基于建筑群空间形态的节能控制方法及系统与流程

本发明涉及节能控制技术，尤其涉及基于建筑群空间形态的节能控制方法及系统。

背景技术：

1、传统的建筑节能设计主要采用提高围护结构热工性能、优化设备系统运行等措施，而较少考虑建筑群空间形态对能耗的影响。事实上，建筑群空间形态如平面布局、空间尺度、朝向组合等，与建筑群的热工过程和能量流动密切相关，合理的空间形态设计可显著降低建筑群能耗。例如，低层高密度的建筑群组合方式有利于塑造良好的微气候环境，大空间的集中布局有利于降低围护结构传热损失，南北向布置的长条形平面有利于自然采光和通风，中庭和天井的设置可促进自然对流和热压通风。但在实际设计中，受条件限制和设计习惯影响，往往难以定量评估不同空间形态方案的节能效果，导致空间形态的节能设计流于形式化。

技术实现思路

1、本发明实施例提供基于建筑群空间形态的节能控制方法及系统，能够解决现有技术中的问题。

2、本发明实施例的第一方面，

3、提供基于建筑群空间形态的节能控制方法，包括：

4、获取目标建筑群的三维模型数据，所述三维模型数据包括建筑群的几何信息和材料属性信息；根据所述三维模型数据，计算目标建筑群的空间形态参数，所述空间形态参数包括容积率、建筑密度、开敞空间变异系数、建筑体形系数、窗墙比、屋顶形状和朝向；

5、将所述空间形态参数输入预先建立的能耗预测模型，计算得到目标建筑群在不同气候条件下的热工性能指标，所述能耗预测模型采用动态能耗模拟方法构建；基于计算得到的热工性能指标，结合目标建筑群所在地的气候特点，确定适用于目标建筑群的被动式节能措施，所述被动式节能措施包括优化建筑群组合排布、优化建筑体形、调整窗墙比、改变屋顶形状和朝向中至少一种；

6、生成目标建筑群的节能改造方案，所述节能改造方案包含所述被动式节能措施的具体参数，将所述节能改造方案输出至建筑群信息模型，对目标建筑群的三维模型进行更新。

7、在一种可选的实施方式中，

8、将所述空间形态参数输入预先建立的能耗预测模型，计算得到目标建筑群在不同气候条件下的热工性能指标包括：

9、基于热平衡原理，建立描述建筑群传热过程的建筑群传热模型，所述建筑群传热模型基于流入建筑群物的热量、建筑群物内部产生的热量以及流出建筑群物的热量之间的平衡关系构建，并通过建筑群构件和室内空气焓值的变化量来反映建筑群物的蓄热和放热过程；

10、所述建筑群传热模型包括针对不透明构件的第一子模型，针对透明构件的第二子模型以及针对室内空气的第三子模型；

11、所述第一子模型采用傅里叶导热定律描述不透明构件的传导热流，并结合不透明构件的比热容和密度，得到描述不透明构件内部温度分布的传热微分方程；

12、所述第二子模型采用牛顿冷却定律描述对流换热，确定对流换热系数、透明构件表面温度和空气温度的影响；

13、所述第三子模型采用斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述辐射换热，确定斯蒂芬-玻尔兹曼常数和室内平均辐射温度的影响。

14、在一种可选的实施方式中，

15、所述第一子模型采用傅里叶导热定律描述不透明构件的传导热流，并结合不透明构件的比热容和密度，得到描述不透明构件内部温度分布的传热微分方程包括：

16、；

17、其中， q cond表示不透明构件内部温度的传导热流， k为构件材料的导热系数， a t为不透明构件面积， t in为不透明构件表面任意一点的温度， x为构件厚度方向的坐标， ρ表示不透明构件的密度， c p表示不透明构件的比热容；

18、所述第二子模型采用牛顿冷却定律描述对流换热，确定对流换热系数、透明构件表面温度和空气温度的影响包括：

19、；

20、其中， q conv表示透明构件的对流换热值， h为对流换热系数， a o表示透明构件面积， t surf和 t air分别为透明构件表面温度和空气温度；

21、所述第三子模型采用斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述辐射换热，确定斯蒂芬-玻尔兹曼常数和室内平均辐射温度的影响包括：

22、；

23、其中， q rad表示室内空气的辐射换热值， v为房间体积， σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数， t mrt为室内平均辐射温度， q vent表示透风量。

24、在一种可选的实施方式中，

25、基于计算得到的热工性能指标，结合目标建筑群所在地的气候特点，确定适用于目标建筑群的被动式节能措施包括：

26、根据建筑群气候区划标准，确定目标建筑群所在地的气候分区，并获取当地逐时气象数据，包括干球温度、相对湿度、风速和太阳辐射量中至少一种，通过统计分析得到采暖度日数、制冷度日数和太阳辐射量分布中至少一种气候指标；

27、利用建筑能耗模拟软件，计算建筑群热工性能指标，其中，所述建筑群热工性能指标包括负荷指标、耗能指标、热舒适指标、气密性指标中至少一种；

28、根据目标建筑群的气候环境条件和建筑群热工性能指标，初步筛选备选的被动式节能措施；

29、采用能耗模拟方法，定量评估不同备选的被动式节能措施在目标气候区的节能率和投资回报率，并进行比选，得到适用于目标建筑群的最优节能措施组合。

30、在一种可选的实施方式中，

31、采用能耗模拟方法，定量评估不同备选的被动式节能措施在目标气候区的节能率和投资回报率，并进行比选，得到适用于目标建筑群的最优节能措施组合包括：

32、构建以能耗消耗最低为目标的第一目标函数以及以经济成本最低为目标的第二目标函数，并且设置与所述第一目标函数对应的第一约束条件，以及设置与所述第二目标函数对应的第二约束条件；

33、通过以遗传算法为基础的多目标优化算法对所述第一目标函数和所述第二目标函数进行联合求解，得到适用于目标建筑群的最优节能措施组合。

34、在一种可选的实施方式中，

35、所述第一目标函数包括：

36、；

37、其中， n表示建筑群物的围护结构的数量， λ i表示第 i个围护结构的传热系数， a i表示第 i个围护结构的面积， t si表示第 i个围护结构的室内温度， t oi (x)表示在节能措施参数 x下，第 i个围护结构的室外温度， h i (x)表示在节能措施参数 x下，第 i个围护结构的供暖或制冷运行时间， η i表示第 i个围护结构所对应的末端设备的效率系数， q i表示第 i个围护结构的能源的热值。

38、在一种可选的实施方式中，

39、所述第二目标函数包括：

40、；

41、其中， m、 time分别表示能源种类数以及建筑群设计使用年限， c ope，j，t (x)表示在节能措施参数 x下，第 t年第 j种能源的运行费用， r表示年均折现率， c rep (x)表示在节能措施参数 x下，建筑群在使用年限内发生的整体修缮和更新费用， t rep表示建筑群整体修缮和更新的年份。

42、本技术实施例的第二方面，

43、提供基于建筑群空间形态的节能控制系统，包括：

44、第一单元，用于获取目标建筑群的三维模型数据，所述三维模型数据包括建筑群的几何信息和材料属性信息；根据所述三维模型数据，计算目标建筑群的空间形态参数，所述空间形态参数包括容积率、建筑密度、开敞空间变异系数、建筑体形系数、窗墙比、屋顶形状和朝向；

45、第二单元，用于将所述空间形态参数输入预先建立的能耗预测模型，计算得到目标建筑群在不同气候条件下的热工性能指标，所述能耗预测模型采用动态能耗模拟方法构建；基于计算得到的热工性能指标，结合目标建筑群所在地的气候特点，确定适用于目标建筑群的被动式节能措施，所述被动式节能措施包括优化建筑群组合排布、优化建筑体形、调整窗墙比、改变屋顶形状和朝向中至少一种；

46、第三单元，用于生成目标建筑群的节能改造方案，所述节能改造方案包含所述被动式节能措施的具体参数，将所述节能改造方案输出至建筑群信息模型，对目标建筑群的三维模型进行更新。

47、本发明实施例的第三方面，

48、提供一种电子设备，包括：

49、处理器；

50、用于存储处理器可执行指令的存储器；

51、其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行前述所述的方法。

52、本发明实施例的第四方面，

53、提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述所述的方法。

54、本发明的有益效果是：

55、实现了建筑群空间形态节能设计的定量化和精细化，提高了建筑群节能设计的科学性和可靠性。将空间形态节能纳入建筑群方案设计和优化的早期阶段，减少了后续节能措施改造的成本和难度。形成了空间形态-负荷模型-能耗模型-节能措施的闭环设计和优化路径，提高了建筑群节能设计的效率和效果。为建筑师提供了空间形态节能的定量评价工具和优化决策支持，促进了建筑群节能设计理念和方法的创新发展。