁水平、眩光、照明引起的失明以及光的均匀分布。“光线过多或过少都会导致视觉不适。光线水平的大幅变化或强烈对比（被视为眩光）会导致压力和疲劳”[15]。任何设计都应优先考虑自然光。这对人眼来说是最舒适的照明，因为他们很自然地适应它。利用自然光对我们的健康和福祉有积极的影响，提高我们白天的清醒度和生产力，这是最佳教育环境中的必要因素。它还可以显著节约能源，减少人造光的过度使用。根据Tomaacute;s Franco[14]，在设计新项目时，必须仔细考虑现场建筑的方向，以便在正确设计开口的情况下使用尽可能多和最好的自然光。

4智能建筑

追求环境质量的建筑被称为智能建筑。蒙泰罗、科瓦尔、阿泽维多、裸体、哈马德和佩雷拉[16]解释说，一些研究人员对这些建筑有不同的解释。莫顿（Moten）[17]提到，智能建筑是将技术和系统结合起来，以改善用户的生活质量和建筑的运营。同样，中国国家石油国际有限公司（Sinopoli）[18]解释说，智能建筑是通过使用构造性和自动化技术系统精心打造的，这些系统为人们的生活方式提供安全和舒适。巴克曼，梅菲尔德（Mayfield）和贝克（Beck）还指出，“智能建筑是将智能、操作、控制和材料以及建筑作为一个以适应性而非反应性为核心的整体建筑系统进行整合和说明的建筑，以满足建筑发展的驱动力：能源和效率、寿命、舒适度和满意度”[19].另一方面，一些研究人员关注智能建筑这一术语，而其他人则称之为智能建筑。然而，这两个术语之间存在差异[16]。Hoy和Tara[20]解释了建筑技术的演变，从原始到简单，从自动化到智能再到智能建筑。智能建筑是一个简单的建筑，其系统是手动控制的，而自动化建筑是一个通过使用适应用户需求的传感器来自动控制系统的建筑。另一方面，智能建筑使用一系列传感器和系统实时收集有关建筑如何工作的信息，这些传感器和系统记录任何给定时间段内每个空间中的人数。智能建筑这一术语自1980年起就为人所知，当时的时代以电信和计算机行业技术为特征[18]。此外，这一概念是通过开发新技术发展而来的，这些新技术产生了更智能的流程，以更灵活、互动和可持续的方式使用[16]。

4.1智能建筑的特点

根据中国国家政策研究所（Sinopoli）[18]，智能建筑的特点是技术突破的传递和建筑系统的结合，为设计和实施技术施工系统提供了最有用的方法。同样，智能建筑是建筑和智能电网的能源使用和可持续性的关键组成部分。智能建筑在响应能力、适应能力以及资源的灵活性方面与前几代有所不同。因此，适应性是智能建筑的一个基本特征。它能够利用各种来源的内部和外部信息，在特定事件发生之前为建筑物做好准备，例如人们在一年中不同时间对舒适度的感知、建筑物使用的变化以及占用数据的可变特征。除了适应性这一智能建筑的基本要素外，还有四个其他因素需要考虑：智能、操作、材料和设计以及控制，以将建筑定义为智能系统。

4.2智能建筑对社会和建筑的积极影响

中国石油国际有限公司（Sinopoli）[18]提到，智能建筑利用技术使建筑更加高效，为用户创造健康和生产环境，并促进使用高效和可持续能源的安全环境。根据Ochoa和Guedi[21]的说法，智能建筑的设计对建筑设计解决方案产生了新的期望，它允许使用尽可能少的能源利用智能，以实现可持续性和环境设计。这可以通过智能建筑的被动和主动策略设计来实现，以尽可能少的能源使用为用户提供最佳的舒适度。主动策略是指根据建筑的内部或外部环境条件进行调整，通过最先进的技术实现舒适度并降低建筑能耗；而被动策略是设计师为了响应气候条件或环境需求而采用的策略。

5建筑表皮

据乌尔基扎（Urquiza）[22]所述，技术进步中发生变化的一个理念是立面的概念，这一元素不仅被确定为建筑内外空间之间存在的分隔，而且还寻求与周围环境进行互动。通过这种方式，立面成为从内部覆盖建筑外部的封套，也称为建筑表皮。此外，Anwar和Wu[23]指出，建筑设计中的表皮是建筑围护结构的隐喻，该层保护建筑免受外部环境因素的影响，并帮助用户保持足够的室内温度。同样，建筑表皮旨在与用户建立对话，用户可以通过其技术元素或独特特征进行交互。建筑表皮的设计应该有一个可持续的目标，考虑到能源的建立和能源消耗的最小化，使用允许通过建筑围护结构传递能量的材料和施工细节[22]。

5.1响应架构

传统建筑的表皮提供稳定性，调节气压，保护建筑内部免受辐射、雨水和风等外部环境因素的影响。建筑表皮是解决响应性建筑问题的重要组成部分。智能可以在建筑表皮中实现，作为影响建筑的环境元素的解决方案[24]。Barozzi、Lienhard、Zanelli和Monticelli提到了以下概念：“响应性：该术语指的是一个反应性系统，即一个移动且与术语操纵相对的系统，这意味着

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