一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法技术

本发明专利技术是一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法。本发明专利技术根据研究地区，查找研究地区的气象数据，所述气象数据包括当地的风速、风向、日照以及日照时间，全年的采暖、制冷以及通风时长，相对湿度以及室外的温度；根据城市区域建筑群的分布特点，建立建筑群模型；确定区域内的建筑温度或者热流分布；对室外空间进行划分，确定室外空间热舒适性；根据典型建筑形状、布局及表面光热特性建立多重计算模型，对多种计算模型中的每一种模型进行重复步骤3至步骤5的操作，得到多组采光负荷、冷热负荷及热舒适度数据；根据得到的多组采光负荷、冷热负荷及热舒适度数据，进行综合化处理，得到最优的建筑群空间形态布局。

A design method of urban building complex based on comprehensive optimization of energy consumption and local microclimate

【技术实现步骤摘要】
一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法
本专利技术涉及城市建筑群设计
，是一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法。
技术介绍
在能源危机日益严重的形势下，随着建筑建成量的不断增长，建筑能耗和节能优化问题逐渐成为广大学者研究的焦点。现有的建筑节能优化方法，一是通过改变围护结构(比如：窗墙比，建筑体形系数，建筑物屋顶形状等)计算建筑冷热负荷，选择能耗最小的建筑形式；二是改善建筑内部的能源系统设计优化及运行优化，达到通过降低能源系统能耗降低建筑用能；三是利用新能源，综合考虑新能源下的节能率和工程造价来进行优化选择。可以看出，目前的建筑能耗优化设计方法关注点在建筑本身，通过建筑本身性能优化、内部能源系统优化、利用新能源来达到建筑节能的目的。事实上，城市建筑处于不断变化的城市局域微气候中，仅优化单体建筑本身能达到的节能效果往往是有局限性的。本设计方法针对区域建筑群的微气候和建筑群能耗，综合考察采光负荷、冷热负荷及室外热舒适度，能够实现建筑群能耗及室外微环境的综合优化。该方法涉及建筑群优化设计领域，为建筑热环境领域急需的综合优化设计方法。
技术实现思路
本专利技术为降低建筑耗能，实现建筑群设计优化，本专利技术提供了一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法，本专利技术提供了以下技术方案：一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法，包括以下步骤：步骤1：根据研究地区，查找研究地区的气象数据，所述气象数据包括当地的风速、风向、日照以及日照时间，全年的采暖、制冷以及通风时长，相对湿度以及室外的温度；步骤2：根据城市区域建筑群的分布特点，建立建筑群模型；步骤3：对建筑群模型进行四级典型工况日的全天候模拟，得到建筑群模型不同的采光系数，太阳辐射强度，照度分布以及建筑群区域的日照分布结果；步骤4：基于各典型工况日下的建筑群综合人工照明负荷，确定区域内的建筑温度或者热流分布；步骤5：对室外空间进行划分，确定室外空间热舒适性；步骤6：根据典型建筑形状、布局及表面光热特性建立多重计算模型，对多种计算模型中的每一种模型进行重复步骤3至步骤5的操作，得到多组采光负荷、冷热负荷及热舒适度数据；步骤7：根据得到的多组采光负荷、冷热负荷及热舒适度数据，进行综合化处理，得到最优的建筑群空间形态布局。优选地，所述步骤2具体为：根据城市区域建筑群的分布特点，建立建筑群模型，所述建筑群模型包括建筑共n栋，一栋狭长型的为商业办公楼，a栋低层为居民楼，b栋中层为居民楼，c栋高层为居民楼，所有建筑形状为矩形，迎风面积为0.1，建筑密度为5％，建筑朝向正南，建筑群为行列式的布局方式，建筑表面反光系数、透射系数、吸收系数分别为ε、τ、ρ；太阳辐射吸收、反射及透射系数分别为α、β、γ。优选地，所述步骤3具体为：步骤3.1：采用Radiance软件对建筑群模型进行四季典型工况日的全天候模拟，得出建筑群模型不同部位的采光系数，太阳辐射强度，照度分布以及建筑群区域的日照分布结果；步骤3.2：建立自然采光条件下的建筑人工照明负荷计算模型，计算各典型工况日下的建筑群综合人工照明负荷Q1，通过下式表示Q1：Q1＝f(I、τ、Φ、λ)(1)其中，I为光照强度，单位为：cd，Φ为太阳入射角度，λ为墙窗比，τ为建筑表面透射系数，f为映射函数。优选地，所述步骤4具体为：基于各典型工况日下的建筑群综合人工照明负荷，确定区域内的建筑温度或者热流分布，采用ANSYSFluent软件作为边界条件，对不同季节典型工况日下的建筑群内部的区域风场及温度场的求解，建立建筑群冷热负荷计算模型，根据模拟的风速，温度分布，计算微气候风热条件下的建筑群的冷负荷Q2和热负荷Q3，通过下式表示建筑群冷负荷Q2和热负荷Q3：Q2＝f(v、α、β、γ、t、ti、K、Yg、M)(2)Q3＝f(v、α、β、γ、t、ti、K)(3)其中，Q2为微气候风热条件下的建筑群的冷负荷，Q3为微气候风热条件下的建筑群的热负荷，v为室外风速，单位为：m/s，t为室外温度，单位为：℃，ti为室内温度，单位为：℃，K为围护结构的传热系数，S为建筑面积，Yg为修正后的窗构造系数，M为太阳辐射穿过玻璃后形成的冷负荷选取值。优选地，所述步骤5具体为：步骤5.1：对室外空间进行划分，在高度1.2m处，每隔1m建立一个数据记录点，从早上8点到晚上8点，间隔为1小时；步骤5.2：提取照度、太阳辐射强度、空气温度、太阳辐射、黑球温度以及风速数据，依次读取数据计算出记录点的预测评价指标和预测同一环境中的所有人对该环境的不满意百分数，通过下式表示PMV和PPD:PMVn＝f(v,t)(4)PPDn＝100-95×exp[-(0.03353×PMVn+0.2179×PMVn2)](5)其中，PMVn为第n个记录点的预测评价指标，PPDn为第n个预测同一环境中的所有人对该环境的不满意百分数；步骤5.3：确定预测同一环境中的所有人对该环境的不满意百分数的平均值，作为最终的热舒适性指标，通过下式表示预测同一环境中的所有人对该环境的不满意百分数的平均值：其中，P为预测同一环境中的所有人对该环境的不满意百分数的平均值。优选地，所述步骤7具体为：步骤7.1：根据得到的多组采光负荷、冷热负荷及热舒适度数据，进行综合化处理，通过下式表示综合优化结果：MinQ＝a*Q1+b*Q2+c*Q3+d*PPD(6)其中，MinQ为综合优化结果，a，b，c，分别为Q1，Q2，Q3的权重系数，d为PPD的权重系数；步骤7.2：最小化综合优化结果，输出最优的建筑形态布局，包括建筑形状、建筑密度、建筑迎风面积、建筑群朝向、建筑群布局和表面光特性参数。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术设计方法综合考虑室外的风、光、热环境，使得建筑群能耗以及室外舒适度达到最优。本专利技术方法针对区域建筑群的微气候和建筑群能耗，综合考察采光负荷、冷热负荷及室外热舒适度，能够实现建筑群能耗及室外微环境的综合优化。本专利技术方法涉及建筑群优化设计领域，为建筑热环境领域急需的综合优化设计方法。附图说明图1是一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法流程图；图2是行列式排布的三维模型；图3是其中建筑形状模型，图3-(1)为狭长型；图3-(2)为圆形；图3-(3)为u型，其中，c:d＝1.5:1a＝b＝1/2d；图3-(4)为H型；图3-(5)矩形，其中a：b＝3：2；图3-(6)为星型，图3-(7)为点型，其中，a:b＝1:1；图4是四种布局图，图4-(1)为行列式，图4-(2)为环绕式，图4-(3)为交错式，图4-(4)为自由式。具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术进行了详细说明。具体实施例一：按照图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法，其特征是：包括以下步骤：/n步骤1：根据研究地区，查找研究地区的气象数据，所述气象数据包括当地的风速、风向、日照以及日照时间，全年的采暖、制冷以及通风时长，相对湿度以及室外的温度；/n步骤2：根据城市区域建筑群的分布特点，建立建筑群模型；/n步骤3：对建筑群模型进行四级典型工况日的全天候模拟，得到建筑群模型不同的采光系数，太阳辐射强度，照度分布以及建筑群区域的日照分布结果；/n步骤4：基于各典型工况日下的建筑群综合人工照明负荷，确定区域内的建筑温度或者热流分布；/n步骤5：对室外空间进行划分，确定室外空间热舒适性；/n步骤6：根据典型建筑形状、布局及表面光热特性建立多重计算模型，对多种计算模型中的每一种模型进行重复步骤3至步骤5的操作，得到多组采光负荷、冷热负荷及热舒适度数据；/n步骤7：根据得到的多组采光负荷、冷热负荷及热舒适度数据，进行综合化处理，得到最优的建筑群空间形态布局。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：根据研究地区，查找研究地区的气象数据，所述气象数据包括当地的风速、风向、日照以及日照时间，全年的采暖、制冷以及通风时长，相对湿度以及室外的温度；
步骤2：根据城市区域建筑群的分布特点，建立建筑群模型；
步骤3：对建筑群模型进行四级典型工况日的全天候模拟，得到建筑群模型不同的采光系数，太阳辐射强度，照度分布以及建筑群区域的日照分布结果；
步骤4：基于各典型工况日下的建筑群综合人工照明负荷，确定区域内的建筑温度或者热流分布；
步骤5：对室外空间进行划分，确定室外空间热舒适性；
步骤6：根据典型建筑形状、布局及表面光热特性建立多重计算模型，对多种计算模型中的每一种模型进行重复步骤3至步骤5的操作，得到多组采光负荷、冷热负荷及热舒适度数据；
步骤7：根据得到的多组采光负荷、冷热负荷及热舒适度数据，进行综合化处理，得到最优的建筑群空间形态布局。


2.根据权利要求1所述的一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法，其特征是：所述步骤2具体为：
根据城市区域建筑群的分布特点，建立建筑群模型，所述建筑群模型包括建筑共n栋，一栋狭长型的为商业办公楼，a栋低层为居民楼，b栋中层为居民楼，c栋高层为居民楼，所有建筑形状为矩形，迎风面积为0.1，建筑密度为5％，建筑朝向正南，建筑群为行列式的布局方式，建筑表面反光系数、透射系数、吸收系数分别为ε、τ、ρ；太阳辐射吸收、反射及透射系数分别为α、β、γ。


3.根据权利要求1所述的一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法，其特征是：所述步骤3具体为：
步骤3.1：采用Radiance软件对建筑群模型进行四季典型工况日的全天候模拟，得出建筑群模型不同部位的采光系数，太阳辐射强度，照度分布以及建筑群区域的日照分布结果；
步骤3.2：建立自然采光条件下的建筑人工照明负荷计算模型，计算各典型工况日下的建筑群综合人工照明负荷Q1，通过下式表示Q1：
Q1＝f(I、τ、Φ、λ)(1)
其中，I为光照强度，单位为：cd，Φ为太阳入射角度，λ为墙窗比，τ为建筑表面透射系数，f为映射函数。


4.根据权利要求1所述的一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法，其特征是：所述步骤4具体为：
基于各典型工况日下的建筑群综合人工照明负荷，确定区域内的建筑温度或者热流分布，采用ANSYSFluent软件作为边界条件，对不同季节典型工况日下的建筑群内...

【专利技术属性】
技术研发人员：张甜甜，韩东亮，谭羽非，牛冬茵，施博仁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23