適應性建築表皮的多目標最佳化模型

《適應性建築表皮的多目標最佳化模型》是依託同濟大學，由金倩擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：適應性建築表皮的多目標最佳化模型
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：金倩
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

為滿足建築室內環境舒適度而消耗大量不可再生能源和排放溫室氣體所導致的氣候變暖，已成為不容忽視的全球性的環境問題。建築圍護結構作為建築室內與室外的分界面，其光學、熱學性能對建築能耗、室內光、熱環境有著十分重要的影響。從仿生學的角度來說，建築圍護結構不應是靜態的封閉結構，而應是對氣候進行動態“過濾”的表皮。本課題以適應性建築表皮為研究對象，以降低建築能耗、改善室內熱環境與光環境舒適度為目標，將建築性能動態模擬與多目標最佳化算法相結合，建立針對適應性建築表皮的自動化、系統化的最佳化模型；並以我國冬冷夏熱地區為例，探索適應性建築表皮瞬時最優性能的變化規律和調控策略；運用全生命周期法分析適應型建築表皮的經濟效益和環境效益。本課題旨在揭示適應性建築表皮的性能變化對建築能耗和室內光、熱環境的影響機制，探索適應性建築表皮在我國建築市場的套用潛力，為我國綠色建築外牆技術的發展提供新思路。

結題摘要

建築圍護結構作為建築室內與室外的分界面，其光學、熱學性能對建築的總能耗和室內光、熱環境有著十分重要的影響。隨著新材料、新技術的研發和利用，建築圍護結構逐漸從靜態的封閉結構向對氣候進行動態“過濾”的、適應性的建築的表皮逐漸演變。設計師在建築設計的過程中也力求使建築表皮能夠有選擇性地對熱量、聲音、可見光等環境條件和資源進行傳遞、過濾或阻隔，從而在多個設計要求中找到最佳平衡點。本課題以適應性建築表皮為研究對象，以降低建築能耗、改善室內熱環境與光環境舒適度為目標，將多目標最佳化計算方法利用數學建模軟體進行表達，並與建築性能模擬軟體結合，對適應性建築表皮進行模擬最佳化。在此基礎之上探索適應性建築表皮的瞬時最優光學、熱學性能的變化規律和最佳調控策略，並對其經濟效益和環境效益進行分析。研究主要成果為一套針對適應性建築表皮的模擬和最佳化模型，該模型可假設適應性建築表皮的光、熱學性能參數可根據控制條件在一定頻率和數值範圍內任意變化，通過全年的模擬計算得到最優（即能使總能耗和室內環境質量達到最佳平衡）的性能參數組合。其中還利用了熱學歷史管理技術對建築表皮具適應性的性能參數在以每日/次以上頻率改變時進行控制，從而能夠準確模擬前一時間段內的最優解對後一時間段的影響。在此基礎之上，研究還對熱學性能可變的外牆保溫板和熱學、光學性能同時可變的透明外牆材料展開分析，給出全年中各性能參數在不同調節頻率下（從每季度/次遞增至每小時/次）在每個調節區間內的最優值和最佳調節策略。計算結果表明適應性材料相對於傳統外牆材料可將節能性和室內環境質量提高約50%。另外，研究還通過量化分析確定了光伏玻璃和電致變色玻璃的優越性，並對相變材料保溫板的材料和構造設計提出具體意見。本研究揭示了適應性建築表皮的性能變化對建築能耗和室內光、熱環境的影響機制，量化了適應性建築表皮在我國建築市場的套用潛力，為綠色建築外牆技術的發展提供了新的方向。