CN113378357A - 基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法 - Google Patents

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张辉
韩静宜
彭超
刘玉曦
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Wuchang University of Technology
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Abstract

本发明属于建筑被动式节能设计技术领域，公开了一种基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法，选取相应的气候数据库并提取目标城市的相关气象参数，通过自然通风潜力的计算模型计算目标城市全年时间可利用自然通风的小时数以及有效性，并根据自然通风的非稳态特性归纳出自然通风的非稳态边界条件；结合建筑动态热湿适应模型得到动态热湿范围；构建参数化设计模型；通过计算模拟分析结合通风评价指标得出动态评价结果，并优化。本发明基于Grasshopper平台的Butterfly软件，将自然通风的模拟结果直接反馈到建筑模型中，通过参数化手段实现对模型的实时调整，直接减少设计过程中反复建模的工作量。

Description

基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法
技术领域
本发明属于建筑被动式节能设计技术领域，尤其涉及一种基于气候适应性 的自然通风参数化设计与动态分析方法。
背景技术
清华大学建筑节能研究中心2021年的研究报告指出，我国从北向南发展， 住宅全年的开窗时数逐时增加，且季节差异性变小，居民的开窗通风习惯基本 为能开就开，主要受室外天气状况影响，开窗通风习惯为生活习惯养成；经过 测试，夏季室内甲醛浓度最高，全国约有35％的住宅甲醛超过标准限值，更有 甚者，甲醛在密闭工况下显著增加了50％，而住宅中VOCS污染物的主要来源 是烹饪中产生的物质残留。此外，有80％的住宅机械通风甚至存在负效率的情 况，即把室外的颗粒污染物引进室内，且机械通风整体风量较小，难清洗，维 护成本较高。综合来讲，我国住宅更适用于自然通风结合空气净化器的通风模式，而且长期处于密闭空间并不利于居民的身心健康，良好的通风习惯可以有 效地减少患病的风险。至此，自然通风目的已不仅只是降低建筑能耗，更是人 们的精神需求。
随着新版绿色建筑评价标准的发布，对绿色建筑设计阶段模拟评价的准确 度要求更高，对结合项目实际情况进行有条件评价的能力要求更强，因此基于 气候适应性的自然通风评价就显得尤为重要。
传统的绿色建筑分析软件不仅操作复杂，且对绿色建筑的知识深度要求过 多，不利于设计人员进行绿色建筑正向设计，同时模拟分析软件不能和建筑设 计软件进行搭接，工作中往往会带来重复的建模工作，而导致了目前绿色建筑 设计的滞后性。而基于grasshopper平台的butterfly这一软件，成功的将分析软 件同建筑设计软件链接起来，通过对建筑模型的实时修改直接反馈模拟结果， 同时利用grasshopper软件直接对模型进行参数化处理，直接减少设计过程中反 复建模的工作量。
同时，传统的建筑自然通风模拟是基于稳定的边界条件(风速等)进行的， 但是就自然气候条件而言，风环境并不是一个稳定的状态。而是随着地域气候、 建筑布局、建筑高度等诸多因素影响不断变化的，可见在传统的建筑自然通风 模拟和实际情况是有些许出入的；同时，传统的建筑自然通风效果的评价模型 单纯以换气次数作为评价内容，而通风效果并不能以单一的标准认定。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)传统的绿色建筑分析软件不仅操作复杂，且对绿色建筑的知识深度要 求过多，不利于设计人员进行绿色建筑正向设计。
(2)现有模拟分析软件难以和建筑设计软件进行搭接，工作中往往会带来 重复的建模工作，而导致了目前绿色建筑设计的滞后性。
(3)现有的自然通风模拟分析大多基于静态的边界条件，但外界风环境是 非稳态的，动态边界条件的设定大大提高了建筑自然通风模拟的准确性；
(4)传统的建筑自然通风模拟是和实际情况相违背的，传统的建筑自然通 风效果的评价模型单纯以换气次数作为评价内容，而通风效果并不能以单一的 标准认定。
解决以上问题及缺陷的难度为：
(1)如何根据气象数据以及自然通风潜力分析结果如何总结出动态边界条 件；
(2)现有的软件以静态边界条件为基准进行自然通风模拟，如何整理出动 态边界条件范围进行模拟是一难题；
(3)如何选择适宜的评价指标；在过往的研究中，采取的自然通风评价指 标不尽相同，对自然通风的效果进行量化，选取相应地评价指标对自然通风进 行评价；
解决以上问题及缺陷的意义为：
(1)在自然通风模拟中尽量结合实际情况，以便据此进行自然通风设计；
(2)对自然通风效果进行量化处理，方便设计人员在设计阶段把握自然通 风效果；
(3)在之前的自然通风研究上更进一步，提出自然通风设计新思路；
(4)为绿色建筑模拟软件开发提出研发新方向以及新思路。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于气候适应性的自然通风 参数化设计与动态分析方法，尤其涉及基于气候适应性的建筑自然通风参数化 设计与动态(非稳态)评价方法。
本发明是这样实现的，一种基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态 分析方法，所述基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法包括以 下步骤：
步骤一，根据自然通风的原理，选择自然通风潜力的计算模型；根据气候 适应性特征，选取目标城市并提取相关气象参数；选择计算时段，通过中性温 度公式估算平均风速和舒适温度；
步骤二，获取自然通风潜力的评价模型，计算目标城市建筑在适宜温度内 全年可利用自然通风的小时数以及有效性；
步骤三，根据自然通风的非稳态特性，归纳出非稳态自然通风的边界条件；
步骤四，构建动态热湿适应模型：采用相对热指标RWI(Relative Warmth Index)和热损失率HDR(Heating Deficit Rate)对室内热湿环境进行评价，通过 RWI值和HDR指标反映舒适度情况；
步骤五，通风评价指标筛选：筛选确定评价目标城市建筑自然通风效果的 评价指标；
步骤六，构建参数化设计模型：将建筑模型转化为参数化信息模型，确定 建筑模型转化的具体参量，建立参数化模型；
步骤七，计算模拟分析：进行自然通风模拟分析，设定网格密度和计算平 面以及迭代周期，并对计算结果进行可视化处理；
步骤八，动态评价结果：构建多目标评价体系，建立评价模型，确定评价 内容、评价因子以及评价方法，对建筑的自然通风效果进行评价；
步骤九，优化方案的必选与确定：通过多目标评价体系对目标方案进行评 价，对多方案数据的对比，输出目标城市建筑自然通风的最优方案。
进一步，步骤一中，所述选择计算时段，通过经验公式估算平均风速，包 括：
(1)提取ChinaTMY2数据库中目标城市典型气象年数据作为分析依据；
(2)通过经验公式对目标城市的平均风速进行处理，确定目标城市自然通 风潜力的的计算时段。
进一步，步骤四中，所述构建动态热湿适应模型，包括：
(1)将室内热湿环境作为非稳态环境，采用相对热指标RWI和热损失率 HDR对室内热湿环境进行评价；
(2)选取不同时间段计算RWI值和HDR值进行评价；其中，所述不同时 间段包括夏季、冬季和过渡季节；
(3)通过RWI、HDR指标反映舒适度情况。
进一步，步骤五中，所述筛选通风评价指标，包括：
(1)根据《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019、《民用建筑供暖通风与 空气调节设计规范》GB 50376-2012、《建筑通风效果测试与评价标准》JGJ/T 309-2013、《室内空气质量标准》GB/T 18883-2002的规范综合筛选出建筑自然 通风相关的规范要求；
(2)根据目标城市和目标建筑确定自然通风的地域性要求，筛选得到目标 城市建筑的自然通风效果的指标。
进一步，步骤六中，所述构建参数化设计模型，包括：
(1)在Rhino建模平台中利用Grasshopper中的电池块将建筑模型转化为 参数化信息模型；
(2)根据参数化模型的使用目的，确定建筑模型转化的具体参量；
(3)将建筑信息赋予到电池块中，建立参数化模型。
进一步，步骤七中，所述计算模拟分析，包括：
(1)使用基于Grasshopper平台的插件Butterfly进行自然通风模拟分析；
(2)依据建筑参数化信息模型，设定分析模型的进风口、出风口以及模拟 空间；
(3)根据目标城市的气象数据，设置分析模型的边界条件；其中，所述边 界条件包括进风口风速；
(4)根据模拟需求选择相应地湍流模型，并根据建筑工况设定网格密度和 计算平面以及迭代周期；
(5)采用基于grasshopper平台的Ladybug以及hoenybee插件对计算结果 进行可视化处理。
进一步，步骤八中，所述动态评价结果，包括：
(1)构建多目标评价体系，建立评价模型；
(2)确定评价内容：室内热舒适度以及建筑的的自然通风性能；
(3)确定不同评价内容的评价因子：室内热舒适度的评价因子为相对热指 标RWI和热损失率HDR；所述建筑自然性能的评价因子包括室内空气流速和空 气龄；
(4)确定不同评价内容的评价方法。
进一步，步骤九中，所述优化方案的必选与确定，包括：
(1)根据设计任务，以及不用的地域气候特征，提出初步的方案构思；
(2)根据自然通风潜力分析归纳出目标城市的非稳态边界；
(3)结合建筑模型的设计参数值域和非稳态边界进行自然通风迭代模拟计 算；
(4)通过多目标评价体系对目标方案进行评价；
(5)通过对多方案数据的对比，输出最终的最优方案。
本发明的另一目的在于提供一种实施基于气候适应性的自然通风参数化设 计与动态分析系统，包括：
自然通风潜力的评价模型获取模块，用于根据自然通风的原理，选择自然 通风潜力的计算模型；根据气候适应性特征，选取目标城市并提取相关气象参 数；选择计算时段，通过中性温度公式估算平均风速和舒适温度；选取自然通 风潜力的评价模型，计算目标城市建筑在适宜温度内全年可利用自然通风的小 时数以及有效性；
动态热湿适应模型构建模块，用于构建动态热湿适应模型，采用相对热指 标RWI和热损失率HDR对室内热湿环境进行评价，通过RWI、HDR指标反映舒 适度情况；
参数化模型筛选模块，用于构建参数化设计模型，将建筑模型转化为参数 化信息模型，确定建筑模型转化的具体参量，建立参数化模型；
计算模拟分析模块，用于进行自然通风模拟分析，设定网格密度和计算平 面以及迭代周期，并对计算结果进行可视化处理；
自然通风动态评价模块，用于通风评价指标筛选：筛选确定评价目标城市 建筑自然通风效果的评价指标；还用于动态评价结果，构建多目标评价体系， 建立评价模型，确定评价内容、评价因子以及评价方法，对建筑的自然通风效 果进行评价；
优化方案的必选与确定模块，用于通过多目标评价体系对目标方案进行评 价，对多方案数据的对比，输出目标城市建筑自然通风的最优方案。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所 述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于气候适应性的自然通风 参数化设计与动态分析方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
基于气候适应性的设计办法，解决了因地域差异性造成的自然通风设计目 标与实际通风效果偏差的问题，更能结合评价对象的地域气候条件进行有条件 的自然通风设计；
结合动态热舒适评价对自然通风效果进行评价，避免自然通风设计评价中 通风效果达到要求但是实际热感觉偏差的情况；
自然通风的参数化设计办法，能够使自然通风设计与建筑设计有一定的协 同性，避免传统自然通风设计滞后于建筑方案设计的现象，不仅能够缩减设计 周期还可以减少因软件之间协同性较差而产生的翻模等现象，从而减少设计资 源的浪费；
多目标动态评价方法：
多目标评价方法因为采取多个动态评价指标对自然通风效果进行评价，可 以在一定程度上避免因评价指标单一等原因造成的自然通风评价结果与实际项 目之间的偏差；其中动态评价包括了动态边界条件、动态评价指标，动态边界 条件避免了由于自然通风模拟中边界条件设置误差，造成的评价结果偏差；
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所 需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明 的一些实施例，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是本发明实施例提供的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态 分析方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态 分析方法原理图。
图3是本发明实施例提供的传统设计分析与评价流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于气候适应性的自然通风 参数化设计与动态分析方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于气候适应性的自然通风参数化设计 与动态分析方法包括以下步骤：
S101，根据自然通风的原理，选择自然通风潜力的计算模型；根据气候适 应性特征，选取目标城市并提取相关气象参数；选择计算时段，通过中性温度 公式估算平均风速和舒适温度；
S102，选取自然通风潜力的评价模型，计算目标城市建筑在适宜温度内全 年可利用自然通风的小时数以及有效性；
S103，根据自然通风的非稳态特性，归纳出非稳态自然通风的边界条件；
S104，构建动态热湿适应模型：采用相对热指标RWI和热损失率HDR对室 内热湿环境进行评价，通过RWI、HDR指标反映舒适度情况；
S105，通风评价指标筛选：筛选确定评价目标城市建筑自然通风效果的评 价指标；
S106，构建参数化设计模型：将建筑模型转化为参数化信息模型，确定建 筑模型转化的具体参量，建立参数化模型；
S107，计算模拟分析：进行自然通风模拟分析，设定网格密度和计算平面 以及迭代周期，并对计算结果进行可视化处理；
S108，动态评价结果：构建多目标评价体系，建立评价模型，确定评价内 容、评价因子以及评价方法，对建筑的自然通风效果进行评价；
S109，优化方案的必选与确定：通过多目标评价体系对目标方案进行评价， 对多方案数据的对比，输出目标城市建筑自然通风的最优方案。
在本发明中，图2是本发明实施例提供的基于气候适应性的自然通风参数 化设计与动态分析方法原理。图3是本发明实施例提供的传统设计分析与评价 流程。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
为了应对建筑自然通风的需求，本发明提出了一种建筑自然通风的设计办 法；传统的绿色建筑分析软件不仅操作复杂，且对绿色建筑的知识深度要求过 多，不利于设计人员进行绿色建筑正向设计，同时模拟分析软件不能和建筑设 计软件进行搭接，工作中往往会带来重复的建模工作，而导致了目前绿色建筑 设计的滞后性。而基于grasshopper平台的butterfly这一软件，成功的将分析软 件同建筑设计软件链接起来，通过对建筑模型的实时修改直接反馈模拟结果， 同时利用grasshopper软件直接对模型进行参数化处理，直接减少设计过程中反 复建模的工作量。
传统的建筑自然通风模拟是基于稳定的边界条件(风向、风速等)进行的， 但是就自然气候条件而言，自然风环境并不是一个稳定的状态，而是随着时间 不断变化的，可见在传统的建筑通风是和实际情况相违背的，所以本发明的建 筑自然通风模拟是以非稳态(动态)边界条件进行的；同时，传统的建筑自然 通风效果的评价模型单纯以换气次数作为评价内容，而通风效果并不能以单一 的标准认定；本发明建立了多目标评价模型，以动态评价参数对建筑自然通风 效果进行评价，其中包括动态热舒适度、室内风速面积比以及空气龄；通过多 目标迭代计算得到不同设计参数条件下建筑自然通风的模拟结果，通过多方案 数据对比和比选，选出最佳方案。
本发明为解决高层住宅设计中自然通风设计的难题，提出了一种高层住宅 自然通风的参数化设计方法和非稳态评价方法，本发明提供了以下技术方案：
一种基于气候适应性(高层住宅)自然通风参数化设计与动态(非稳态) 评价方法，包括以下步骤：
步骤1：根据自然通风的原理，选择自然通风潜力的计算模型。
步骤2：根据气候适应性特征，选取目标城市并提取相关气象参数，
步骤3：进行自然通风潜力分析，得到目标城市建筑在适宜温度内全年可利 用自然通风的小时数以及有效性；
步骤4：根据自然通风的非稳态特性，归纳出非稳态自然通风的边界条件。
步骤5：将室内热湿环境作为非稳态环境，采用相对热指标RWI热损失率 HDR对室内热湿环境进行评价；
步骤6：选取不同时间段(夏季、冬季和过渡季节)计算RWI、和HDR指 标，并进行评价；
步骤7：通过RWI、HDR指标反映舒适度情况；
步骤8：根据规范综合筛选出建筑自然通风相关的规范要求。
步骤9：根据目标城市和目标建筑进一步确定自然通风的地域性要求等；
步骤10：在rhino建模平台中利用grasshopper中的电池块将建筑模型转化 为参数化信息模型。
步骤11：根据参数化模型的使用目的，确定建筑模型转化的具体参量。以 高层住宅室内自然通风分析为例，将建筑设计阶段影响室内自然通风的参量转 化为参数化信息，从而通过Grasshopper中的电池块实现对模型的实时调节；
步骤12：将建筑信息赋予到电池块中，建立参数化模型；
步骤13：使用基于Grasshopper平台的插件Butterfly(基于CFD平台的Open Foam软件)进行自然通风模拟分析；
步骤14：依据建筑参数化信息模型，设定分析模型的进风口、出风口以及 模拟空间；
步骤15：根据目标城市的气象数据，设置分析模型的边界条件(进风口风 速等)；
步骤16：根据模拟需求选择相应地湍流模型，并根据建筑工况设定网格密 度和计算平面以及迭代周期：
步骤17：采用基于grasshopper平台的Ladybug以及hoenybee插件对计算 结果进行可视化处理。
步骤18：构建多目标评价体系，建立评价模型；
步骤19：确定评价内容：室内热舒适度以及建筑的的自然通风性能；
步骤18：确定不同评价内容的评价因子：室内热舒适度的评价因子为相对 热指标RWI和热损失率HDR；建筑的自然通风性能的评价因子为室内空气流速 面积比和空气龄；
步骤19：确定不同评价内容的评价方法；
步骤20：根据设计任务，以及不用的地域气候特征，提出初步的方案构思；
步骤21：根据自然通风潜力分析归纳出目标城市的非稳态边界；
步骤23：结合建筑模型的设计参数值域和非稳态边界进行自然通风迭代模 拟计算；
步骤24：通过多目标评价体系对目标方案进行评价；
步骤25：通过对多方案数据的对比，输出最终的最优方案。
实施例2
本发明一种基于气候适应性自然通风参数化设计与动态(非稳态)评价方 法，选择位于夏热冬冷地区的武汉市为气候背景，将高层住宅室内自然通风设 计与评价作为对象；
步骤1：提取武汉市的气象数据并选择计算时段，通过经验公式估算平均风 速；选取自然通风潜力的评价模型，计算武汉市的自然通风小时数以及有效性， 并归纳出自然通风的非稳态边界条件；
步骤2：将建筑的室内热湿环境作为非稳态环境，采用相对热指标RWI和 热损失率HDR对室内热湿环境进行评价；
步骤3：确定评价武汉市高层住宅室内自然通风效果的评价指标；
步骤4：在Rhino建模平台中利用Grasshopper中的电池块将建筑模型转化 为参数化信息模型，将建筑设计阶段影响室内自然通风的参量转化为参数化信 息；
步骤5：使用基于Grasshopper平台的插件Butterfly(基于CFD平台的Open Foam软件)进行自然通风模拟分析；
步骤6：构建多目标评价体系，建立评价模型，确定评价内容、评价因子以 及评价方法对建筑的自然通风效果进行评价；
步骤7：通过对多方案数据的对比，输出武汉市高层住宅自然通风的最优方 案。
所述步骤1具体为：提取ChinaTMY2数据库中武汉地区典型气象年数据作 为分析依据并选择计算时段，选择夏热冬冷地区的中性温度公式估算舒适温度； 结合典型气象年数据估算每个月的过热时数，并结合月累计空调度时以及月累 计采暖度日计算武汉市的自然通风小时数约为2985h；结合武汉市自然通风潜力 的分析结果总结归纳武汉市高层住宅自然通风模拟的动态边界条件风速的变化 范围0.8m/s—2.6m/s。
所述步骤2具体为：将室内热湿环境作为非稳态环境，采用相对热指标RWI 和热损失率HDR对室内热湿环境进行评价；选取不同时间段(夏季、冬季和过 渡季节)计算RWI、和HDR指标，并进行评价，通过RWI、HDR指标反映舒 适度情况。
所述步骤3具体为：《建筑通风效果测试与评价标准》JGJ/T 309-2013、《室 内空气质量标准》GB/T 18883-2002、住宅设计规范》GB 50096-2011、《湖北省 低能耗居住建筑节能设计标准》DB42/T 559-2013、《夏热冬冷地区居住建筑节 能设计标准》JGJ 134-2010等规范综合筛选出武汉市高层住宅建筑自然通风相关 的规范要求，并确定高层住宅自然通风的评价指标为：室内空气流速面积比以 及空气龄。
所述步骤4具体为：以武汉市高层住宅自然通风模型为例，在Rhino建模 平台中的Grasshopper中将建筑模型转化为电池块，同时将建筑设计中影响自然 通风的设计参量洞口高度、洞口宽度以及洞口面积转化为参数化信息即电池块 从而实现对模型的实时调节。详情见附图1；根据《民用建筑设计通则》
GB50352-2019、《民用建筑设计统一标准》GB50096-2011、《住宅建筑规范》 GB50368-2011总结出的设计参量的值域，分别为洞口高度(0-900mm)、洞口 的宽度为开间宽度的1/3-2/3，洞口面积为室内地面面积的15％-20％，模数分别 为300mm、1/6和1/40具体见表1；
表1建筑模型设计参数
Figure BDA0003076224190000131
所述步骤5具体为：选取武汉市一高层住宅为例，将武汉市高层住宅建筑 信息模型拾取为butterfly surface，同时设定建筑分析建筑模型的进风口 inlet-boundary、出风口outlet-boundary以及模拟空间room，同时根据前文总结 出的武汉市的气象数据，设置分析模型的动态边界条件(进风口风速等)；连 接butterfly geometry的电池块创建openfoam case，并进行meshing处理；选择 solution的湍流模型，并根据武汉市高层住宅建筑工况设定网格密度(单位为m， 网格密度过小会增加计算机模拟的负担)和计算平面以及迭代周期(结合《建 筑通风效果测试与评价标准》设定迭代周期为1000)，并设定计算机模拟的内 容风速、风向以及风压；最后采用基于Grasshopper平台的Ladybug以及Hoenybee插件对计算结果进行可视化处理result visuallzation。
所述步骤6具体为：构建多目标评价体系，建立评价模型如附图2；确定评 价内容：室内热舒适度以及建筑的自然通风性能；确定不同评价内容的评价因 子：室内热舒适度的评价因子为相对热指标RWI和热损失率HDR；建筑的自然 性能的评价因子为室内空气流速和空气龄；结合步骤3所述的相关规范确定不 同评价内容的评价标准；人员活动区域的风速应在0.3m/s-0.8m/s；
所述步骤7具体为：根据武汉市高层住宅的参数化模型，合理调节各项设 计参数，输出不同的设计方案；然后将不同的设计方案在风速分别为0.8m/s、 1m/s、1.2m/s、1.5m/s、2.0m/s以及2.6m/s的条件下进行自然通风数值模拟，根 据《建筑通风效果测试与评价标准》JGJ/T 309-2013在每个主要功能房间(卧室、 起居室)布置一个测点，根据计算机模拟结果提取相应的数据，结合步骤6所 述的评价标准对的设计方案进行自然通风效果评价；若室内空气流速以及空气 龄的评价结果达标，则输出相应地设计方案，若仅有单个评价指标或者多个评 价指标均不满足要求，则回到步骤3对模型进行调节后继续进行相应计算，直 至所有评价指标满足相关要求。最终结合通过多目标评价体系对目标方案进行 评价，对多方案数据进行比对，认为当窗台高度为600mm时，窗户宽度为房间 宽度的2/3，窗户面积为房间地板面积的20％时通风效果最佳，且同一方案在不 同的边界下自然通风效果并不相同，在一定范围内边界风速越大，室内空气流 速越高，空气龄越小。多目标评价体系见表2。
表2多目标评价体系
Figure BDA0003076224190000141
下面结合涉及的运算公式对本发明的技术方案作进一步描述。
(1)中性温度Tn＝at0+b，其中，Tn为中性温度即为室内人体的最佳舒适温 度，单位为℃；t0为月平均温度。
我国不同气候区中性温度公式如下：
严寒地区：Tn＝0.121*t0+21.488(16.3＜Tn＜26.2)R＝0.80405
寒冷地区：Tn＝0.271*t0+20.014(15.8＜Tn＜29.1)R＝0.89458
夏热冬冷地区：Tn＝0.326*t0+16.862(16.5＜Tn＜27.8)R＝0.90701
夏热冬暖地区：Tn＝0.554*t0+10.578(16.2＜Tn＜28.3)R＝0.97325。
在自然通风条件下，90％的人群可接受的最高室内舒适温度为Tnmax，可以 接受的最高室内舒适温度为Tmmax，得到公式如下：
Tnmin＝Tn-2.5(℃)
Tmmax＝Tn+2.5(℃)
当风速处于0.1～2.1m/s时，风速和中性温度的关系可以表现为以下形式；
Figure BDA0003076224190000151
其中，Tv是在风速作用下的在中性温度基础上增加的温度值(℃)；v为风 速(m/s)；
当采用自然通风作为建筑通风换气的手段时，室内湿度不超过70％，当建 筑室内的空气温度超过70％的时候，相对湿度每增加10％，约等于可接受的室 内的空气温度降低0.4℃，即室内温度升高0.4℃；
Figure BDA0003076224190000152
其中，ΔH是指室内空气相对湿度超过70％的部分的湿度值；
Figure BDA0003076224190000153
则是日平均 相对湿度；
Figure BDA0003076224190000154
其中，Th即是室内温度随着相对湿度增加而升高的部分；
当采用自然通风的方式为通风手段时，建筑室内的舒适温度受风速、空气 温度影响，此时室内可接受的舒适温度即为Tnmax+Tv-Th。
(2)ChinaTMY2(Typical Meteorological Year)气象数据库
以武汉地区为例，展示部分气象数据，其中Mon为月份，T0为月平均温度， 单位为℃，Tn为中性温度，单位为℃，如下表3所示；
表3月中性温度
Figure BDA0003076224190000161
提取武汉市的典型气象年数据：
武汉(经度114.133E,纬度30.62N,海拔23m)。
符号意义：MON—月；DAY—日；HOUR—时(北京时间)；LOCT—时(地 方标准时)；TEM—干球温度(℃)；RH—相对湿度(％)；X—含湿量(0.1G/KG)； TH—水平面太阳总辐射(W/㎡)；NR—法向直射(W/㎡)；DF—水平面散射(W/ ㎡)；WD—风向(16方位，北北东为1)：WS—风速(M/S)；CC—总云量(成)； AZ—太阳高度角(度)；999表示日出之前；HT—太阳方位角(度)；0表示日 出之前：AP—气压(hPa)。
下表4只展示部分，其中具体数据请查询《建筑用标准气象数据手册》张 晴原著，中国建筑工业出版社出版；
表5武汉市典型年气象数据
Figure BDA0003076224190000162
(3)RWI相对热指标计算公式如下
Figure BDA0003076224190000171
Figure BDA0003076224190000172
其中，P为水蒸气压力，单位为Pa；M为新陈代谢率，单位为W/㎡；式中 的㎡是人体皮肤面积；τ为过渡空间中所处时间，单位为s；Icw服装热阻，单位 为clo；t为空气温度，单位为℃；(t-35)为人在感觉到热不适之前干球温度和 平均皮肤温度的值，单位为℃；R为单位皮肤面积的平均辐射得热，单位为W/ ㎡。
式中的新陈代谢率、服装热阻和相对风速可以参照下表4；
表4 RWI的计算参数
Figure BDA0003076224190000173
RWI与ASHRAE的标度关系如下表6所示；
表6指标分度
Figure BDA0003076224190000181
(4)
HDR热损失率的单位为W/㎡，其表达式如下，
Figure BDA0003076224190000182
其中，D为热债，单位为KJ/㎡；Δτ为人体在环境中的暴露时间，单位为s； M(τ)为人体经历不同建筑环境的新陈代谢比率，单位为W/㎡；τ为经历不同环境 耗费的时间，单位为s；t为环境干球温度，单位为℃；R为人体皮肤每单位表 面积的平均辐射得热，单位为W/㎡；Icw(τ)为服装热阻，单位为clo。
根据可能出现的情况，包括人体的活动状态以及由于身体排汗的原因导致 服装湿润等，在已知人员活动状态时，可以通过热阻线性插值估算，其表达式 如下，
Icw2(τ)＝Icw1(τ)+0.246(v1-v2)。
上式中，v1和v2为在该活动状态下等效行走的速度，单位为m/s：
Figure BDA0003076224190000183
Ia为服装热阻，单位为clo；Va为人体在运动状态下产生的诱导风速；
当人从一种空间过渡到另一个空间时，需要至少6分钟的时间人体的新陈 代谢水平以及人员服装热阻才能达到稳定水平。此时，新陈代谢录率以及服装 热阻与时间呈线性关系，表达式如下；
当τ＜360s，
Figure BDA0003076224190000191
当τ＜360s；
Figure BDA0003076224190000192
当τ＜360s；
当τ≥360s
M(τ)＝M2，当τ≥360s；
Icw(τ)＝Icw2，当τ≥360s；
其中，M1和M2分别为过渡状态下，人体在起始时间与终止时间下的新陈代 谢率，单位为W/m2；同上，Icw1和Icw2也为该状态下，起始于终止时间下的服装 热阻，单位为clo；τ为人在过渡时间中直至状态改变为止经历的时间，单位为 s。其中新陈代谢率以及服装热阻的数值可以参见标准规范选取。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法，其特征在于，所述基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法包括：
结合自然通风的原理，获取自然通风潜力的计算模型；根据气候适应性特征，选取目标城市并提取相关气象参数；选择计算时段，通过中性温度公式估算平均风速并得出舒适温度；
获取自然通风潜力的评价模型，计算目标城市建筑在适宜温度内全年可利用自然通风的小时数以及有效性；
根据自然通风的非稳态特性，归纳出非稳态自然通风的边界条件；
构建动态热湿适应模型：采用相对热指标RWI(Relative Warmth Index)和热损失率HDR(Heating Deficit Rate)对室内热湿环境进行评价，通过RWI值和HDR指标反映舒适度情况；
通风评价指标筛选：筛选确定评价目标城市建筑自然通风效果的评价指标；
构建参数化设计模型：将建筑模型转化为参数化信息模型，确定建筑模型转化的具体参量，建立参数化模型；
计算模拟分析：利用计算模拟分析软件进行自然通风模拟分析，设定网格密度和计算平面以及迭代周期，并对计算结果进行可视化处理；
动态评价结果：构建多目标评价体系，建立评价模型，确定评价内容、评价因子以及评价方法，对建筑的自然通风效果进行评价；
优化方案的必选与确定：通过多目标评价体系对目标方案进行评价，对多方案数据的对比，输出目标城市建筑自然通风的最优方案。
2.如权利要求1所述的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法，其特征在于，所述选择计算时段，通过经验公式估算平均风速并得出舒适温度，包括：
(1)提取ChinaTMY2数据库中目标城市典型气象年数据作为分析依据；
(2)通过经验公式对目标城市的平均风速进行处理，同时计算得出舒适温度，确定目标城市自然通风潜力的计算时段。
3.如权利要求1所述的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法，其特征在于，步骤四中，所述构建动态热湿适应模型，包括：
(1)将室内热湿环境作为非稳态环境，采用相对热指标RWI和热损失率HDR对室内热湿环境进行评价；
(2)选取不同时间段计算RWI值和HDR进行评价；其中，所述不同时间段包括夏季、冬季和过渡季节；
(3)通过RWI值和HDR指标反映舒适度情况。
4.如权利要求1所述的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法，其特征在于，所述筛选通风评价指标，包括：
(1)筛选出建筑自然通风相关的规范要求；
(2)根据目标城市和目标建筑确定自然通风的地域性要求，筛选得到目标城市建筑的自然通风效果的指标。
5.如权利要求1所述的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法，其特征在于，所述构建参数化设计模型，包括：
(1)在Rhino建模平台中利用Grasshopper中的电池块将建筑模型转化为参数化信息模型；
(2)根据参数化模型的使用目的，确定建筑模型转化的具体参量；
(3)将建筑信息赋予到电池块中，建立参数化模型。
6.如权利要求1所述的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法，其特征在于，所述计算模拟分析，包括：
(1)使用基于Grasshopper平台的插件Butterfly进行自然通风模拟分析；
(2)依据建筑参数化信息模型，设定分析模型的进风口、出风口以及模拟空间；
(3)根据目标城市的气象数据，设置分析模型的边界条件；其中，所述边界条件包括进风口风速等；
(4)根据模拟需求选择相应地湍流模型，并根据建筑工况设定网格密度和计算平面以及迭代周期；
(5)采用基于grasshopper平台的Ladybug以及honeybee插件对计算结果进行可视化处理。
7.如权利要求1所述的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法，其特征在于，所述动态评价结果，包括：
(1)构建多目标评价体系，建立评价模型；
(2)确定评价内容：室内热舒适度以及建筑的自然通风性能；
(3)确定不同评价内容的评价因子：室内热舒适度的评价因子为相对热指标RWI和热损失率HDR；所述建筑自然通风性能的评价因子包括室内空气流速和空气龄；
(4)确定不同评价内容的评价方法。
8.如权利要求1所述的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法，其特征在于，所述优化方案的必选与确定，包括：
(1)根据设计任务，以及不用的地域气候特征，提出初步的方案构思；
(2)根据自然通风潜力分析归纳出目标城市的非稳态边界；
(3)结合建筑模型的设计参数值域和非稳态边界进行自然通风迭代模拟计算；
(4)通过多目标评价体系对目标方案进行评价；
(5)通过对多方案数据的对比，输出最终的最优方案。
9.一种实施如权利要求1～8任意一项所述基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析系统，包括：
自然通风潜力的评价模型获取模块，用于根据自然通风的原理，选择自然通风潜力的计算模型；根据气候适应性特征，选取目标城市并提取相关气象参数；选择计算时段，通过中性温度公式估算平均风速以及舒适温度；选取自然通风潜力的评价模型，计算目标城市建筑在适宜温度内全年可利用自然通风的小时数以及有效性；根据自然通风的非稳态特性，归纳出非稳态自然通风的边界条件；
动态热湿适应模型构建模块，用于构建动态热湿适应模型，采用相对热指标RWI和热损失率HDR对室内热湿环境进行评价，通过RWI值和HDR指标反映舒适度情况；
参数化模型筛选模块，用于构建参数化设计模型，将建筑模型转化为参数化信息模型，确定建筑模型转化的具体参量，建立参数化模型；
计算模拟分析模块，用于进行自然通风模拟分析，设定网格密度和计算平面以及迭代周期，并对计算结果进行可视化处理；
自然通风动态评价模块，用于通风评价指标筛选：筛选确定评价目标城市建筑自然通风效果的评价指标；还用于动态评价结果，构建多目标评价体系，建立评价模型，确定评价内容、评价因子以及评价方法，对建筑的自然通风效果进行评价；
优化方案的必选与确定模块，用于通过多目标评价体系对目标方案进行评价，对多方案数据的对比，输出目标城市建筑自然通风的最优方案。
10.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1～8任意一项所述的基于气候适应性的自然通风参数化设计与动态分析方法。
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