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基于能耗和光热性能的严寒地区高层住宅建筑多目标优化思考

日期:2024年05月07日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:68
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202405041041536736 论文字数:63566 所属栏目:建筑学论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇建筑学论文,本研究通过对呼和浩特市总体的住宅项目进行调查,对影响建筑总能耗、采光性能和室内热舒适度的各种设计参数进行了全面分析。

第一章绪论

1.1研究背景

当前,我国建筑行业正逐步从新增长向存量发展转变,同时,随着人民生活水平的不断提升,城市居民对于建筑居住环境的要求也日益增高。在这个背景下,如何运用科技创新手段满足人们日益增长的物质和精神需求,以及如何通过更合理的建筑设计方案优化对外部环境的适应性,已经成为我们亟待解决的重要课题。

1.1.1 严寒地区高层住宅建筑性能优化必要性

在我国的北方地区,尤其是严寒地区,寒冷的冬季长达数月,雪量大,气温低。面对这种气候条件,人们需要大量的传统能源来进行暖气、照明等方面的供应。如果没有经过性能优化的高层住宅建筑无法保证建筑物内部的保温性能,热量会更快流失,耗能会更大,建筑的能源效率会降低。高层住宅建筑的性能优化显得尤为重要。

严寒地区的供暖和保温成本很高。根据能源结构统计数据,东北地区能源使用中燃煤占比约为65%,石油占比约为25%,化肥企业废弃热能等在内的清洁能源占比约为10%。另外,由于严寒地区交通不便,供应能源的成本也很高。严寒地区由于天气严寒,需要大量能源供暖和保温。高层建筑能源消耗更为明显,所以必须进行能源优化,降低整个建筑的能源成本。

在严寒地区,阳光较少,采光不足会影响室内环境的舒适度和质量。因此,高层住宅的设计要考虑采光,利用自然光可以提高建筑的舒适度和节能效果。采光是影响室内光照和温度的重要因素,充足的自然采光可以为高层住宅的舒适性和人体健康产生积极的影响。因此,在设计过程中应充分考虑采光的问题,根据不同的朝向和高度,合理选用窗户、明窗等建筑元素,尽量使自然光通过建筑物进入室内。

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1.2研究意义与目的

1.2.1研究意义

(1)理论意义

利用可视化编程平台Grasshopper,可以建立参数化信息模型。同时,运用Ladybug和Honeybee进行能耗以及光热性能模拟,并应用Octopus模块进行多目标优化,弥补国内对于多目标优化研究的不足,推进可持续发展理念在建筑行业的应用,使得建筑师可以更全面地考虑建筑的性能和可持续性,加强设计阶段多性能问题的权衡思考与影响,进一步提高我国建筑的能源效率、舒适性和可持续性水平。

(2)实践意义

构建了面向严寒地区的多目标优化流程,并完成了严寒地区高层住宅建筑单目标和多目标优化实验。在此基础上总结出了适用于严寒地区高层住宅建筑设计的有效策略,并进行了设计实践,进一步验证了实验方法和设计策略的可信性,为未来严寒地区高层住宅建筑的实际设计项目提供了设计策略和优化方法参考。

1.2.2研究目的

(1)建立严寒地区高层住宅建筑的多目标优化设计流程,包括模拟工具的选择、标准模型的生成、联合模拟平台构建、模拟结果处理等系列流程。 

(2)通过性能模拟实验设计参量对性能指标的影响,进行相关性分析,并提出针对严寒地区高层住宅建筑的被动设计组合策略。

第二章 建筑性能多目标优化理论分析

2.1建筑性能评价指标

2.1.1国内外绿色建筑评价体系

绿色建筑评价体系是对建筑物在节能、环保、可持续等方面的综合评价,各国体系立足点一致,旨在指导建筑设计、提供量化目标。这些体系因行业与技术发展日益严谨,逐步加强对资源、气候及建筑本体节能的重视。虽为后评估体系,却涵盖建筑全生命周期,提出明确评价指标与标准。主要国内外绿色建筑评价体系包括中国绿色建筑评价标准(GB/T 50378-2019)、美国LEED评价体系、英国BREEAM评价体系、德国DGNB评价体系及澳大利亚Green Star评价体系。这些体系为建筑设计决策提供具体易于实施的方案。

绿色建筑评价体系是对建筑物在节能、环保、可持续发展等方面的综合评价。中国绿色建筑评价标准(GB/T 50378-2019)是中国官方推出的绿色建筑评价体系,主要考察建筑物在节能、环保、宜居等方面的继续发展。分为一星级、二星级、三星级,其中三星级为最高等级。评价内容由安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居5类指标组成[64]。LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)是由美国绿色建筑委员会(USGBC)开发的绿色建筑评价体系,是全球应用最广泛的绿色建筑评估体系之一。LEED评价体系包括不同版本的评价指南,应用于不同类型的建筑项目,如:新建与重建建筑、绿色建筑改造、内部装修等。评价内容包括:可持续场地、水资源利用、能源与大气、材料与资源、室内环境质量等五大类,评分等级分为认证、银级、金级、铂金级四个等级。BREEAM(Building Research Establishment Environmental Assessment Method)是由英国建筑研究院(BRE)于1990年推出的世界上第一个绿色建筑评价体系。BREEAM评价体系涵盖多种建筑类型,如住宅、办公、教育、工业、医疗等。评价内容包括:管理、健康与舒适、能源、交通、水资源、材料、废物、生态、污染等九大类,评分等级分为:被动、良好、非常好、优秀、卓越五个等级。DGNB(德国可持续建筑协会)评价体系是由德国可持续建筑协会于2007年推出的绿色建筑评价体系。DGNB评价体系覆盖了不同类型的新建和改建建筑项目,如:住宅、办公、商业、工业、教育、文化等。

2.2联合模拟平台

2.2.1 Radiance

Radiance始于1984年,是由美国劳伦斯伯克利国家实验室(Laurence Berkeley National Laboratory,LBNL)开发的基于物理真实模拟的光环境软件,Radiance是采用C语言编写的,支持跨平台运行,包括Windows、Mac和Linux操作系统。它采用物理建模方法,结合蒙特卡洛光线追踪技术,能够生成高度真实的图像,有着广泛的应用,包括建筑照明设计、能源消耗分析和环境研究等,能够精确模拟自然光和人工光源下的光环境。其核心算法使用随机蒙特卡洛抽样和反向光线追踪技术,实现较高的计算准确性。这款软件在国际光学研究领域中被认为是能够较为准确地模拟空间光环境的软件之一。

Radiance的主要功能包括:基于辐射度的方法进行光照模拟,能够精确计算反射、折射和透射等光学现象,为用户提供真实世界的照明效果;利用蒙特卡洛方法对光线传播进行随机抽样,可有效处理复杂的光线路径和射程,保证模拟结果的准确性;支持多核处理器和分布式计算,能够充分利用计算资源,大大减少模拟时间,提高工作效率;提供了丰富的材质和光源类型,用户可以根据实际需求进行选择和定义,满足各种设计场景的要求;支持多种图像格式和数据类型的输出,可以进行色彩校正、明暗对比等后处理,生成高质量的图像和报告;可以与其他建筑和照明设计软件(如AutoCAD、SketchUp、Rhino等)进行数据交互,方便用户进行建模和分析。此外,Radiance还提供了丰富的API和脚本接口,可以实现功能的定制和扩展。

目前,国内研究多使用 Radiance 进行室内自然采光照度、采光系数以及不 舒适眩光指数 DGI 等指标的模拟计算。

第三章 严寒地区典型高层住宅模型构建 ......................... 25

3.1 严寒地区气候特征 ............................. 25

3.1.1 我国气候分区 ................................... 25

3.1.2 严寒地区基本气候特征 .................... 25

第四章 基于能耗及光热环境的高层住宅优化研究 ............................ 42

4.1 相关边界条件设置 ......................... 42

4.1.1 几何模型 ............................ 42

4.1.2 优化目标 .............................. 43

第五章 严寒地区高层住宅建筑设计策略与设计实践 ........................ 73

5.1 窗口设计策略 ................................... 73

5.1.1 窗户玻璃类型 ................................ 73

5.1.2 窗高 ................................ 78

第五章 严寒地区高层住宅建筑设计策略与设计实践

5.1窗口设计策略

5.1.1窗户玻璃类型

在本文研究过程中,选用了10种不同的窗户玻璃类型以深入研究能耗、光环境和热环境性能。这些玻璃类型包括双层透明玻璃/中空、单Low-E双层透明玻璃/中空(高透光)、单Low-E双层透明玻璃/中空(中透光)、单Low-E双层透明玻璃/中空(低透光)、双Low-E双层透明玻璃/中空、双Low-E双层有色玻璃/中空、双Low-E双层有色玻璃/充氩气、三层有色玻璃/双中空、三层有色玻璃/双充氩气以及三Low-E三层有色玻璃/双充氩气。

通过对不同玻璃类型进行了的模拟实验。模拟结果显示了每种玻璃类型在能耗、光环境和热环境方面的性能表现。通过对各项性能指标的综合分析和比较认识到了不同玻璃类型在高层住宅建筑设计中的优劣势。

基于实验结果和分析,为高层住宅建筑设计师提供了一套具有针对性的窗户玻璃类型选择指南。通过采用适当的窗户玻璃类型,设计师们可以更好地把握能源效率、热舒适度和自然采光等多重目标,从而在实际项目中实现环保、节能的设计目标。

玻璃作为建筑的重要组成部分,在建筑能耗EUI、有效天然光照度UDI100-20