面向設計初期的建筑節能優化方法

張姬

[摘要]設計初期的建筑方案決策在建筑能耗和物理環境性中扮演著重要的角色，由于設計進程的不斷壯大和發展，建筑節能和物理環境相關的性能可供調整的東西變少，但是成本不斷的增加且收益不斷減少。此文重點介紹了在辦公建筑方面找到的方案設計初期的節能優化措施，鞏固和調整創新設計初期建筑提前準確的預測能耗，使得各種建筑體型空間平面造型參數可以朝著優化的方向發展，且找到在建筑空間平面模型方面符合的類型、天然采光、熱體形系數、日照陰影等一系列因素不斷發展。在這種情況下，對設計初期建筑節能優化方面，通過正向計算和反向優化流程不斷進行，了解立案，找出怎樣才能從整體上減少能耗，對建筑體型、空間方案獲得反向設計優化進行了深入的研究，利用熱體形系數作為代表，了解怎樣對單一被動式性進行調整。

[關鍵詞]設計初期；節能參數化設計；性能目標；能耗預測模型

文章編號：2095-4085（2016）05-0037-02

建筑能耗性能很關鍵的一個環節，其是在建筑設計階段通過了解國內外的調查和很多的實際工程獲得的數據。大于30%的節能潛力是通過建筑方案設計階段進行的。進行建筑設計的時候，設計初期對于建筑形態來說至關重要，通過了解IEAAN-NEX30項目“模擬技術在建筑環境系統的應用”，建筑的環節可以有方案設計、初步設計、詳細設計、設備招標、施工和調試、運行管理和建筑改造階段。設計初期是所有環境的基礎，基礎打不好直接影響建筑性能，在整體上有非常重要的地位，在建筑設計中使整個設計的技術發揮一切可行手段，使得建筑體型空間平面方案可以獲得更新發展。在這個環節，建筑形體、空間、表皮等參數都是固定的，這類設計參數也非常關鍵，常被建筑師重視，這類參數也直接阻礙了建筑能耗和自然通風、天然采光等物理環境性能的發展。

1.建筑能耗數學模型的建立-9優化

1.1建筑能耗模型

建筑能耗模型是通過空調供暖能耗和照明能耗兩個模塊構成的。進行空調供暖能耗計算時，可以將圍護結構負荷計算模塊作為基點，分析理解空調系統設備效率，發現其所獲取的照明能耗模塊是通過結合天然采光的照明能耗模型和中庭采光模型組合而成的。

1.2優化算法

建筑總能耗要符合度目標函數，此文利用了自動反向尋優的遺傳算法來進行建筑方案的調整，獲得了符合能耗最低的種種建筑空間幾何參數、維護結構熱工性能以及空調供暖照明系統參數的最合理的構成。我們的目的是調整局部最優解，而不是整體最優解的問題，此文解決了多島遺傳算法的缺陷。多島遺傳算法最先是一個初始值，等獲取了初步優化解，經過變異、遷徙，可以通過新的初始點進行遺傳操作，經過重復的操作，防止出現早熟現象，確保了優化解的種類，從而更加促進全局最優解的發展。與傳統遺傳算法相比，多島遺傳算法能夠大大提高工總效率。通過將建筑總體能耗作為符合度函數，使用的解決措施設定了35個設計目標參數，任何一個參數都在遺傳個體序列上擁有一個位置，與不同類型參數的特點做比較，獲得的最優編碼有A，B，c3，編碼方式A，是引用比例因子開展編碼，編碼方式B通過引用對應某種指定形式的整數繼而展開編碼，編碼方式c，使用“0”，“1”開關開展編碼.通過最低能耗約束背景下，制定完善的建筑規范能夠使的整個設計目標參數組合成基因序列（含數值大?。缓罄貌糠钟脩舻囊髞硪幎▍?

1.3算法拓展

在實際建筑設計進行時，與建筑空間、體型、平面設計相關的被動式性能都要相符合，比如自然采光、自然通風、建筑與太陽輻射和大氣環境之間的熱交換特性等一系列方式，突出了天然采光計算、熱體形系數計算、日照陰影工具等新方式。其中的這3個新模塊與建筑能耗預測模型和遺傳優化算法的模塊是相互隔離的。

（1）天然采光計算

可以利用天然采光模擬軟件Radiance計算速度快、準確性高、開源性好等一系列優點，本文借鑒了Radiance來進行建筑內部天然采光計算，當下可以準確獲取建筑內部工作平面高度所需要的采光系數和照度指標的計算，用戶可以利用建筑草圖繪制軟件Sketchup模擬幾何模型，繼而可以算出天然采光性能指標，可以不進行重復建模輸出模擬，大大的提高了效率，然后將Radiance與遺傳優化算法融合在一起，利用采光最優作為一個目標，反向找出最好的方法。

（2）熱體形系數計算

熱體形系數（簡稱TSC）的重點是圍護結構貢獻的單位建筑面積全年所獲取的負荷BEQ（單位：kWh/m2），體形系數的內容是建筑外表面積與體積比值，其可以展現建筑的幾何特征，進行熱體形系數計算式，可以使用權重因子入來獲得不同朝向外表面的不同，從整體上要對建筑造型、平面布局、窗墻比與熱工參數進行分析。另外，引用熱體形系數可以獲取供冷季圍護結構獲得的熱量。通常情況熱體形系大于0，展現的是整個空調季圍護結構，其獲得熱居多。在極特殊的狀況下熱體形系數會小于0，其展現了空調季圍護結構散熱多的特點。因此，進行調整方案優化的時候，利用計算熱體形系數解決方式，對兩種方案的熱特性進行判斷，進而進行方案篩選。與體形系數做比較，熱體形系數可以直接展現出建筑造型、平面布局、窗墻比和所有熱工參數如何阻礙了建筑熱性能，計算較方便快捷，可以迅速的獲取每個方案的熱性能的不同，用戶可以方便的利用計算結果對方案進行更新，因此此文引用了熱體形系數計算方法，其可以更好的促進設計初期方案比選以及不同建筑方案被動式性能的發展。

（3）照陰影工具的開發

此文創新了日照陰影計算工具，可以利用建筑基本體塊和周邊建筑遮擋來獲取每個每刻建筑表面的陰影。通常情況下，傳統的陰影計算工具會有求交計算，計算困難，不方便，但是此文所創新的日照工具利用了ShadowMap計算方法，使得計算速度加快，也可以利用此模塊來獲取建筑表面輻射及太陽輻射所獲取的熱量，存儲到建筑能耗總體中，繼而確保了建筑能耗預測模型的準確.

2.應用及討論

2.1

建筑節能優化設計的關鍵問題

建筑節能優化能夠發展，在設計中需要處理兩個問題。（1）怎樣找出更多建筑節能設計合理方案。針對此問題，利用調整的建筑設計過程的方法，可以最早的將建筑設計每個環節融入節能設計的理念，增強意識、創新技術措施。（2）問題重點是怎樣才能夠在建筑設計的每個階段合理的與節能設計相符合。對于建筑設計每個環節，更新出幫助計算機計算的設計工具。建筑設計系統（IBDS）及其決策支持系統對這個問題有很大幫助，當有了計算機輔助設計工具的時候，工作人員的交流和探討也對這個問題有很大的幫助。

2.2對建筑節能優化設計方法的討論

我國城市化進程加快，房屋建設的面積不斷增大，其還沒有一個完善的建筑節能設計進行計算機輔助設計，因此阻礙了建筑進行建筑節能優化設計的發展。通過不同類型的建筑進行分析，對擁有很多相似的建筑形式的建筑，比如說住宅，其不但要進行建筑節能設計規定，還要利用水平高的商業化模擬軟件，對當地氣候進行了解，分析各方面的阻礙因素和節能設計方案來對建筑使用時間性能進行準確預測，在這種情況下，可以對特殊地區進行建筑節能優化設計指導。Garde設計師為了適應濕熱氣候因素，對建筑進行了個性化的設計，但擁有顯著的個體特點的公共建筑，要在建筑設計時的任何一個環節中借鑒建筑節能設計的意識和技術措施，利用可以使用的計算機輔助設計工具，讓建筑節能設計的優化得到更好的發展。

3.結語

此文分析了對于建筑總體能耗的提前快速測算，使得建筑空間平面體型更加符合建筑節能設計要求，創新了熱體形系數、天然采光和日照陰影工具等一系列方式，制定了比較完善的對于建筑初期的辦公建筑節能優化的計算順序。希望此文能夠對建筑設計有所啟發，使得方案的優化可以得到良好的發展。另外，還分析了解了反向優化的思路，其內容是在很多設計參數不明晰的情況下，利用能耗或單一性能作為主要參數，其可以利用遺傳優化方法進行尋優，獲得最好的建筑設計方案，進而促進建筑方案多樣性和節能性的不斷發展.