建筑空间最优节能设计模型仿真研究

由于建筑结构主体较多,空间能耗难以合并控制,导致目前建筑空间能源耗用量较大。为此,构建基于等效转换法的建筑空间最优节能模型,并对其仿真研究。提出建筑总体能耗作为初始优化的“尺度”概念,该尺度为建筑空间的外墙、内墙、屋顶、分户楼板以及门窗等参数,求解这些尺度的最佳标准值。采用等效转换法计算在节能条件下所能接受的最大能耗范围。在此基础上,以上述范围值为约束条件,建立控制函数。将上述提到标准尺度值和最大能耗范围设置为最优解,建立最优节能设计模型,设定温差调节因子,对每一次室内外温差实施有效调节控制,保证建筑体参数符合最佳能耗范围。仿真结果证明,所提方法对冬季采暖和夏季制冷的能耗控制效果均较佳,节能效果最优且算法收敛性高,鲁棒性较好。

基于统计的语音传输指数预测方法实验对比

良好的言语可懂度是语言声厅堂声环境设计的重要目标,语音传输指数(STI)是言语可懂度的客观评价参量。在设计阶段就能对STI做出准确预测,对语言声厅堂的声环境控制具有重要意义。基于统计的STI预测方法是IEC 60268-16标准推荐的主要预测方法,但对于使用该方法时的影响因素以及预测精度,当前仍缺少系统性的实验对比研究。该文使用4个房间中13个测点共52种听音条件下的STI实测结果,分析了基于统计的STI预测方法的精度以及影响因素,结果表明:考虑和不考虑直达声的两种预测方法,都存在着系统偏差,预测结果普遍小于实测值;在距离声源较近测点的预测都产生了较大误差,在距离声源较远测点的预测误差相对较小;基于单指数衰变声场不考虑直达声的预测方法操作简单,但误差较大,52种听音条件的平均误差达到了-0.032,最大误差达到了-0.131;考虑直达声的预测方法误差相对较小,52种听音条件的STI平均误差为-0.018,最大误差为-0.080;预测精度主要受所使用的信噪比、扬声器的指向性、房间的声场条件等因素影响,并对这些因素的影响进行了对比分析。结果可为STI预测方法的使用者提供参考。

一种墙体蓄热量的评价方法研究

针对目前围护结构蓄热性能评价方法和指标不能有效评价蓄热量的问题,该文基于“日间热容”概念和有限差分法,提出一种新的围护结构蓄热性能评价方法和相关指标。该方法可获得围护结构逐时动态蓄热量、不同构造层次的蓄热情况以及材料层和围护结构在一定时间段和一定面积内的累积蓄热量。以一个简化的建筑模型为例,运用该方法得出建筑不同朝向、不同部位围护结构各材料层的蓄热量情况。该文的方法可为建筑围护结构实际蓄热效果提供系统全面的定量评价,为太阳能建筑分朝向、分部位的蓄热设计提供方法和依据。

太阳辐射作用下不同活动水平的室内人体传热特性及热舒适研究

太阳辐射是影响室内空调负荷的重要因素,当阳光直射人体时,影响人体与周围环境热交换,进而影响热感觉,人体处于热中性的环境温度的变化关乎空调系统能耗和人体热舒适。本研究在人工气候室进行冬季实验,利用太阳辐射模拟装置控制太阳辐射强度,受试者穿着典型服装,分别进行静坐与两种步速(3.2、5 km/h)活动,测试生理参数并进行热感觉问卷调查,分析太阳辐射与活动水平共同作用下,人体与周围环境间的传热特性,研究热舒适区偏移规律。结果表明:有太阳辐射时,随着活动强度增加,蒸发传热量占比增加,对流传热与辐射传热占比减小,热舒适区向下偏移,冬季人体维持舒适状态所需的环境温度降低。为该条件下空调室内设计参数的设定提供一定参考,使空调系统更节能。

贫数据中基于模型自训练的空气处理设备故障诊断

针对空气处理设备(AHU)故障贫数据,基于深度置信网络(DBN)模型对4种特征选择算法进行对比研究,结果表明最大相关最小冗余算法的特征子集在诊断准确率及子集元素稳定性上表现最优。提出将DBN嵌入自训练框架的故障诊断模型,发现DBN自训练的诊断准确率较单纯DBN最高可提升19.5%。提出均匀抽样及按比例抽样2种自训练伪标签抽样策略,二者的诊断准确率均随抽样数减小而增大,在不同抽样数中的最大差异为3.42%;在所有贫数据样本中,均匀抽样策略始终优于按比例抽样,诊断准确率最大相差1.39%,表明在故障标签匮乏时,采用均匀抽样策略及较小的抽样数有利于提升DBN自训练的诊断性能。

基于无人机摄影测量的建筑表皮光伏设计与效益评估

在建筑表皮部署光伏(PV)是有前途的策略,可以使建筑生产可再生能源并实现社会的碳中和目标。当前缺乏用于光伏建筑集成设计和效益评估的建筑精细化实景建模方法,难以对光伏的产能和视觉效果进行详细分析,形成合理方案。以无人机倾斜摄影测量技术为基础,结合参数化分析和美学设计方法,探索出用于建筑表皮光伏设计和效益评估的整体性方法。对天津市一教育性建筑进行了案例研究,得到了优化的光伏组件部署方案和产能潜力评估结果。为今后更多建筑的屋顶、立面光伏设计提供理论依据和方法借鉴。

谢宾斯基分形结构声散射特性与视觉偏好评价

声扩散界面设计应兼顾声学和美学需求。结合参数化设计方法,谢宾斯基分形的模块化结构具有灵活生成个性化界面的潜力。然而,针对分形结构声学特性与视觉效益尚缺乏综合的量化研究。根据谢宾斯基分形的构造规则提出了一种宽频的扩散结构设计方法,分别从声学性能与视觉偏好的角度,研究模块形状、模块高度和随机排布程度对性能的影响。采用边界元素法的数值仿真与实测验证,结合虚拟仿真技术的主观调查,以及多目标综合分析,探究分形设计要素的作用机制和最佳阈值范围。结果表明,与相同体量的传统二次残差扩散体相比,具有不同平面尺寸和高度模块的分形结构改善了扩散性能,特别是在1 kHz以下的中低频范围。此外,发现在室内使用中高复杂度(迭代3次)、低随机排布、谢宾斯基三角截锥分形结构,有助于提高居住者对环境的偏好度。

东北地区教学建筑侧窗导光构件形态模拟研究

目的 为解决东北地区教学建筑中自然光分布严重不均衡,而单纯依靠粗放式地提高窗地比采光计算方法无法改善,通过设置导光构件解决自然光分布不均衡的难题。方法 应用Ecotect软件建立典型教室空间和导光构件的参数化模型,分析导光构件内外位置、水平高度、截面尺寸、截面形态、透光度等参数变化对于采光系数、照度、采光均匀度等参数的影响。结果 通过对模拟数据的比较分析发现,导光板在位于侧窗室内一侧、高度为2 400 mm、截面宽度为1 050~1 200 mm、截面形态为弧形向下的情况下,采光照度和均匀度达到最佳平衡状态;导光百叶中的水平内倾百叶的综合性能优于其他类型。结论 横向比较,导光板最优方案在综合性能上优于导光百叶,是东北地区较为适用的导光构件。

冰上运动建筑曲面光伏参数化集成设计研究

2022年冬奥会成功举办,国内掀起了冰上体育运动的热潮,冰上运动建筑需求量和能源消耗量随之增长。光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic,BIPV)作为建筑节能的主要手段之一,在体育建筑屋面具有较大的集成潜力。通过建立寒冷地区曲面冰上运动建筑典型模型进行集成设计研究,基于Grasshopper参数化平台实现新型柔性CIGS薄膜光伏组件沿屋面曲线形态的优化布置,从两个层级出发,提出参数化设计方法与构造措施。通过Honeybee进行能耗模拟,结果表明,该柔性光伏系统全年可以为冰上运动建筑降低15.82%的能量消耗,进而验证了该方案的节能性,为建筑师进行寒冷地区曲面冰上运动建筑设计的节能优化设计提供数据支撑及科学依据。

寒冷地区光伏墙体综合传热特性的数值模拟研究

近年来BIPV项目逐渐增多,对光伏墙体的研究多以光伏组件电热性能为重点,少有结合节能墙体热工性能对不同构造光伏墙体的综合传热特性优化开展的研究。以天津地区为应用场景,分别建立符合天津市居住建筑四步节能设计技术指标的基础墙体、普通光伏墙体和嵌入保温隔热一体化板的新型光伏墙体的传热模型,采用ANSYS FLUENT软件对其温度分布、表面热流密度进行数值模拟,对模拟结果进一步分析获得不同类型墙体的传热系数和光伏组件的电性能。结果表明:较基础墙体,夏季普通光伏墙体内表面得热量可增加46.88%,冬季普通光伏墙体内表面失热量可减少5.47%;新型光伏墙体中的保温隔热层厚度宜不小于20 mm,此时,夏季新型光伏墙体内表面得热量最大可增加18.16%,冬季新型光伏墙体内表面失热量最小可减少20.07%。基于计算结果,寒冷地区的建筑外墙应用光伏组件时,散热构造措施可简化。

内抹调湿砂浆外墙吸放湿特性及对负荷影响分析

本文从建筑围护结构节能出发,以内抹WSE(木质纤维Wood fibre、海泡石Sepio⁃lite、膨胀珍珠岩Expanded perlite)基复合调湿保温砂浆外墙为研究对象,将其与内抹普通砂浆外墙对比,分析吸放湿特性及其对负荷的影响.研究使用COMSOL Multiphysics有限元软件的建筑材料热湿耦合模型,分析环境湿度变化与外墙之间的湿迁移变化,以及与外墙的传热传质.以夏热冬冷典型气候地区长沙为例,分析内抹WSE基复合调湿保温砂浆外墙的负荷及潜热负荷占比,同时选取夏热冬暖地区广州和寒冷地区北京对比分析外墙的全年能耗.研究发现,内抹WSE基复合调湿保温砂浆外墙的吸放湿速率远大于内抹普通砂浆的外墙,并能长时间保持高速的吸放湿状态,同时比内抹普通砂浆墙体节省22.31%~23.85%的全年负荷.墙体在吸湿过程中,温升与吸湿速率能力体现出一致性,表明墙体内表面湿迁移对温度有着重要影响,并且湿迁移越大对温度影响越大.墙体在放湿过程中,温度迅速下降是放湿速率快的表现.内抹WSE基复合调湿保温砂浆墙体具有优良的吸放湿特性和节能潜力,可用于建筑围护结构节能.

极端天气对被动式太阳能建筑采暖效率的影响

为研究极端天气对被动式太阳能建筑采暖效率的影响,选取关键气象参数(直射辐射、干球温度)来构造极端冷气象条件,主要分析太阳低辐射和极端低温对拉萨、乌鲁木齐、兰州、哈尔滨4个城市的被动式太阳能建筑采暖效率的影响。结果表明:随着太阳直射辐射和温度的降低,哈尔滨整个采暖季的采暖潜力下降最大,拉萨、兰州、乌鲁木齐在太阳直射辐射下降超过50%时,采暖潜力下降最大,哈尔滨在辐射下降43%时采暖潜力下降最大。在温度下降不超过10℃的情况下,拉萨和哈尔滨的采暖潜力下降最大,兰州和乌鲁木齐则是在温度分别下降11和15℃时,采暖潜力下降最大。气象参数对采暖潜力的敏感性分析表明,太阳直射辐射对太阳能采暖潜力的影响大于温度。同时,对不同设计因素进行全局敏感性分析,建筑保温材料的物理参数对采暖潜力的影响高于其他设计参数。

基于个人舒适系统杭州住宅冬季热舒适与能耗

为揭示该地区个人舒适系统(PCS)作用下的居民冬季热舒适特征和供暖能耗需求,以杭州市为对象,采用问卷调研和入户现场实测的方式得出冬季住宅开窗、遮阳、使用空调和PCS等典型热环境组合调节模式以及典型供暖模式和居民活动状态组合下的热舒适特征;在此基础上模拟得到冬季室内热舒适和供暖能耗特征。结果表明,冬季“无设备+静坐”、“空调+静坐”、“PCS+静坐”、“无设备+家务劳动”、“空调+家务劳动”、“PCS+家务劳动”等6种工况下的冬季中性温度分别是17.3、18.8、16.4、15.7、15.7、13.9℃,舒适温度区间分别是14.3~20.3℃、17.1~20.5℃、14.4~18.4℃、13.7~17.8℃、13.3~18.1℃、11.0~16.9℃。冬季室内热舒适水平受热环境调节模式影响较大,客厅在室舒适时间占比在43.74%~80.21%之间,卧室在室舒适时间占比均为70%以上。使用空调与PCS供暖时,典型建筑在冬初冬末的供暖能耗强度是1.28 kWh·m^(-2),在严冬的供暖能耗强度是13.06 kWh·m^(-2)。

基于气候资源禀赋的TMY权重因子调整方法研究

提出一种基于气候资源禀赋的典型气象年(TMY)权重因子调整方法。在参数间相关分析的基础上,遴选干球温度、相对湿度、日照时数与气温日较差作为分区指标,采用K-均值聚类算法对中国地域气候进行分区,依据台站所处地域的太阳能、风能等资源动态调整TMY权重因子。结果显示,调整后的权重因子构建的TMY更加精准,更能体现地域的气候特征。

基于全景图的城市街谷平均辐射温度计算模型研究

在评估城市街谷热环境对居民生活质量的影响时,明确街谷的微气候条件,尤其是平均辐射温度(Mean Radiant Temperature,MRT)对于改善城市热环境具有重要意义。现阶段,利用基于鱼眼图的天空视域因子(Sky View Factor,SVF)计算方法较为繁琐且难以实现大范围街谷MRT的时空分布评估。因此,本研究旨在通过全景图像技术,提出一种快速大量计算城市街谷MRT时空分布的新方法,并进一步考虑城市街谷中树木的影响,以改进传统模型。本研究首先基于全景图像批量获取城市街谷中的SVF,并结合城市街谷中的几何特征和植被视域因子,通过改进的平均辐射温度计算模型对单点的MRT进行计算,同时采用定点实测数据对该模型进行精确度验证,并将其应用于西安市街谷MRT的实际计算中。研究结果显示,经过模型验证,本研究方法具有较高的精度,相对误差大多数情况下在20%以内,RMSE在2.85~4.66℃。同时,模型与实测数据的一致性较好,能够清晰地反映MRT的变化趋势,R2大于0.74,IA大于0.80。与仅考虑单一不透水面的计算模型相比,考虑树木植被后的模型精度有明显提升,RMSE从5.15℃降至3.87℃,模型的R2由0.72提升至0.74,表明改进模型与观测结果具有更好的一致性。提出的基于全景图的MRT计算方法不仅提高了评估城市街谷热环境的效率和精度,而且通过考虑树木植被的影响,为城市规划和绿化管理提供了更加科学的指导。此外,本研究的方法和结论能够为城市热岛效应的缓解和城市生活环境的改善提供理论依据和技术支持。通过实例分析,研究成功地应用于西安市,展示了2021年7月14日上午9:00的街谷MRT分布图,为后续的城市热环境评估和改善工作奠定了基础。

建筑屋面风雨场及突出建筑立面风驱雨的实测研究

文章对某多层建筑屋面区域风驱雨(wind-driven rain,WDR)开展实测,结合3类典型降雨事件的分析,揭示大气湍流特征以及风速、风向对雨滴的影响特性,并针对突出屋面建筑,实测分析立面WDR分布特性,量化国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)半经验模型对突出屋面建筑WDR预测的偏差。结果表明,在3类降雨事件中,湍流度、阵风因子和湍流积分尺度的实测值与基于地面实测建立的公式理论值之间存在较大差异;实测的雨滴数量与标准M-P谱计算的雨滴数量差值最大为125个。在风速和雨强差异较小时,建筑立面WDR分布受来流与立面夹角的影响显著。由于ISO半经验模型是基于地面实测建立的,其对突出屋面建筑WDR的预测存在偏差,在模型适用的降雨条件下实测值约为ISO预测值的2倍。

基于声纹监测技术的大型泵站机组振动特性研究

声音和振动是反映旋转机械设备运行状态信息的直接载体,根据声纹监测的原理,通过对数据进行采集、预处理、提取特征值,采用卷积神经网络深度学习识别模型,建立大型泵站机组运行状态声纹样本库和模型库,构建泵站机组振动状态的声纹监测系统,实现大型泵站机组运行状态的实时监测。

基于数值模拟的建筑设计优化研究综述

在双碳目标的背景下,对建筑物进行优化设计是实现节能减排的一个新途径;计算机技术的飞速发展,更使得建筑优化设计的效率有了很大的提升。为了更加全面地掌握基于数值模拟的优化技术在实际建筑中的应用现状,对优化研究的主要阶段进行了概括,归类分析了各类优化平台的优缺点,总结对比了各类优化算法的性能。分析发现,优化阶段主要分为预处理、优化、后处理3个阶段;优化工具根据开发目的分为三大类;常用的优化算法有:进化算法、无导数搜索算法、混合算法;并且当下的优化研究还有很大的空间值得探索与改进。

基于机器学习的外窗百叶外遮阳性能预测与敏感性研究

在建筑围护结构中越来越多地使用透明围护结构,会导致高能耗和光热环境不适等问题。为了解决这一问题,遮阳作为一种减少建筑的能源消耗和改善室内环境较为有效的手段被越来越多地使用。为探究百叶外遮阳参数对遮阳性能的影响程度,采用机器学习算法预测遮阳性能,利用基于机器学习的改进敏感性分析法探讨了影响遮阳性能的2类参数(建筑和遮阳)的局部和全局敏感性,确定影响最大的参数。研究结果表明:XGBoost预测热环境、能耗指标精度最高,而随机森林算法预测光环境指标效果最好。同时发现遮阳参数是影响室内热环境和建筑能耗的最重要因素,整体权重均在0.5以上;建筑参数显著影响室内采光,其权重高达0.9左右。

干式装配式墙体非均匀性传热规律

干式连接的装配式建筑因连接缝的存在会造成接缝与墙体间的传热不均,对墙体传热及建筑能耗产生重要影响。分析了干式装配外墙的非均匀传热特征,提出外墙内表面的累计温差比T′来评价墙体的传热非均匀性,确定了干式装配墙体传热的非均匀判定准则。提出用热桥影响区域等效传热系数K′_(T)来评价接缝非均匀传热影响区域,分析了非均匀性传热对建筑采暖能耗的影响。结果表明,装配式墙体在接缝两侧的温度波动较大,且墙体构造越复杂波动越显著。干式装配墙体接缝的非均匀影响区域明显大于传统砖混建筑。T′越大墙体传热越不均,建筑采暖能耗越大。接缝宽每增加5 mm导致的墙体传热不均使得建筑能耗变化约为3%~4%,含空气层的预制墙体变化尤为大,约为3.2%~6.7%。