CN112818547B - 一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法，属于建筑领域；一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法包括：确定光热环境的描述指标及舒适阈值、对建筑表皮可变构件进行参数化建模、导入室外模拟气象参数、对各可变构件开启状态进行全年逐时效果模拟计算分析、计算i时刻各可变构件开启状态下室内光热环境与预设舒适范围阈值的距离、对光热环境与预设舒适范围的距离数据进行处理、比较得出i时刻综合效果最佳的可变构件开启状态、汇总得出全年的逐时综合最优的可变构件开启状态合集和使用该合集自动控制可变构件的开启；通过上述方法对建筑外表皮可变构件的光环境与热环境联合优化，实现对太阳热辐射与自然采光之间的平衡调控。
Description
技术领域
本发明属于建筑领域，具体涉及一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法。
背景技术
太阳热辐射与天然采光是一组具有紧密关系的关联变量，然而对于南方地区而言，这组变量呈现了一体两面的矛盾性影响。如何应对天然采光与太阳热辐射之间的矛盾性，成为了南方地区绿色建筑的实现舒适节能高效的重要问题(简称光热问题)；
目前应对光热问题的方式存在以下缺陷：1)建筑天然采光设计与建筑遮阳设计分开进行，忽略了太阳热辐射与天然采光的一体两面性，容易顾此失彼，不利于全局的综合的判断；2)固定的建筑表皮构件很难应对光热问题在时间上的动态变化；3)目前建筑表皮的可变构件多为遮阳构件，调节方式以遮挡进入室内的过量太阳辐射为控制目标，容易削弱自然采光，造成室内照度过低；
综上所述，如何实现的太阳热辐射与自然采光的实时动态平衡调控，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法，能够解决遮阳与采光之间的矛盾，实现太阳热辐射与自然采光的动态平衡调控。发明的一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法，将可变构件对室内实时光热环境的影响统筹兼顾，实现动态的、全局的、综合的建筑环境质量保证，在提高舒适度的同时降低能耗。通过模块化设计，使建筑设计人员和使用者可根据建筑的特性和自身的需求进行定制调整，同时降低成本。
本发明的技术解决方案是一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法，步骤包括：
S1：确定光热环境的描述指标及舒适阈值：
S2：对建筑表皮可变构件进行参数化建模；
S3：导入室外模拟气象参数；
S4：对各可变构件开启状态进行全年逐时效果模拟计算分析；
S5：计算i时刻各可变构件开启状态下室内光热环境与预设舒适范围阈值的距离；
S6：对光热环境与预设舒适范围的距离数据进行处理；
S7：比较得出i时刻综合效果最佳的可变构件开启状态；
S8：汇总得出全年的逐时综合最优的可变构件开启状态合集：循环S5至S7，汇总得出全年逐时综合最优的构件状态合集，即光热平衡动态控制的优化结果；
S9：使用所述合集自动控制可变构件的开启。
进一步地，所述S1和所述S5中的光热环境指标可用反应各时刻特征的光热环境参数表达，包括：室内无空调时空气温度、工作面或地面平均照度以及达到标准照度的房间面积比例。
进一步地，所述S2中的所述建筑表皮可变构件类型包括：遮阳板、百叶、卷帘、电致变色玻璃以及幕墙；
进一步地，所述建筑表皮状态包括：可移动遮阳板的不同位置、可旋转遮阳板/百叶的不同角度、可开启百叶/卷帘/幕墙的不同开启程度、电致变色玻璃的几种透光性。
进一步地，所述S5步骤中的所述i时刻各可变构件开启状态下室内光热环境与预设舒适范围阈值的距离计算方式如下：
xij，yij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距；
aij，bij-i时刻、j构件状态对应的室内光环境、热环境指标计算值；
a0，b0-室内光环境、热环境舒适范围阈值下限；
a1，b1-室内光环境、热环境舒适范围阈值上限。
进一步地，所述S6中的数据处理包括去量纲、加权求和；
进一步地，所述所述去量纲、加权求和计算方式如下：
去量纲：
qij，pij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距的去量纲结果；
xij，yij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距；
ximin，yimin-i时刻所有构件状态中室内热环境、光环境与预设舒适范围差距最小值；
ximax，yimax-i时刻所有构件状态中室内热环境、光环境与预设舒适范围差距最大值；
加权求和：
Zij＝c1·qij+c2·pij
Zij-i时刻、j构件状态的光热环境综合表现；
c1-热环境权重；
c2-光环境权重；
qij，pij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距的去量纲结果。
进一步地，所述S6的所述光热环境权重分配可自行预设。
进一步地，所述S4至S8步骤可用excel条件语句或编程执行，或可由多目标优化算法替代。
本发明实施例的有益效果是：
1、动态实现光热平衡：通过对遮阳状态进行逐时光热环境多指标优化，从而实现室内采光与太阳热辐射之间的动态平衡调控，既避免过度太阳热辐射，也避免过度遮阳导致采光缺乏，有助于综合的提高建筑适用性、舒适性与节能效果；
2、适用建筑表皮可变构件范围广：该控制程序可用于调控各类建筑表皮可变构件，包括并不限于遮阳板、百叶、卷帘、电致变色玻璃、幕墙等，有助于新型可变建筑表皮的推广；
3、全自动控制程序，适用于各类人流量大、功能复杂的大型公共建筑，包含办公建筑、商业建筑、文化建筑、体育建筑、交通建筑等，有助于大型公共建筑的节能减排；
4、可操作性强：光热平衡调控优化计算过程可以在单台台式计算机上实现，涉及相关程序方法简单易行，无需物理实验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明对建筑表皮可变构件逐时光热平衡调控方法的具体步骤示意图；
图2是图1的S4-S7步骤的excel计算方式示例：某上下平移型反光板(构件开启状态：反光板与地面的距离)在某时刻(7.22.13:00)的光热环境的模拟计算原数据(室内平均温度与工作面照度模拟计算结果)、与舒适阈值的距离计算、去量纲处理、加权求和结果、和最优构建状态(遮阳板的高度位置)筛选
图3是本发明建筑表皮可变构件逐时光热平衡调控计算设备组成示意图。
图中：1-光/热环境指标与舒适阈值设置模块；2-模型导入模块；3-表皮可变构件状态预设/参数化建模模块；4-位置/气象参数设置模块；5-室内逐时光/热环境模拟模块；6-逐时光热平衡计算与判断模块；7-数据存储与转换模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种建筑表皮可变构件逐时光热平衡调控方法的具体步骤包括：
S1确定光环境与热环境的描述指标及舒适阈值；其中，光热环境指标可用反应各时刻特征的光热环境参数表达，包括并不限于：室内无空调时空气温度、工作面或地面平均照度以及达到标准照度的房间面积比例。
S2导入建筑物理模型并对可变遮阳构件进行参数化建模。其中，建筑表皮可变构件类型包括并不限于：遮阳板、百叶、卷帘、电致变色玻璃、幕墙以及其他新型可调节遮阳构件。参数化建模需能分别对应构件的不同开启状态，所述的构件开启状态包括并不限于：可移动遮阳板的不同位置、可旋转遮阳板/百叶的不同角度、可开启百叶/卷帘/幕墙的不同开启程度、电致变色玻璃的几种透光性以及其他新型遮阳构件的不同调节档位。
S3导入室外模拟气象参数。其中，气象参数推荐采用当地气象站的测量数据以减少误差。
S4依次对构件各状态进行全年逐时效果的模拟计算分析。模拟计算的指标为S1确定的指标。
S5计算i时刻各构件状态下室内光热环境与预设舒适范围阈值的距离。计算方式如下：
xij，yij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距；
aij，bij-i时刻、j构件状态对应的室内光环境、热环境指标计算值；
a0，b0-室内光环境、热环境舒适范围阈值下限；
a1，b1-室内光环境、热环境舒适范围阈值上限。
S6对光热环境与预设舒适范围的距离数据进行去量纲加权求和处理，权重分配可自行预设。其中，去量纲加权求和计算方式分别如下：
去量纲：
qij，pij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距的去量纲结果；
xij，yij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距；
ximin，yimin-i时刻所有构件状态中室内热环境、光环境与预设舒适范围差距最小值；
ximax，yimax-i时刻所有构件状态中室内热环境、光环境与预设舒适范围差距最大值；
加权求和：
Zij＝c1·qij+c2·pij
Zij-i时刻、j构件状态的光热环境综合表现；
c1-热环境权重；
c2-光环境权重；
qij，pij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距的去量纲结果。
S7比较得出i时刻综合效果最佳的构件状态。
S8对各个时刻循环进行S5至S7的步骤并汇总得出全年(共8760h)的逐时综合最优的构件状态合集。
S9采用S8的逐时构件状态光热平衡优化结果控制表皮可变构件的开启S9。
图1中，S4至S8的步骤可用excel条件语句或编程快速执行，也可用多目标优化算法替代。
如图2所示，某地区某时刻的某外表皮可变构件的数据处理计算过程(图1的S4-S7步骤)可用excel呈现。该示例所述的建筑表皮可变构件为一上下平移型反光板，因此构件的开启状态可用反光板到地面的距离表示(可变范围根据设计需要设定在1300mm-2850mm，单次移动最小间隔150mm)。示例的光热环境指标采用室内平均温度与工作面照度，舒适阈值设置为18-22℃、300-2000lux，光热环境指标权重设置为相同。该示例仅呈现了7月22日13时这一时刻的情况。
图2示例呈现了模拟计算结果的原数据摘录、原数据与舒适阈值的距离计算、去量纲处理、加权求和、最优状态筛选(反光板的最佳高度位置)。其中，原数据与舒适阈值距离计算可用excel的IF条件语句编写：以构件状态为1300mm位置的光指标为例，若原数据数值小于舒适阈值的最小值(B14<D4)，则用最小阈值减去原数值(D14＝D4-B14)；若原数据数值大于舒适阈值的最大值(B14>E4)，则用原数值减去最大阈值(D14＝B14-E4)；其他情况下，原数据数值在舒适阈值的区间内，则原数据与舒适阈值距离为0(D14＝0)。去量纲同样可用excel语句编写：以构件状态为1300mm位置的光指标为例，首先计算该时刻所有状态的舒适距离数列(D14至D31)的最大值MAX(D14:D31)与最小值MIN(D14:D31)，判断二者的差值是否为0(即全数列值相同)，若为0则去量纲结果为0(F14＝0)，反之则计算该状态下的舒适距离值D14与该时刻的舒适距离全列最小值MIN(D14:D31)之差，并除以全列最大值MAX(D14:D31)与最小值MIN(D14:D31)的差值，得到去量纲后的结果F14。在加权求和后，选出H列的最小值，该最小值所对应的构建状态即位该时刻的最优构件状态(本示例中为1900mm)。
图2所示的excel表格内容为光热平衡调控数据处理的一种呈现，其结果也可用编程方式或其他优化算法替代。
如图3所示，一种建筑表皮可变构件逐时光热平衡调控计算设备组成示意，用于执行S1至S9的计算方法。所述计算设备的模块包括：光/热环境指标与舒适阈值设置模块1、模型导入模块2、表皮可变构件状态预设/参数化建模模块3、位置/气象参数设置模块4、室内逐时光/热环境模拟模块5、逐时光热平衡计算与判断模块6、数据存储与转换模块7。其中模块1-4为模块5的输入，模块5的计算结果输出至模块6进行数据处理，最终逐时光热平衡计算与判断的表皮构件状态优化结果输出至模块7进行存储，并依据表皮构件控制模块的信号输入要求进行数据格式转换或编码。最终的输出结果可以为表皮构件控制日程文件或控制信号。
图3示例中，模块1预设光/热环境指标选择清单与默认阈值设置，并提供参考文件；模块1的光/热环境指标选择自动作为模块5的输出变量选择，但可在模块6中进行删减。模块2-3与其他建模软件预留接口。模块4包括气象参数文件的下载、识别、读取与修改功能。模块5与其他建筑性能模拟软件留有接口，或直接封装开源性能模拟软件。模块6包括对模块5的模拟计算结果到舒适阈值距离的计算、去量纲计算、加权求和计算以及逐时光热平衡综合评价建议，其中权重设置由用户自行调整。模块6与其他数据分析软件留有接口。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (4)
1.一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定光热环境的描述指标及舒适阈值：
S2：对建筑表皮可变构件进行参数化建模；
S3：导入室外模拟气象参数；
S4：对各可变构件开启状态进行全年逐时效果模拟计算分析；
S5：计算i时刻各可变构件开启状态下室内光热环境与预设舒适范围阈值的距离；
S6：对光热环境与预设舒适范围的距离数据进行处理；
S7：比较得出i时刻综合效果最佳的可变构件开启状态；
S8：汇总得出全年的逐时综合最优的可变构件开启状态合集：循环S5至S7，汇总得出全年逐时综合最优的构件状态合集，即光热平衡动态控制的优化结果；
S9：使用所述合集自动控制可变构件的开启；
所述S1和所述S5中的光热环境指标可用反应各时刻特征的光热环境参数表达，包括：室内无空调时空气温度、工作面或地面平均照度以及达到标准照度的房间面积比例；
所述S5步骤中的所述i时刻各可变构件开启状态下室内光热环境与预设舒适范围阈值的距离计算方式如下：
xij，yij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距；
aij，bij-i时刻、j构件状态对应的室内光环境、热环境指标计算值；
a0，b0-室内光环境、热环境舒适范围阈值下限；
a1，b1-室内光环境、热环境舒适范围阈值上限；
所述S6中的数据处理包括去量纲、加权求和；
所述去量纲、加权求和计算方式如下：
去量纲：
qij，pij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距的去量纲结果；
xij，yij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距；
xi m i n，yi m i n-i时刻所有构件状态中室内热环境、光环境与预设舒适范围差距最小值；
xi max，yi max-i时刻所有构件状态中室内热环境、光环境与预设舒适范围差距最大值；
加权求和：
Zij＝c1·qij+c2·pij
Zij-i时刻、j构件状态的光热环境综合表现；
c1-热环境权重；
c2-光环境权重；
qij，pij-i时刻、j构件状态的室内热环境、光环境与预设舒适范围差距的去量纲结果。
2.根据权利要求1所述的一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法，其特征在于，所述S2中的所述建筑表皮可变构件类型包括：遮阳板、百叶、卷帘、电致变色玻璃以及幕墙；
所述建筑表皮状态包括：可移动遮阳板的不同位置、可旋转遮阳板/百叶的不同角度、可开启百叶/卷帘/幕墙的不同开启程度、电致变色玻璃的几种透光性。
3.根据权利要求1所述的一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法，其特征在于，所述S6的所述光热环境权重分配可自行预设。
4.根据权利要求1所述的一种建筑表皮可变构件的光热动态平衡调控方法，其特征在于，所述S4至S8步骤可用excel条件语句或编程执行，或可由多目标优化算法替代。
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| CN109162619A (zh) * | 2018-08-31 | 2019-01-08 | 北京工业大学 | 一种基于节能的智能外窗优化调控方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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