优化建筑设计变量在温暖的撒哈拉沙漠的地中海气候区

文摘

本研究有助于使住宅更有效率的Azraq,约旦,位于撒哈拉沙漠的地中海地区的一个温暖的气候区(归类为炎热的沙漠气候气候分类根据Koppen)。它涉及几个信封参数的优化,目的是减少能源的使用在一个正常结构占地186米²没有人的参与节能建筑仅仅测量围护结构的热性能。DesignBuilder软件是用于使用12个设计变量的灵敏度分析,使其意义冷却和加热负载。所选变量分为两类基于他们的意义:一群高重要性(窗墙%,当地类型的阴影,地面建筑,自然通风率、渗透,玻璃,和平坦的屋顶结构)以及重要性较低的一组(分区施工,站点的位置,建筑外墙,百叶窗,和遮光窗帘控制时间表);这些变量将节省大量的加热和冷却的能量。

1。介绍

目的是减少能源消费,有更加注重低能耗建筑的建设和实施节能技术。这是因为实现更高效的建筑以及高效的冷却和加热系统以及安装可再生能源可以帮助解决全球能源短缺的危机。世界目前面临多种危机,包括全球变暖,污染,人口不断增长,和日益增长的能源需求伴随着世界的自然资源的枯竭。实质性持续一直努力解决这些问题,包括电动汽车的发明,新可再生能源的利用率和低能耗建筑的设计。住宅需要的能源消耗减少,这就构成了一个相当比例的大多数国家能源的状况。因此,许多研究已经进行了改善建筑物的热效率,提高热舒适性不增加能源消耗。因此,科学家和研究人员继续开发新的方法和材料构造低/零能耗建筑。

为了使建筑物的热性能得到改善,需要一个适当的信封设计。这取决于几个因素,包括地理位置、气候类型和建筑材料。它也取决于围护结构的总体性能。这意味着它的各种组件,比如windows,开口,屋顶,墙壁,需要作为一个整体协同。因此,任何改变这些元素的一个或多个参数将影响他人的效率,相应地,建筑的整体性能。因此,大幅提高热力性能,这些元素的不同参数的效率需要优化。

有许多温暖的热气候地区在世界各地(包括亚热带和热带)。这些包括严酷的干旱荒漠气候,如撒哈拉沙漠和地中海等较温和的气候。因此重要的是要区分适应性解决方案根据不同的极端和振幅的空气温度、空气湿度比率,大量的太阳辐射和太阳路径,和降水率,例如,Azraq,约旦,位于撒哈拉沙漠的地中海地区的一个温暖的气候区(归类为炎热的沙漠气候气候分类根据Koppen) (1]。

建筑设计用于热气候区域的基础上,务实的当代或直观的传统原则。当前气候敏感性和节能建筑设计指南,都包含以下元素(2- - - - - -4]:(我)建筑形式和定位、建筑材料,和信封建筑(屋顶、外墙、窗户、墙壁、地板)(2)场地规划,包括植被和景观(3)控制气候的功能,包括阴影和白天,太阳能访问和通风(iv)特定气候资源的优化,包括蒸发冷却器、太阳热能,捕风

实验和统计研究住房在炎热干旱地区在阿尔及利亚已经完成为目的的评估在现代和低成本的传统建筑热舒适。他们的目的是确定是否可行设计公司以合理的成本提供有效的热环境,确保有效的保温外层信封(包括屋顶)。这种绝缘的使用意味着建筑物的形状不再是一个关键因素。也是说得通的结合有效的夜间通风室内高蓄热器。根据研究结果,建议首先,窗户朝南占据15%的面积是有效的,如果再加上良好的绝缘。第二,活动遮阳设备比固定的遮阳设备更有效。第三,它提供至关重要的夏夜通风,这是最有效的结合时高蓄热器(5]。

另一项研究表明,为低收入房屋在约旦,低成本,更有效的解决办法是减少建筑渗透。研究人员进行分析比较的效率绝缘渗透速率技术中实现这样的房子在不同的气候区在约旦。测试的效率为目的的不同渗透速率和绝缘场景(屋顶、墙壁和屋顶和墙的总和),他们开发了一个仿真,代表建筑的常见的配置。结果表明,在不同的气候条件下,最小化渗透速率降低能源需求比12.5厘米的安装屋顶或墙壁绝缘,同时减少渗透了一半(0.75每小时换气次数(ACH)一样有效地降低能源需求10到12.5厘米墙或屋顶保温6]。

另一组研究人员采用数值模拟和实验测量研究方法来减少建筑的消费在地中海乔丹。安曼一个数值参数研究的基础上,优化建筑设计面向南,一个窗口楼朝南的比率在12%和20%之间,而保温0.5 - -0.7 W / m²K的屋顶和墙壁。相比noninsulated基础情况下,加热能源需求减少了86%,冷却需要26%7]。

另一项研究调查了是否被动屋的概念可以扩展到欧洲西南部。研究结果表明,除了少数例外,适当的冷却能源需求低于2千瓦时/ m²而典型的加热能源需求范围10至15千瓦时/ m²。这些引发了以下一般指南:双低辐射玻璃,好的活动外遮阳与南方向,最好是和健壮的热保护大约10到20厘米的保温(低于mid-Europe)。一个紧凑的形状也似乎是有利的在炎热和寒冷的季节。为了避免过度绝缘或提供主动冷却和除湿,重要的是要安装一个排气通风系统结合优秀的紧张。为了减少冷却,夜间通风良好的绝缘一样有效。热质量重要性不大但也是有益的。在最热的气候,良好的外部表面的太阳能反射是推荐,而绝缘地下室的天花板或楼板应避免(8]。

使用模拟,另一组研究人员监测空气和表面温度的空置的建筑在一个炎热的夏天一周关闭百叶窗在炎热的地中海气候区。结果表明,热绝缘和热质量产生了积极的影响,室内平均温度只有27°C时,室外温度达到38°C。研究相比noninsulated传统建筑和一个原型模拟数据,发现在前,空气温度可能达到32°C。室内空气温度可能会进一步减少了夜间通风结合悬臂水平作为遮阳设备。研究人员建议的尺寸固定悬臂水平应该是优化的,这似乎是不切实际的由于他们的大尺寸(9]。

采用一种自适应策略鼓励住户实现更可持续的方法获得热舒适性包括自然通风空间(打开/关闭窗口),适当的衣服,和阴影。的上下文中执行标准住房模块时,自适应行为减少了所需的机械冷却或加热超过50%相比,典型的居住者在相似气候(10- - - - - -13]。适应性热舒适模型的使用和应用大大降低所需的时间由机械冷却和加热超过50%相比,空调常数恒温器设置。使用更广泛的范围内空调温控器设置降低了约50%相比,操作温度,操作能量被固定在某一水平。这可以通过完成应用程序的更大范围的可容忍的温度阈值以及使用方法,优化能源消耗在维持人的热舒适14- - - - - -16]。

比较研究两种风格的墙:一个由砖和其他石头。选择配置包括建造墙壁和绝缘层的可能性。研究了基于突尼斯的突尼斯城市的气候环境。数学技术建立在复杂的有限傅里叶变换(CFFT)开发分析数据。研究结果显示,石墙,包括三明治组成的扩展聚苯乙烯保温板,在57厘米,厚度的优化提供了一个更高程度的室内热舒适性相对于其同源砖(17]。

使用浅色的油漆的影响和/或住宅的保温结构的热效率和能源使用。根据调查结果,整个屋顶的太阳能反射(TSR)和其他外表面从50%提高到92%,导致平均自由流通股减少室内温度2.0°C到4.7°C的老建筑(没有保温)和降低1.2°C到3.0°C的新建筑(保温)。意味着内部温度下降1.5°C的一个平衡的效果。研究结果表明,酷涂料使用时,高储蓄每年大约30%的冷却能耗是实现(18]。的计算参数分析优化建筑在安曼,约旦,是进行,有保温0.5 - -0.7 W / m²·K的墙壁和屋顶,面向南,窗口楼朝南的比率在12%和20%之间。而noninsulated基本情况,优化解决方案减少加热能源需求86%,冷却需求26% (19]。在不同气候区域,Baneshi等人相比,白人和黑人基质上的各种颜料用于屋顶与传统油漆。他们发现最好的结果使用措颜料涂料。根据气候带,每年减少冷负荷和年度观察热负荷的增加。改进的热增量在寒冷的山区没有引起任何建筑的能源性能的变化。然而,在沙漠气候,整体年度节能空调1442千瓦时,在地中海气候,整体能源保存为1148千瓦时。此外,它是发现,在建筑物的能源效率、油漆的颜色和色素对屋顶的重大影响值(20.]。

simulation-optimisation工具生成,用来改善建筑设计和建筑包络功能。减少能源使用的住宅建筑,simulation-optimisation框架配对GA与建筑物能源模拟程序被用来选择从一系列详细的envelope-related参数最优值。进行优化时,不同形式的建筑进行了探讨,包括矩形、L、T, U, H和梯形。此外,建立包络特征,如屋顶和墙的设计,基础风格,绝缘水平,和窗口尺寸和地区,也被认为是。优化结果表明,建筑物被梯形和长方形形状经常表现出最高的效率(生命周期成本最低)在五个不同的气候区。内都显示最低的变化从最好到最差的设计(21]。

研究人员在22]探索如何做出明智的决定在一个多维空间。他们进行了敏感性分析来评估窗墙比的影响,U-Wall,你赢了,太阳热增益系数,和程度的侧鳍表面反射的使用能源,白天,在温度。

在[23),研究人员比较了不同的灵敏度分析方法的适用性评价结构的能源效率。为此,他们比较标准化回归系数的有效性(SRC),傅里叶振幅灵敏度测试(快)和莫里斯在确定长宽比的影响,窗墙比、层的数量,位置,规模一般,值(墙、屋顶和窗户),太阳能热增益系数、照明密度峰值,峰值和设备密度加热能源使用,冷却能源使用,电力使用。在[24),研究人员进行了敏感性分析(Morris)检查反射率值的影响。他们进行测量来确定表面的影响:地板,墙壁,天花板,地面,和框架,在每年总照明,有用的日光照度,日光自主权,采光系数。

DesignBuilder计划比较的目的是用于另一个研究维度的场景涉及传统的住宅公寓100米²位于埃及的三层结构的顶层,墙壁和屋顶保温安装到情况没有形式的隔热。明智的冷负荷,空调能源使用率,能源使用费用,有限公司₂发出的发电站,因为能源消耗在两个房间温度的情况下被设定为24°C, 22°C,分别和20°C。研究结果表明,安装保温形式的玻璃棉毡厚度为0.05 m的屋顶和墙壁导致空调系统用电量减少40%相关,因此相当大的节省成本的操作。此外,将节约下来的能量减少电厂有限公司₂发出的30%25]。

另一项研究努力增加的热舒适水平,减少电力消耗,促进自然通风在高层住宅结构采用空调包含一个片面的通风区域(只有一个外墙窗户)。他们的目标是评估一个通风井位于房间放大意味着向后方的气流速度之间的压差通过增加轴的孔径在屋顶和窗户。房间的设计目的是模拟一个标准的公寓在曼谷25-floor住宅结构。DesignBuilder的计算流体动力学功能是利用评估空气速度在预定的占用空间场景一个通风井,不习惯(分别测试和资料室)。修改后的气流速度增加,空间的环境温度是用于确定的时间在夏天舒适的房间。结果表明,有一个显著的增加意味着测试房间内气流速度,而在资料室,并不足以产生冷却效果没有正常的援助。夏天的舒适时间从基线空间的38%上升到56%在测试空间。这表明,拟议中的空气轴将导致节能约2700千瓦时由于减少空调的使用(26]。

几个研究人员检查方式能量可以通过剪裁和保存创建节能建筑设计元素结合有效的空气质量。因此创建动态构建模拟能耗为目的的造型在标准在两层的建筑。整个建筑覆盖面积676平方米,分为11区,每个有自己的独特的热性能(27]。

利用软件,拥有人性化开发例模型,然后分析了使用EnergyPlus软件。现有的能源使用模式决定,部分被替换为新的节能材料来计算最优的能源消耗水平。确定因素的最佳组合,实验设计(DOE)过程实现的。结果表明,在这类结构中位于热带地区,天花板的材料最实质性的影响能源使用和保护。壁结构也有一个强大的能量对消费的影响。关于空气质量,温度是最重要的变量。冷却负荷优化了温度和一系列的影响织物用于墙壁和天花板,专门装上双层玻璃的窗户与木材框架,吊顶石膏绝缘、反向砖单板R20墙上,温度26°C (28]。

绿色建筑的设计和施工等可以通过形式的模拟软件计算流体动力学(CFD),可以利用构造热模型的构建和一个虚拟的气流来评估设计施工开始前。最终目的是设计健康、舒适、节能建筑。任何改造之前,CFD能够评估可能改变现有的建筑。这将让用户知道改变设计风险和避免过度高估的好处,同时允许改善和增强29日]。然而,使用CFD执行一个标准的热模拟建筑(一年)可以有问题;例如,在确定正确的天空温度(有困难30.时可以不一致),温度峰值长期CFD模拟实现(31日),和气候变暖问题可能出现从一个正在进行的模拟32),而问题也存在模拟和时间步长(33风对热效率的影响的结构(34]。

本研究提出了一种优化的方法减少冷却和加热负载结构位于约旦这个国家位于撒哈拉沙漠的地中海温暖气候区。这种方法是基于识别的理想配置设计建筑的信封(窗墙比、玻璃类型外墙保温,等等)。设计获得最小的能源消耗,同时也确保热舒适是相同的对于一个典型的住宅楼。

这项研究涉及四个不同阶段:(我)首先,居住建筑的发展,符合国家约旦规范和评估其热力性能使用仿真软件称为“designbuilder - 6.1。“(35](2)第二,建立一个最常见的设计变量列表以及这些变量的逻辑值可以为目的的优化(3)第三,确定确定变量的显著影响所需的建筑的热效率(iv)第四,使用多目标数值优化技术确定的理想配置选择设计变量优化降低了能源消耗与冷却和加热

在这项研究中,有十二个建筑设计变量的灵敏度分析和优化在温暖的约旦撒哈拉沙漠的地中海气候区。这些变量是渗透,阴影,window-to-wall比率,屋顶,地板,隔墙施工、类型的窗框,窗户玻璃,建筑,自然通风,方向、外墙施工,窗口阴影控制计划。DesignBuilder软件是用于确定如何影响总体热效率。主要目的是大大减少冷却和加热的需要在维持居住者的热舒适性,利用机械生产的冷却和加热系统。

2。方法

以下部分提供了深度信息的过程后达到最优配置构建信封的设计信封,因此最大限度地减少所需的加热和冷却负荷获得相同的热舒适水平基线。

2.1。地理位置和气候

约旦坐落在阿拉伯沙漠地区和东地中海区域;因此,其气候特点是漫长的,温暖,和干旱的夏季,冬季通常是短暂的和寒冷的。一年中最冷的时期是在每年12月和2月之间的平均最低/最高温度范围10°C和5°C,而今年最热的时间是7月至9月,当平均最低/最高气温35°C和20°C之间的范围。在夏季,白天温度可以高达40°C或以上,特别是在炎热、干燥风从东南方向。冬天经常有相当大的降雨,降水量从200到400毫米,但这主要减少和停止当夏天到来。乔丹有各种不同的气候区域,一些表现出相似的气候在地中海地区,而其他人则由沙漠条件。约旦的气候可分为四个明确的季节,在最佳舒适性条件发生在春季和秋季。

撒哈拉沙漠的地中海区与全年温暖的阳光,空气,稳定,高压。它通常是全年温暖干燥。极热的夏天是热的平均气温35°C和山峰的热浪期间40°C。在寒冷的冬季,气温可以下降到寒冷的夜里;一般来说,平均高和低的温度图所示1。但是,没有大城市都位于这个气候区,只有Azraq等小城镇。

事实上,Azraq镇被选为代表的气候区作为它的纬度和经度31.23和34.78,分别,而站点海拔高度是525米。

这项研究将集中在以下几点:(我)进行模拟的热效率标准住宅结构代表一个典型的建筑在约旦和满足热规范表示的建筑规范利用DesignBuilder计划(36](2)确定建筑的参数需要优化的信封(3)进行灵敏度分析强调的特定参数的最有影响力的冷却和加热负载(iv)优化设计参数的优化过程中多个模拟的实现将确定最优解考虑任何接口在不同的设计参数

2.2。建立基线规格和形状

这个代表结构由一个生活空间客厅、厨房、存储空间,主卧室,两间卧室和两个洗手间总足迹覆盖大约186米²每个房间,分化为不同的区域,如图2和3。建筑/与长轴定向定位南北。不影响建筑外遮阳或风障碍,这意味着大量的太阳辐射被允许进入结构。

材料用于建筑信封以及他们得到了规范与标准体系结构设计方案的建筑规范乔丹之后,然后实施DesignBuilder计划如下:

2.2.1。外部、内部的墙壁,屋顶和地板

材料的规格和配置用于构造里面,外面,建筑物的屋顶和地板如表所示1。

2.2.2。外部窗口玻璃和框架

玻璃材料的规格和配置在外面窗户如表所示2。

热破碎铝框架(聚氯乙烯(PVC))是用于外部窗口值= 5.01 W / m²·K (37]。

2.3。仿真软件

DesignBuilder软件(版本6.1)是用于模拟建筑的能源性能的目的。这是一个软件项目基于EnergyPlus用于分析建筑能耗、冷却等考虑因素,听力,通风和照明。此外,它是用于控制和测量建筑物的碳,成本,和采光效率。这个软件提供了一个有效的方法来模拟和优化建筑物的信封和环境能够快速比较建筑组件的性能和即时提供精确的结果。DesignBuilder使用户能够调查改变建筑的各个组件信封如何影响建筑的能源效率和使用。

2.4。能源改造策略

基于提高通用热力性能的目标在这个气候区,各种考虑设计变量。

2.4.1。加热和冷却的温度设定值

冷却和加热的温度设置点系统在构建显著影响它使用的能量。因此,温度将在24°C和19°C冷却系统,分别以较低的加热和冷却负荷在维持使用者的热舒适。

2.4.2。建筑方向

如果建筑是优化的方向,可以减少能源消耗。选择方向,提供最佳的能源效率,基地建筑设计的旋转从0°- 360°5°一步从原来的方向。

2.4.3。外墙和屋顶的保温厚度

导热系数(值)的外墙有明显影响的总冷却和加热负载建筑物内。因此,它将探索使绝缘厚是否会有影响。表3展示了的变化值作为绝缘的厚度增加安装在外墙和屋顶。

2.4.4。内壁热质量

改变内部的热质量的影响墙将被调查。表4提供的热质量特征研究为构建内部墙壁。

2.4.5。层绝缘

测试进行评估的影响也将使用不同厚度的隔热层。表5说明了绝缘的厚度变化如何影响地板的价值。

2.4.6。玻璃类型

能源性能是影响玻璃的规格材料。因此,几个玻璃类型从DesignBuilder数据库测试,以确定它们如何影响建筑的冷却和加热负载。

2.4.7。窗墙比

信封有特别重要的一个特色建筑的冷却和加热负载是windows,因为他们促进能源获得来自太阳的辐射,同时也可能增加入渗率和热导率之间的结构和外部环境。因此,窗墙比介于0%和100%的步骤1将被分析。

2.4.8。渗透速率(漏气)

渗透的速度定义为空气进入建筑物的内部区域周围的外部环境通过裂缝,缝隙,门口。每小时换气(ac / h)是用来测量渗透速率。一系列的入渗率从0.25 (ac / h) 1将受到考验。

2.4.9。外部材质

外部材质可以通过提供附加装置表面的windows大楼外信封,包括百叶窗、悬臂侧鳍,如图4。表6显示了使用的各种场景,创建的设备测试单独或相互结合。

2.4.10。窗口阴影类型和时间表

设备用于提供材质为windows工具屏蔽窗口玻璃的表面,住户可以打开或关闭,以防止部分或全部辐射进入建筑物根据其透射率和反射率属性。

2.4.11。自然通风率和时间表

自然通风建筑可以是一个关键因素在减少冷却和加热负载如果适当地管理由于促进了内部和外部环境之间的热量交换基于不同地区之间的温差。

因此,自然通风率测试将执行0 (ac / h)到5 (ac / h)和0.1 (ac / h)的步骤与时间表确定房间里有人的频率。

在这个分析中,我们假定自然通风每天发生在短时间内(30分钟)来减少碳排放和湿度。由于很多原因,我们不包括夜间自然通风在夏季包括隐私,灰尘在沙漠地区,打开窗户两边创建流要求居民的参与打开特定的窗户在一天的特定时段期间,和结果的精度评估建筑物的热性能在撒哈拉沙漠的地中海温暖气候区没有住户的干扰。虽然这可以节省大量的能源,包括人的适应性和行为旨在节约能源将在最终结果有相当大的影响力。

2.5。敏感性分析

作为独立设计变量可以有一个综合效应在建筑内的冷却和加热负载,测试每个变量单独或利用局部灵敏度分析技术可以防止一个最佳的解决方案。因此,有必要对不同变量优化。

然而,如果有大量的变量值高,那么潜在模拟组合的数量将过度和运行模拟的过程可能非常冗长。

因此,有必要开展全球不确定性和敏感性分析,从而揭示的变量影响最大和最目标输出,根据这些研究结果,变量的数量包括在优化过程将会减少,这将随后加速优化的过程。

进行灵敏度分析使建筑设计参数之间的关系,阐述了有针对性的目标,这可以通过使用不同的方法包括快速(傅里叶振幅灵敏度测试),莫里斯和回归。

在这项研究中,将采用回归技术,因为它是包含在DesignBuilder计划的功能,这是一个详尽的方法利用获得复杂模型的反应;在这种情况下,灵敏度分析的一个关键方面是标准化回归系数,使变量被认为有最高的和最低的重要性。

冷却和加热负载作为目标,而上述设计变量是那些。

2.6。能源改造策略

为了增加结果的准确性提供了DesignBuilder,至关重要的是,考虑到各种因素:(我)一般建议用于随机模拟样品的大小是1.5到10倍的变量,而DesignBuilder指导方针表明它应该至少10倍的变量(2)在这项研究中,有12个主要变量,虽然有些可能至少16潜在的价值。因此,样本的大小是100倍的变量,这就意味着1200进行了随机模拟(3)当变量被定义,DesignBuilder表明,变量的值应该列按升序或降序排列;例如,外墙可以命令通过提高或降低相关价值(iv)同时,DesignBuilder建议进行灵敏度分析时,选择使用相同的值不应使用

2.7。优化

设计参数将被分成类别根据其意义的加热和冷却负荷。

然后,将分为两个不同的组的变量:那些高重要性(包括所有变量除了那些重视冷却和加热负载低)和较低的重要性。

这将是紧随其后的是优化的过程,这将使设计选项有效扫描,然后选择为了增强核心产品的效率的目的。

遗传算法(GA)在DesignBuilder用于寻找最优设计参数。此外,它还允许包含两个目标的分析,这是“最小化热负荷”和“减少冷负荷”。

每一代评估水平的人口中的变量;上下文中的优化问题,适合的水平通常是克服使用目标函数值。

现存的个体人口有更好的适合随机选择,然后,每个人的基因组(重组和可能自发突变)转换成另一代。下列迭代算法利用最新的一代的可能的解决方案。算法通常终止后生成一个特定数量的代或当健身的人口已经达到一个适当的水平。

图形插图将用于目前的研究成果,描述两侧加热和冷却,和每个变量的组合的结果分析了运行模拟时将在图表的形式。冷却/加热负载而言,最低的值代表了“帕累托”最优配置在左边底部的云数据点。

组的优化变量被认为有更高的重要性将使用一个随机样本包括6000年进行模拟,而2000模拟运行的另一组变量重要性较低。

优化完成后,两组的解决方案提供了最小的总结合加热和冷却负荷将选择结合起来并运行一个模拟的目的来确定设计变量进一步加热和冷却能量最小化。

3所示。结果与讨论

在这项研究中,有十二个建筑设计变量的灵敏度分析和优化在温暖的约旦撒哈拉沙漠的地中海气候区。这些变量是渗透,阴影,window-to-wall比率,屋顶,地板,隔墙施工、类型的窗框,窗户玻璃,建筑,自然通风,方向、外墙施工,窗口阴影控制计划。DesignBuilder软件是用于确定如何影响总体热效率。主要目的是大大减少冷却和加热的需要在维持居住者的热舒适性,利用机械生产的冷却和加热系统。

3.1。基准建筑

评估建筑物的某些配置信封的设计参数,传统结构的热性能必须获得作为一个基准。因此,基于约旦国家代码,参考建筑是为了研究开发它的热效率。仿真证明在撒哈拉沙漠的地中海温暖气候区(Azraq、约旦),每年的能源使用参考建筑是3194.66千瓦时/年分为1771千瓦时/年热负荷和冷负荷的3195千瓦时/年。

3.2。敏感性分析

过多的输入变量在一个优化过程可能产生数十亿的可能的解决方案。因此,优化前进行敏感性分析可以大大减少所需的模拟。为此,回归技术在灵敏度分析使用一个随机抽取的一千二百名(数百倍的变量)是实现。

标准化回归系数(SRC)的冷负荷图所示5表明,窗墙比的最大影响其次是外部材质类型,建筑在一楼,自然通风,和屋顶平台建设。其他变量包括建筑外墙,渗透(ac / h),类型的百叶窗,类型的玻璃,建筑定位、窗口阴影控制时间表和分区的建筑没有实实在在的对冷负荷的影响。因此,可以无视这些输入进行额外的冷负荷分析时使用这个模型。

热负荷的SRC如图6表明最强的变量有影响渗透(ac / h)导致热负荷上升其次是类型的玻璃,窗墙比,当地的材质类型,和温和的平屋顶结构。网站定位、地面建筑、百叶窗、分区建设,阴影控制时间表,自然通风率和外墙建筑供热量没有明显的影响。因此,这些输入时可以无视这个模型进一步分析热负荷。

基于灵敏度分析的结果使用SRC,两组设计变量的形成:(我)高度重视集团(当地的阴影,窗墙%,自然通风率、地面建筑、玻璃类型,平坦的屋顶结构,和渗透速率(ac / h))

高度重视集团中,窗墙比,当地的材质类型,变量和类型的玻璃是有交互影响的概率最高的冷却和加热变量由于这样的变量确定太阳能得热吸收辐射的程度,导致建筑内的温度上升。这太阳辐射热获得积极影响热负荷,同时大大增加了冷负荷,特别是在撒哈拉沙漠的区域环境温度可以达到极高的价值。

减少了地面和屋顶平台建设的价值减少了加热和冷却负荷。设计变量最强烈地影响热负荷是渗透速率,高渗透利率容易漏热量保留在建筑外部环境。此外,自然通风过程中起着重要作用正确控制时减少冷负荷。最小化的过程渗透速率和控制自然通风很简单,并且具有成本效益。窗户玻璃强烈影响热负荷是依赖于玻璃的透明特性,它允许在冬季阳光进入结构,需要对建筑内的温度降低热导率。(2)重要性较低组(网站定位、窗口阴影控制时间表,分区施工,百叶窗类型,和外墙施工)

两个分区和外墙的建筑是最有效的设计变量根据其输入值,并增加这些墙的隔热或热质量非常昂贵。虽然在进一步分析这些通常会被忽略,他们保留找到最佳解决方案。修改方向的情况下可以便宜的老板不是受制于土地的形状。最后,尽管类型的百叶窗的效果和相关的控制计划冷却和加热负载不强,他们不贵,如果他们正确地应用,有一种强烈的可能性,这将产生一个具有成本效益的解决方案。

3.3。优化

进行灵敏度分析之后,设计的两类变量获得然后进行了优化过程(分别为每个组)使用GA技术嵌入到DesignBuilder计划。总的来说,共有6000个随机变量重要性高的模拟运行,而2000随机模拟运行另一组,目的是尽量减少冷却和加热负载。

3.3.1。高度重视变量

图7显示了变量重要性高的云(解决方案)以及最优解决方案(帕累托面前)。

帕累托前(最优解)的优化包括200 6000解决方案,三个的调查:(我)尽量减少冷负荷

有16个最优解的冷负荷下1千瓦时/年,这些解决方案,热负荷的范围从339.4到461.2千瓦时/年。能源消耗最小的解决方案,设计变量有冷负荷的0.77千瓦时/年(可以忽略)和热负荷的339.4千瓦时/年。表7显示了设计变量在此解决方案中配置。

16个设计变量的最优解在很大程度上是相同的除了窗墙比,范围在0到10%之间,和当地的阴影的类型,在几乎所有的输入值不同。(2)尽量减少热负荷

有22个最优解与热负荷下1千瓦时/年。解决方案的热负荷为0.72千瓦时/年被选为最佳,因为它冷负荷最低的5715.07千瓦时/年(冷负荷之间的所有解决方案包括5715.07和16665.02千瓦时/年)。提出了一些设计参数表8。

22最优解的变量共享渗透速率,玻璃类型和屋顶建筑。自然通风介于1.1和4.7之间ac / h,窗墙比介于100%和72之间的地方阴影类型要么是零阴影或阴影以最小的风险,和一楼建设共享一个绝缘厚度从7.5至15厘米。(3)最小化一起加热和冷却负荷

总冷却和加热的能源消耗是最低的270.08千瓦时/年分为43.71千瓦时/年关于冷负荷和226.37千瓦时/年对热负荷。

基于比较高的设计变量重要性的冷负荷分别单独供热负荷,和冷却和热负荷的总和,很明显,优化热负荷分别是最不划算的解决方案和最不节能。冷负荷是最小化的解决方案单独收益率相对类似水平的整体能源消耗冷却和加热和负载的解决方案同时优化。然而,后者提供了最高的成本效益和能源效率,因为它不需要任何阴影,促进更好的光指数。

3.3.2。低的重要变量

图8显示了变量重要性低的云(解决方案)以及最优解决方案(帕累托面前)。

从2000解决方案,帕累托前(最优解)由16个最优解之间的冷负荷变化2175.35和2836.5千瓦时/年1514.37之间的热负荷变化和最优解的数量很低,加热和冷却负荷都是在一个小范围内,唯一的解决方案选择是一个加热和冷却的总和是最低。这个解决方案,整体能耗为3868.65千瓦时/年(1587千瓦时/年供暖和冷却2300千瓦时/年)。

3.3.3。最优解

后续的选择最佳解决方案组变量与低和高的重要性,这两个解决方案中的设计变量合并为了创建一个解决方案是建筑的冷却和加热负载。总能量进一步降至80.81千瓦时/年分为0.19千瓦时/年冷负荷和热负荷81千瓦时/年。然而,减少能源的消耗通过应用更改推荐的优化设计变量重要性较低的似乎并没有产生一个具有成本效益的解决方案,特别是外墙的施工和分区。

4所示。结论

本研究描述的几个设计变量优化结构Azraq,乔丹,一个国家位于撒哈拉沙漠的地中海温暖气候区。目标是降低加热和冷却的能源消耗,同时保持了热舒适。

进行仿真来确定参考建筑的热效率。这表明,消费的参考建筑4966千瓦时/年(3195千瓦时/年冷却和加热1771千瓦时/年)。用回归方法灵敏度分析找到设计结果分为两组:高重要性组七个变量和重要性较低组由五个变量。

两组变量然后使用遗传算法进行了一个优化的过程。进行了比较优化设计变量重要性高时三个解决方案:尽量减少冷负荷,减少热负荷,同时和最小化冷却和加热负载根据不同负载最低的总和。比较表明,冷却和加热负载优化的解决方案同时提供最高的成本效益和降低总体能耗94.56%,98.63%,87.22%,整体能源使用,冷负荷和热负荷。优化的节省的能源消费总量是270千瓦时/年(226千瓦时/年供暖和冷却44千瓦时/年)。

最佳解决方案的选择的变量是根据重要性较低的最低求和的冷却和加热负载只因为只有16最优解产生的优化(帕累托前)的消费能源没有明显改变,设计变量有密切值。选择的解决方案的能源消耗减少了22%,28%,11.4%,能源消费总量,冷负荷和热负荷。从优化是获得的能源总消费量3869千瓦时/年分为2300千瓦时/年冷负荷和热负荷1569千瓦时/年。然而,这种解决方案可以降低的成本效益的能源消耗仅是最低限度降低即使相关的成本很高,尤其是外墙的施工和分区。

结果表明,能源总消费量为81千瓦时/年分为0.19千瓦时/年冷负荷和热负荷81千瓦时/年。这是与4966千瓦时/年的能量(3195千瓦时/年冷却和加热1771千瓦时/年)。因此,能源消耗的减少总能耗的98%。虽然最小化的目标/消除冷却和加热负载实现,一些变量的选择可能不适用或现实的现实世界。因此需要进一步的工作。

数据可用性

(仿真软件中使用的输入数据)用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢格兰特种子基金(SNERM 04/2018)由院长以来German-Jordanian大学的研究生学习和研究。

引用

1. w . Koppen、大肠Volken和s . Bronnimann“地球的热区域根据热的持续时间,温和和冷期和热有机世界的影响(翻译:死Warmezonen大地之,去der多尔der heissen, gemassigten和kalten时间和去der Wirkung der Warme auf死organische沿条betrachtet, Meteorol Z 1884, 1, 215 - 226年),“Meteorologische Zeitschrift,20卷,不。3、351 - 360年,2011页。视图:谷歌学术搜索
2. m . Ayoub和a . Elseragy”参数化hot-arid传统domed-roofs日晒气候在阿斯旺,埃及,”能源与环境卷,29号1,第130 - 109页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. m·a·a·e·d·a·赛义德·m·a·Fikry,“玻璃外墙对建筑物内部环境的影响在炎热干旱地带,“亚历山大工程杂志,卷。58岁的没有。3、1063 - 1075年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. s . Sahebzadeh z Dalvand、m . Sadeghfar和a . Heidari对伊朗伊斯兰共和国通讯社表示,“伊朗的乡土建筑热区域;元素和策略一个舒适的生活环境。”智能和可持续建筑环境2020年,卷。28日。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. n .乌鲁蒂亚del Campo o . Grijalba Aseguinolaza, A·埃尔南德斯Aja”案例城市小气候多样分类过程:整理材料和阴影在城市设计中,“城市和环境工程杂志》上,14卷,不。1,42-51,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. m . n ., a Albatayneh, m . Jaradat和d . Alterman”渗透的有效性对屋顶保温针对低收入住房改造为不同气候区在约旦,”环境和气候技术,24卷,不。时间为3页。月11日至22日,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. e·约翰逊d . Ouahrani h .瓶Al-Asir et al .,“气候有意识的建筑和城市设计Jordan-towards节能建筑和改善城市小气候,”报告,12卷,2009年。视图:谷歌学术搜索
8. e·约翰逊d . Ouahrani h .瓶Al-Asir et al . .
9. j·施奈德被动的房子在南西欧:定量调查的一些被动和主动的空间高度节能住宅空调技术在欧洲西南部地区,[博士。论文)凯泽斯劳滕工业大学,2009。
10. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”发展一种新的衡量标准来描述建筑热性能在气候温和,“能源可持续发展,51卷,页1 - 2日,2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”的意义基于温度的方法对建筑物热评估的基于能量的方法,”环境和气候技术,19卷,不。1,39-50,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”的意义适应性热舒适的空调负荷限制气候温和,“可持续性,11卷,不。2,p。328年,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”热舒适的影响模型的预测建筑能源消耗,”可持续性,10卷,不。10,3609年,页2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”热评估的建筑根据居住者的行为和适应性热舒适的方法,”能源Procedia卷,115年,第271 - 265页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”完成建筑物的热性能的评估使用适应性热舒适,”Procedia-Social和行为科学卷,216年,第661 - 655页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”热的温度与基于能量的方法评估的建筑,”能源Procedia卷。128年,46-50,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. n . Daouas z•哈桑,h·b·Aissia”分析研究周期解的热性能和最佳的保温厚度在突尼斯垒墙,”应用热工程,30卷,不。4、319 - 326年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. d·迪亚斯j . Machado诉Leal, a·门德斯”使用很酷的描绘对能源需求的影响和热舒适的住宅建筑,”应用热工程,卷65,不。1 - 2、273 - 281年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. h . Rosenlund、d . Ouahrani和e·约翰逊”架构adaptee辅助区域干旱,”报告7卷,1997。视图:谷歌学术搜索
20. m . Baneshi h染色体组和s . Maruyama“酷黑色屋顶影响到冷却和热负荷需求的住宅建筑在各种气候条件下,“太阳能材料和太阳能电池卷。152年,21-33,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. d . Tuhus-Dubrow和m . Krarti“基于遗传算法的优化方法建立信封设计住宅,”建筑与环境,45卷,不。7,1574 - 1581年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. t .Østergard r·l·詹森和s e . Maagaard”早期的建筑设计:明智的决策通过探索多维设计空间使用敏感性分析,“能源和建筑卷。142年,8-22,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 杨,w .田,大肠而著名,孟x, y l . Liu和l .魏”比较灵敏度分析方法在建筑物能源评估、”Procedia工程卷,146年,第181 - 174页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. e . Brembilla j . Mardaljevic和c j . Hopfe“敏感性分析研究反射率值分配的影响以日光造型,”学报BS2015: 14日,海得拉巴IBPSA会议2015,海得拉巴,印度,2015。视图:谷歌学术搜索
25. a . s . An-Naggar m·a·易卜拉欣和e·e·哈利勒,“能源性能仿真住宅,”Procedia工程卷,205年,第4194 - 4187页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. p . Prajongsan和美国Sharples”,增强自然通风、热舒适、节约能源在高层住宅建筑在曼谷通过使用通风井,“建筑与环境,50卷,第113 - 104页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. a . n . Sadeghifam s . m . Zahraee m . m . Meynagh和i Kiani”结合使用实验设计与动态仿真评估热带住宅的能源效率”能源和建筑卷,86年,第533 - 525页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. t . Tan和m . Szumanska建筑参数的敏感性和不确定性分析集能源、日光和热舒适2019年,瑞典隆德大学。
29. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”气候的建筑设计的意义。”环境和气候技术,22卷,不。1,第178 - 165页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi“天空温度的重要性的评估建筑物的热性能,”应用科学,10卷,不。22日,第8057页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”差异在峰值温度时期住房热性能,通过长时间的CFD模拟”能源Procedia卷,115年,第264 - 253页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. a . Albatayneh d . Alterman a . w .页面,和b . Moghtaderi“变暖问题相关的长期住房使用CFD模拟分析,“《绿色建筑,11卷,不。2,页57 - 74,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
33. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”时间步大小的意义在模拟建筑物的热性能,”研究的进步,5卷,不。6、1 - 12,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. a . Albatayneh d . Alterman a页面,b . Moghtaderi”替代方法复制风力影响到建筑热模拟、”建筑,10卷,不。12,237页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. 2021年,https://designbuilder.co.uk//。
36. 2021年,https://www.buildings-mena.com/files/JordanNationalBuildingCodes.pdf。
37. 答:阿里汗,“U值& SHGC价值——对能源消耗的影响,”2021年,https://wfmmedia.com/u-shgc-value-impact-on-energy-consumption/。视图:谷歌学术搜索

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