基于动态节能贡献率的建筑节能优化方法研究——以寒冷地区中小型高铁站为例

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目前对于建筑方案进行节能优化的主要方法,是对设计参数逐个修改、并进行模拟验证。因而分析各参数与能耗之间的关系、明确对于能耗有较大影响的参数,是高效、准确地指导节能优化设计的关键。但是现有分析方法大多使用能耗模拟软件对标准建筑模型进行分析计算,所得结果的适用性及灵活性较差,不能满足实际的优化需求。因而改进现有分析方法,对于指导建筑节能优化设计具有重大的意义;同时,现有分析方法只能提出静态指导建议,无法与节能优化过程进行联动,因此研究并开发基于节能贡献率(ECR)动态分析的优化方法及工具,对于实现节能优化设计的动态化、智能化具有重要的意义。本文的具体研究内容如下:首先,使用能耗计算代理模型和基准方案可变策略对现有ECR计算方法进行了改进,在方案的节能优化过程中使用改进的计算方法进行动态化的ECR分析,并通过贪心策略对要优化的参数和步长进行选择,进而提出了基于动态节能贡献率的优化算法(DECR)。通过高铁站案例进行算法对比实验,结果表明,相比于现有ECR计算方法,DECR算法的能耗值在优化过程中平均每代降低了8.04k Wh/m~2;相比于粒子群(PSO)算法,DECR算法的能耗优化结果降低了1.3%,收敛速度提高了15%。由此验证了DECR算法的有效性。其次,将DECR优化算法的贪心策略替换为人机交互的优化建议生成机制,将优化过程进行离散化,向使用者提供动态化的优化建议,允许使用者自主选择要优化的参数和步长,进而提出了基于动态节能贡献率的优化决策算法(DODM)。通过高铁站案例进行对比优化实验,结果表明在相同优化目标下,DODM算法的方案修改量比PSO算法相比至少下降了51.2%;对方案的修改程度相同时,DODM算法的能耗优化结果相比PSO算法至少下降了11.3%。由此证明了DODM算法的有效性。最后,基于Python编程语言和Human UI插件,在Grasshopper参数化平台上进行了DODM算法的封装、用户界面的编写、建筑形体的生成等步骤,开发了基于动态节能贡献率的建筑能耗优化系统(DBOS)。邀请测试人员使用DBOS系统进行了对比优化测试,结果表明,本文开发的建筑能耗优化系统,相对于无辅助工具的情况下,能够帮助使用者减少57.7%的优化修改次数。由此证明了DBOS系统的有效性。
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