CN104133938A - 一种基于采暖能耗考虑的严寒地区办公建筑外窗几何参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于采暖能耗考虑的严寒地区办公建筑外窗几何参数优化方法，包括下述步骤：步骤一、影响采暖能耗考虑的建筑外窗几何参数归纳及其参数值域调查；步骤二、严寒地区办公建筑形态模型建构；步骤三、建筑采暖能耗计算模型构建；步骤四、遗传优化搜索机制建构；步骤五、应用模型展开建筑外窗几何尺寸优化。本发明针对严寒地区办公建筑外窗优化要求，应用遗传算法将建筑外窗形态调节过程与办公建筑采暖能耗模拟过程结合起来，实现了基于采暖能耗考虑的严寒地区办公建筑外窗优化。

Description

一种基于采暖能耗考虑的严寒地区办公建筑外窗几何参数优化方法

技术领域

本发明涉及一种严寒地区办公建筑外窗几何参数优化方法。具体涉及一种基于采暖能耗考虑的严寒地区办公建筑外窗几何参数优化方法。

背景技术

随着寒地城市经济发展，严寒地区办公建筑面积不断增长。严寒地区冬季室内外温差巨大，采暖能耗占总能耗比重较高。建筑外窗一方面由于其主要组成部分——玻璃材料具有较高的传热系数，通过建筑外窗散失的热量远高于通过建筑外墙损失的热量，令建筑外窗成为了严寒地区办公建筑采暖节能的薄弱环节；另一方面，建筑外窗借助自身的透光性，其在日间能充分透射自然光，使建筑吸收日照短波辐射所携带的热量，从而降低了建筑冬季采暖能耗，并优化了室内空间自然采光效果，降低了日间人工照明能耗。限于工程造价成本，建筑外窗在材料选择和构造设计上多趋于一致，随着建筑节能设计标准的日益提高，单纯调整外窗材料与构造的做法难以满足建筑节能设计标准，建筑外窗几何尺寸参数的设计正成为建筑节能研究的新热点。

传统寒地办公建筑外窗几何参数设计中，设计者多通过缩小建筑开窗尺寸来降低采暖能耗，但在实践应用中却发现虽然较大的外窗尺寸会导致建筑围护结构传热量的增加，但一味地缩小外窗尺寸不仅会影响建筑内部自然采光效果，增加人工照明能耗，还会导致建筑在日间获得的日照辐射热量降低，从而导致建筑采暖能耗增加。因此，办公建筑外窗节能设计并非是“一边倒式”的线性逻辑，而是存在多因素影响的博弈过程，如何在考虑外窗“吸收辐射热量优势”与“高传热系数劣势”两方面特征的基础上，确定合理的严寒地区办公建筑外窗几何参数，已成为了寒地办公建筑外窗节能设计研究的重要方向。

因此，基于采暖能耗考虑的严寒地区建筑外窗几何参数优化设计对于我国严寒地区建筑节能效果有着重要影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于采暖能耗考虑的严寒地区办公建筑外窗几何参数优化方法，构建严寒地区办公建筑外窗几何参数优化设计模型，应用该模型实现基于采暖能耗考虑的严寒地区办公建筑外窗几何参数优化设计。

所述方法由建筑外窗传热能耗计算公式入手，归纳了影响严寒地区办公建筑采暖能耗的建筑外窗几何参数类型，基于对严寒地区办公建筑外窗几何参数的抽样调查，得出严寒地区办公建筑能耗影响参数值域；结合建设项目建议书中对于建筑功能的要求，应用Grasshopper平台建构严寒地区办公建筑形态模型；根据建筑采暖能耗计算数学模型结合Ecotect建筑日照辐射得热计算软件，综合考虑建筑维护结构传热损失、日照辐射得热、建筑内部产热和门窗空气渗透四方面热损失，在Grasshopper平台中编写能耗计算模块；应用Grasshopper平台中的Galapagos模块，应用遗传算法，以办公建筑全年能耗数据为评价指标，以办公建筑外窗几何参数为优化对象，建立遗传优化搜索机制；

为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：

步骤一、影响采暖能耗考虑的建筑外窗几何参数归纳及其参数值域调查

首先根据采暖能耗计算模型，归纳影响严寒地区办公建筑采暖能耗的建筑外窗几何参数，并采用抽样调查法对我国严寒地区办公建筑外窗几何参数进行数据采集，第一阶段将根据我国热工规范指定的严寒气候区分类标准，采用分类抽样与随机抽样结合的方法，在每组严寒气候区中随机抽取城市样本；第二阶段中，为使抽取的办公建筑遍及城市的各个方位，且具有代表性和普遍性，根据重点调查的思想在被调查城市市区下属的每个行政分区中选取2至4个办公建筑分布均匀的城市街区；第三阶段采用抽样调查与分类调查结合的方法，首先按照高层、多层办公建筑对所选街区内的办公建筑进行分类，随后在分类建筑中随机抽取办公建筑外窗进行外窗几何参数采集。最后，应用统计学分析对采集的数据进行统计分析，提出严寒地区办公建筑外窗几何参数值域。

步骤二、严寒地区办公建筑形态模型建构

结合建设项目建议书中对于建筑功能的要求，应用Grasshopper平台建构严寒地区办公建筑形态模型，首先建构建筑体量模型，进一步根据步骤一采集到的严寒地区办公建筑外窗几何参数值域，对建筑体量模型开窗，完成严寒地区办公建筑形态模型建构；

步骤三、建筑采暖能耗计算模型构建

根据建筑采暖能耗计算数学模型结合Ecotect建筑日照辐射得热计算软件，综合考虑建筑维护结构传热损失、日照辐射得热、建筑内部产热和门窗空气渗透四方面热损失，基于公式(1)，应用Grasshopper模型中的数学运算程序模块建立建筑采暖能耗计算模型。

qH＝qH·T+qINF+qI·H+qs   (1)

式中，qH——单位面积耗热量指标，W/m2；qH·T——单位面积围护结构的传热量，qH·T＝∑KiFi(ti-te)/A(其中Ki为围护结构各组成部分传热系数，W/(m2·K)；Fi为围护结构各组成部分面积，m2；ti为室内气温，℃；te为室外气温，℃；A为建筑面积，m2)，W/m2；qINF——单位面积空气渗透耗热量，qINF＝N·V·cρ·ρ·(ti-te)/A(其中N为换气次数，l/h；V为换气体积，m3；cρ为空气比热容，Wh/(kg·K)；ρ为空气密度，kg/m3)，W/m2；qI·H——单位建筑面积建筑内部得热量，qI·H＝(Q人员+Q照明+Q设备)/A(其中Q照明为建筑内部照明产热，W；Q设备为建筑内部设备得热，W；Q人员为建筑内部人员得热，W)，W/m2；qs——单位面积建筑辐射得热量，W/m2。

qs则由Ecotect软件计算后导入Grasshopper中；

步骤四、遗传优化搜索机制建构

应用Grasshopper平台中的Galapagos模块，应用遗传算法，以严寒地区办公建筑冬季采暖单位面积耗热量指标为评价指标，设定遗传优化搜索停止目标位解空间内严寒地区办公建筑冬季采暖单位面积耗热量指标数值最小，将步骤三中所建构的建筑采暖能耗计算模型数据输出模块与Galapagos模块连接；以办公建筑外窗几何参数为优化对象，将步骤二中建构的严寒地区办公建筑形态模型中的东、西、南、北四个朝向的建筑外窗高、建筑外窗宽、建筑外窗台高，共12个参数模块与Galapagos模块连接，完成遗传优化搜索机制建构；

步骤五、应用模型展开建筑外窗几何尺寸优化

启动步骤二所建构的BIM模型生成初始办公建筑外窗形态，应用步骤三所建构的建筑采暖能耗计算模型预测初始办公建筑外窗形态的全年能耗，能耗数据作为评价标准输入步骤四所建构的遗传算法模块(GA)，该模块生成新的建筑外窗几何参数组合，并将其传导至步骤二所建构的BIM模型生成新的办公建筑外窗形态，完成一次迭代计算；经过多次迭代计算后，搜索到建筑能耗最低的严寒地区办公建筑外窗形态方案。

附图说明

图1是基于采暖能耗的严寒地区办公建筑外窗几何参数优化方法应用流程。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

步骤一、影响采暖能耗考虑的建筑外窗几何参数归纳及其参数值域调查

首先根据采暖能耗计算模型，归纳影响严寒地区办公建筑采暖能耗的建筑外窗几何参数，并采用抽样调查法对我国严寒地区办公建筑外窗几何参数进行数据采集，第一阶段将根据我国热工规范指定的严寒气候区分类标准，采用分类抽样与随机抽样结合的方法，在每组严寒气候区中随机抽取城市样本；第二阶段中，为使抽取的办公建筑遍及城市的各个方位，且具有代表性和普遍性，根据重点调查的思想在被调查城市市区下属的每个行政分区中选取2至4个办公建筑分布均匀的城市街区；第三阶段采用抽样调查与分类调查结合的方法，首先按照高层、多层办公建筑对所选街区内的办公建筑进行分类，随后在分类建筑中随机抽取办公建筑外窗进行外窗几何参数采集。最后，应用统计学分析对采集的数据进行统计分析，提出严寒地区办公建筑外窗几何参数值域。

步骤二、严寒地区办公建筑形态模型建构

结合建设项目建议书中对于建筑功能的要求，应用Grasshopper平台建构严寒地区办公建筑形态模型，首先建构建筑体量模型，进一步根据步骤一采集到的严寒地区办公建筑外窗几何参数值域，对建筑体量模型开窗，完成严寒地区办公建筑形态模型建构；

步骤三、建筑采暖能耗计算模型构建

根据建筑采暖能耗计算数学模型结合Ecotect建筑日照辐射得热计算软件，综合考虑建筑维护结构传热损失、日照辐射得热、建筑内部产热和门窗空气渗透四方面热损失，基于公式(1)，应用Grasshopper模型中的数学运算程序模块建立建筑采暖能耗计算模型。

qH＝qH·T+qINF+qI·H+qs  (1)式中，qH——单位面积耗热量指标，W/m2；qH·T——单位面积围护结构的传热量，qH·T＝∑KiFi(ti-te)/A(其中Ki为围护结构各组成部分传热系数，W/(m2·K)；Fi为围护结构各组成部分面积，m2；ti为室内气温，℃；te为室外气温，℃；A为建筑面积，m2)，W/m2；qINF——单位面积空气渗透耗热量，qINF＝N·V·cρ·ρ·(ti-te)/A(其中N为换气次数，l/h；V为换气体积，m3；cρ为空气比热容，Wh/(kg·K)；ρ为空气密度，kg/m3)，W/m2；qI·H——单位建筑面积建筑内部得热量，qI·H＝(Q人员+Q照明+Q设备)/A(其中Q照明为建筑内部照明产热，W；Q设备为建筑内部设备得热，W；Q人员为建筑内部人员得热，W)，W/m2；qs——单位面积建筑辐射得热量，W/m2。

qs则由Ecotect软件计算后导入Grasshopper中；

步骤四、遗传优化搜索机制建构

应用Grasshopper平台中的Galapagos模块，应用遗传算法，以严寒地区办公建筑冬季采暖单位面积耗热量指标为评价指标，设定遗传优化搜索停止目标位解空间内严寒地区办公建筑冬季采暖单位面积耗热量指标数值最小，将步骤三中所建构的建筑采暖能耗计算模型数据输出模块与Galapagos模块连接；以办公建筑外窗几何参数为优化对象，将步骤二中建构的严寒地区办公建筑形态模型中的东、西、南、北四个朝向的建筑外窗高、建筑外窗宽、建筑外窗台高，共12个参数模块与Galapagos模块连接，完成遗传优化搜索机制建构；

步骤五、应用模型展开建筑外窗几何尺寸优化

启动步骤二所建构的BIM模型生成初始办公建筑外窗形态，应用步骤三所建构的建筑采暖能耗计算模型预测初始办公建筑外窗形态的全年能耗，能耗数据作为评价标准输入步骤四所建构的遗传算法模块(GA)，该模块生成新的建筑外窗几何参数组合，并将其传导至步骤二所建构的BIM模型生成新的办公建筑外窗形态，完成一次迭代计算；经过多次迭代计算后，搜索到建筑能耗最低的严寒地区办公建筑外窗形态方案。

Claims (1)

1.一种基于采暖能耗考虑的严寒地区办公建筑外窗几何参数优化方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、影响采暖能耗考虑的建筑外窗几何参数归纳及其参数值域调查

首先根据采暖能耗计算模型，归纳影响严寒地区办公建筑采暖能耗的建筑外窗几何参数，并采用抽样调查法对我国严寒地区办公建筑外窗几何参数进行数据采集，第一阶段将根据我国热工规范指定的严寒气候区分类标准，采用分类抽样与随机抽样结合的方法，在每组严寒气候区中随机抽取城市样本；第二阶段中，为使抽取的办公建筑遍及城市的各个方位，且具有代表性和普遍性，根据重点调查的思想在被调查城市市区下属的每个行政分区中选取2至4个办公建筑分布均匀的城市街区；第三阶段采用抽样调查与分类调查结合的方法，首先按照高层、多层办公建筑对所选街区内的办公建筑进行分类，随后在分类建筑中随机抽取办公建筑外窗进行外窗几何参数采集；最后，应用统计学分析对采集的数据进行统计分析，提出严寒地区办公建筑外窗几何参数值域；

步骤二、严寒地区办公建筑形态模型建构

结合建设项目建议书中对于建筑功能的要求，应用Grasshopper平台建构严寒地区办公建筑形态模型，首先建构建筑体量模型，进一步根据步骤一采集到的严寒地区办公建筑外窗几何参数值域，对建筑体量模型开窗，完成严寒地区办公建筑形态模型建构；

步骤三、建筑采暖能耗计算模型构建

根据建筑采暖能耗计算数学模型结合Ecotect建筑日照辐射得热计算软件，综合考虑建筑维护结构传热损失、日照辐射得热、建筑内部产热和门窗空气渗透四方面热损失，基于公式(1)，应用Grasshopper模型中的数学运算程序模块建立建筑采暖能耗计算模型；

q_H＝q_H·T+q_INF+q_I·H+q_s  (1)式中，q_H-单位面积耗热量指标，W/m²；q_H·T--单位面积围护结构的传热量，q_H·T＝∑K_iF_i(t_i-t_e)/A(其中K_i为围护结构各组成部分传热系数，W/(m²·K)；F_i为围护结构各组成部分面积，m²；t_i为室内气温，℃；t_e为室外气温，℃；A为建筑面积，m²)，W/m²；q_INF--单位面积空气渗透耗热量，q_INF＝N·V·c_ρ·ρ·(t_i-t_e)/A(其中N为换气次数，l/h；V为换气体积，m³；c_ρ为空气比热容，Wh/(kg·K)；ρ为空气密度，kg/m³)，W/m²；q_I·H--单位建筑面积建筑内部得热量，q_I·H＝(Q_人员+Q_照明+Q_设备)/A(其中Q_照明为建筑内部照明产热，W；Q_设备为建筑内部设备得热，W；Q_人员为建筑内部人员得热，W)，W/m²；q_s--单位面积建筑辐射得热量，W/m²；q_s则由Ecotect软件计算后导入Grasshopper中；

步骤四、遗传优化搜索机制建构

应用Grasshopper平台中的Galapagos模块，应用遗传算法，以严寒地区办公建筑冬季采暖单位面积耗热量指标为评价指标，设定遗传优化搜索停止目标位解空间内严寒地区办公建筑冬季采暖单位面积耗热量指标数值最小，将步骤三中所建构的建筑采暖能耗计算模型数据输出模块与Galapagos模块连接；以办公建筑外窗几何参数为优化对象，将步骤二中建构的严寒地区办公建筑形态模型中的东、西、南、北四个朝向的建筑外窗高、建筑外窗宽、建筑外窗台高，共12个参数模块与Galapagos模块连接，完成遗传优化搜索机制建构；

步骤五、应用模型展开建筑外窗几何尺寸优化

启动步骤二所建构的BIM模型生成初始办公建筑外窗形态，应用步骤三所建构的建筑采暖能耗计算模型预测初始办公建筑外窗形态的全年能耗，能耗数据作为评价标准输入步骤四所建构的遗传算法模块(GA)，该模块生成新的建筑外窗几何参数组合，并将其传导至步骤二所建构的BIM模型生成新的办公建筑外窗形态，完成一次迭代计算；经过多次迭代计算后，搜索到建筑能耗最低的严寒地区办公建筑外窗形态方案。