面向设计初期的建筑节能优化方法

张姬

[摘要]设计初期的建筑方案决策在建筑能耗和物理环境性中扮演着重要的角色，由于设计进程的不断壮大和发展，建筑节能和物理环境相关的性能可供调整的东西变少，但是成本不断的增加且收益不断减少。此文重点介绍了在办公建筑方面找到的方案设计初期的节能优化措施，巩固和调整创新设计初期建筑提前准确的预测能耗，使得各种建筑体型空间平面造型参数可以朝着优化的方向发展，且找到在建筑空间平面模型方面符合的类型、天然采光、热体形系数、日照阴影等一系列因素不断发展。在这种情况下，对设计初期建筑节能优化方面，通过正向计算和反向优化流程不断进行，了解立案，找出怎样才能从整体上减少能耗，对建筑体型、空间方案获得反向设计优化进行了深入的研究，利用热体形系数作为代表，了解怎样对单一被动式性进行调整。

[关键词]设计初期；节能参数化设计；性能目标；能耗预测模型

文章编号：2095-4085（2016）05-0037-02

建筑能耗性能很关键的一个环节，其是在建筑设计阶段通过了解国内外的调查和很多的实际工程获得的数据。大于30%的节能潜力是通过建筑方案设计阶段进行的。进行建筑设计的时候，设计初期对于建筑形态来说至关重要，通过了解IEAAN-NEX30项目“模拟技术在建筑环境系统的应用”，建筑的环节可以有方案设计、初步设计、详细设计、设备招标、施工和调试、运行管理和建筑改造阶段。设计初期是所有环境的基础，基础打不好直接影响建筑性能，在整体上有非常重要的地位，在建筑设计中使整个设计的技术发挥一切可行手段，使得建筑体型空间平面方案可以获得更新发展。在这个环节，建筑形体、空间、表皮等参数都是固定的，这类设计参数也非常关键，常被建筑师重视，这类参数也直接阻碍了建筑能耗和自然通风、天然采光等物理环境性能的发展。

1.建筑能耗数学模型的建立-9优化

1.1建筑能耗模型

建筑能耗模型是通过空调供暖能耗和照明能耗两个模块构成的。进行空调供暖能耗计算时，可以将围护结构负荷计算模块作为基点，分析理解空调系统设备效率，发现其所获取的照明能耗模块是通过结合天然采光的照明能耗模型和中庭采光模型组合而成的。

1.2优化算法

建筑总能耗要符合度目标函数，此文利用了自动反向寻优的遗传算法来进行建筑方案的调整，获得了符合能耗最低的种种建筑空间几何参数、维护结构热工性能以及空调供暖照明系统参数的最合理的构成。我们的目的是调整局部最优解，而不是整体最优解的问题，此文解决了多岛遗传算法的缺陷。多岛遗传算法最先是一个初始值，等获取了初步优化解，经过变异、迁徙，可以通过新的初始点进行遗传操作，经过重复的操作，防止出现早熟现象，确保了优化解的种类，从而更加促进全局最优解的发展。与传统遗传算法相比，多岛遗传算法能够大大提高工总效率。通过将建筑总体能耗作为符合度函数，使用的解决措施设定了35个设计目标参数，任何一个参数都在遗传个体序列上拥有一个位置，与不同类型参数的特点做比较，获得的最优编码有A，B，c3，编码方式A，是引用比例因子开展编码，编码方式B通过引用对应某种指定形式的整数继而展开编码，编码方式c，使用“0”，“1”开关开展编码.通过最低能耗约束背景下，制定完善的建筑规范能够使的整个设计目标参数组合成基因序列（含数值大小），然后利用部分用户的要求来规定参数.

1.3算法拓展

在实际建筑设计进行时，与建筑空间、体型、平面设计相关的被动式性能都要相符合，比如自然采光、自然通风、建筑与太阳辐射和大气环境之间的热交换特性等一系列方式，突出了天然采光计算、热体形系数计算、日照阴影工具等新方式。其中的这3个新模块与建筑能耗预测模型和遗传优化算法的模块是相互隔离的。

（1）天然采光计算

可以利用天然采光模拟软件Radiance计算速度快、准确性高、开源性好等一系列优点，本文借鉴了Radiance来进行建筑内部天然采光计算，当下可以准确获取建筑内部工作平面高度所需要的采光系数和照度指标的计算，用户可以利用建筑草图绘制软件Sketchup模拟几何模型，继而可以算出天然采光性能指标，可以不进行重复建模输出模拟，大大的提高了效率，然后将Radiance与遗传优化算法融合在一起，利用采光最优作为一个目标，反向找出最好的方法。

（2）热体形系数计算

热体形系数（简称TSC）的重点是围护结构贡献的单位建筑面积全年所获取的负荷BEQ（单位：kWh/m2），体形系数的内容是建筑外表面积与体积比值，其可以展现建筑的几何特征，进行热体形系数计算式，可以使用权重因子入来获得不同朝向外表面的不同，从整体上要对建筑造型、平面布局、窗墙比与热工参数进行分析。另外，引用热体形系数可以获取供冷季围护结构获得的热量。通常情况热体形系大于0，展现的是整个空调季围护结构，其获得热居多。在极特殊的状况下热体形系数会小于0，其展现了空调季围护结构散热多的特点。因此，进行调整方案优化的时候，利用计算热体形系数解决方式，对两种方案的热特性进行判断，进而进行方案筛选。与体形系数做比较，热体形系数可以直接展现出建筑造型、平面布局、窗墙比和所有热工参数如何阻碍了建筑热性能，计算较方便快捷，可以迅速的获取每个方案的热性能的不同，用户可以方便的利用计算结果对方案进行更新，因此此文引用了热体形系数计算方法，其可以更好的促进设计初期方案比选以及不同建筑方案被动式性能的发展。

（3）照阴影工具的开发

此文创新了日照阴影计算工具，可以利用建筑基本体块和周边建筑遮挡来获取每个每刻建筑表面的阴影。通常情况下，传统的阴影计算工具会有求交计算，计算困难，不方便，但是此文所创新的日照工具利用了ShadowMap计算方法，使得计算速度加快，也可以利用此模块来获取建筑表面辐射及太阳辐射所获取的热量，存储到建筑能耗总体中，继而确保了建筑能耗预测模型的准确.

2.应用及讨论

2.1

建筑节能优化设计的关键问题

建筑节能优化能够发展，在设计中需要处理两个问题。（1）怎样找出更多建筑节能设计合理方案。针对此问题，利用调整的建筑设计过程的方法，可以最早的将建筑设计每个环节融入节能设计的理念，增强意识、创新技术措施。（2）问题重点是怎样才能够在建筑设计的每个阶段合理的与节能设计相符合。对于建筑设计每个环节，更新出帮助计算机计算的设计工具。建筑设计系统（IBDS）及其决策支持系统对这个问题有很大帮助，当有了计算机辅助设计工具的时候，工作人员的交流和探讨也对这个问题有很大的帮助。

2.2对建筑节能优化设计方法的讨论

我国城市化进程加快，房屋建设的面积不断增大，其还没有一个完善的建筑节能设计进行计算机辅助设计，因此阻碍了建筑进行建筑节能优化设计的发展。通过不同类型的建筑进行分析，对拥有很多相似的建筑形式的建筑，比如说住宅，其不但要进行建筑节能设计规定，还要利用水平高的商业化模拟软件，对当地气候进行了解，分析各方面的阻碍因素和节能设计方案来对建筑使用时间性能进行准确预测，在这种情况下，可以对特殊地区进行建筑节能优化设计指导。Garde设计师为了适应湿热气候因素，对建筑进行了个性化的设计，但拥有显著的个体特点的公共建筑，要在建筑设计时的任何一个环节中借鉴建筑节能设计的意识和技术措施，利用可以使用的计算机辅助设计工具，让建筑节能设计的优化得到更好的发展。

3.结语

此文分析了对于建筑总体能耗的提前快速测算，使得建筑空间平面体型更加符合建筑节能设计要求，创新了热体形系数、天然采光和日照阴影工具等一系列方式，制定了比较完善的对于建筑初期的办公建筑节能优化的计算顺序。希望此文能够对建筑设计有所启发，使得方案的优化可以得到良好的发展。另外，还分析了解了反向优化的思路，其内容是在很多设计参数不明晰的情况下，利用能耗或单一性能作为主要参数，其可以利用遗传优化方法进行寻优，获得最好的建筑设计方案，进而促进建筑方案多样性和节能性的不断发展.