一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法

本申请涉及建筑工程，具体为一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法。

背景技术：

1、随着全球工业化程度的提高和不可再生能源的过度开发，大量温室气体被释放，导致全球气温升高，引发一系列环境恶化问题。据统计，我国建筑营造速度逐年增加，城乡建筑面积大幅增加，2005—2020年，我国全国建筑全过程碳排放由22.3亿吨co2，上升至50.8亿吨co2，是原来的2.3倍，年均增速为5.6%。作为能源消耗与碳排放极高的行业，建筑行业的新能源应用也愈发重要，在建筑物消耗的能源当中，有80%来自化石燃料。为应对未来的环境问题，建筑可再生能源的应用在全球范围内得到了越来越多的国家政府的支持，其中建筑光伏发电在目前的可再生能源发电中占比最大，应用范围最广。

2、随着城市的发展，城市中高层建筑的数量越来越多，巨大的建筑幕墙系统具有较高的光伏潜力。目前的光伏建筑一体化（bipv）技术允许将光伏系统集成安在建筑的各种表面上，包括外墙、外窗与幕墙系统。立面光伏系统利用建筑物的垂直墙来安装太阳能电池板，能够部署更大的太阳能电池板面积，因此它可以获得更多的能源生产，从而提高建筑物的能源性能。

3、主动式幕墙是一种具有可变结构形态的建筑幕墙系统，可以根据外在环境发生折叠、变化、旋转等形状改变，从而改变遮蔽角度，营造优秀的建筑光热环境，调节室内舒适度。

4、现有主动式幕墙控制系统统往往只基于简单的室内温控或光控逻辑运行，其并未考虑主动式幕墙产生的连续复杂形态变化对分布于其表面的光伏面板实际效能所产生的具体影响，因此现有控制方法造成了太阳能资源的浪费，以及不当变形而导致的空调能耗飙升。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对现有主动式幕墙控制系统统往往只基于简单的室内温控或光控逻辑运行，其并未考虑主动式幕墙产生的连续复杂形态变化对分布于其表面的光伏面板实际效能所产生的具体影响，因此现有控制方法造成了太阳能资源的浪费，以及不当变形而导致的空调能耗飙升的问题，提供一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法。

2、本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

3、一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，包括以下步骤：

4、步骤1：建立城市环境与城市遮挡模型和可变建筑表皮系统参数化模型；

5、步骤2：设定用于评估可变建筑表皮的评估指标；

6、步骤3：根据城市环境与城市遮挡模型确定工程约束边界条件，并利用可变建筑表皮系统参数化模型在工程约束边界条件内进行演化并模拟生成建筑表面形态变化样本数据，之后结合评估指标作为核心目标函数，对各建筑幕墙单元的三维形态参数进行迭代，得到可变建筑表皮最佳分时形态变化逻辑，并将该逻辑作为可变表皮控制策略。

7、进一步的，所述步骤1的具体步骤为：

8、步骤11：获取自然条件信息，采集并参数化地块特征，之后利用自然条件信息和地块特征建立城市环境与城市遮挡模型；

9、步骤12：利用rhino三维建模平台构建包含标准层形态变化及层间连续物理形变逻辑的可变建筑表皮系统参数化模型。

10、进一步的，所述自然条件信息包括目标地域的气候分区、全年逐时温度、干/湿球温度、降水概率、日照强度以及不同季节的太阳运动轨迹。

11、进一步的，所述地块特征包括建筑高度与街道宽度的比例关系、周遭建筑物的进深和面宽、楼间距、容积率。

12、进一步的，所述步骤2中用于评估可变建筑表皮的评估指标包括光伏能源效率、光伏经济效率以及体形-光伏折损比。

13、进一步的，所述光伏能源效率表示为：

14、，

15、其中，为变化形体建筑的光伏能源效率，为变化形体建筑筛选区域的全年总太阳辐射，为标准形体建筑筛选区域的全年总太阳总辐射。

16、进一步的，所述光伏经济效率表示为：

17、，

18、其中，为变化形体建筑的光伏经济效率，为变化形体建筑筛选区域的全年总太阳辐射，为标准形体建筑筛选区域的全年总太阳总辐射，为变化形体建筑筛选区域面积，为标准形体建筑筛选区域面积。

19、进一步的，所述体形-光伏折损比表示为：

20、，

21、其中，为变化形体建筑的体形-光伏折损比，为变化形体建筑筛选区域的全年总太阳辐射，为标准形体建筑筛选区域的全年总太阳辐射，为变化形体建筑体积，为标准形体建筑体积，为变化形体建筑表面积，为标准形体建筑表面积。

22、进一步的，所述步骤3的具体步骤为：

23、步骤31：将光伏能源效率与光伏经济效率作为最大化的适应度目标函数，同时，将体形-光伏折损比作为最小化的适应度目标函数；

24、步骤32：根据城市环境与城市遮挡模型确定工程约束边界条件，并利用可变建筑表皮系统参数化模型在工程约束边界条件内进行演化并模拟生成建筑表面形态变化样本数据；

25、步骤33：基于形态变化样本数据，提取参数的分布特征，并基于步骤31中的适应度目标函数，对各建筑幕墙单元的三维形态参数进行迭代，得到可变建筑表皮最佳分时形态变化逻辑，并将该逻辑作为可变表皮控制策略。

26、进一步的，所述步骤33中形态寻优通过grasshopper平台上的octopus插件环境进行。

27、本发明的有益效果是：

28、本申请将可变表皮的物理形变特征与城市高密度环境光辐射条件进行深度数字耦合，并通过建立多维度的综合效能评价指标体系，利用多目标优化算法确定目标建筑物在特定光气候环境下的最佳分时形态变化逻辑，从而确定主动式幕墙控制系统的控制策略。该策略充分考虑了主动式幕墙产生的连续复杂形态变化对分布于其表面的光伏面板实际效能所产生的具体影响，因此避免了现有控制方法造成的太阳能资源浪费，以及不当变形而导致的空调能耗飙升的问题。

1.一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，其特征在于所述步骤1的具体步骤为：

3.根据权利要求2所述的一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，其特征在于所述自然条件信息包括目标地域的气候分区、全年逐时温度、干/湿球温度、降水概率、日照强度以及不同季节的太阳运动轨迹。

4.根据权利要求3所述的一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，其特征在于所述地块特征包括建筑高度与街道宽度的比例关系、周遭建筑物的进深和面宽、楼间距、容积率。

5.根据权利要求4所述的一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，其特征在于所述步骤2中用于评估可变建筑表皮的评估指标包括光伏能源效率、光伏经济效率以及体形-光伏折损比。

6.根据权利要求5所述的一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，其特征在于所述光伏能源效率表示为：

7.根据权利要求6所述的一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，其特征在于所述光伏经济效率表示为：

8.根据权利要求7所述的一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，其特征在于所述体形-光伏折损比表示为：

9.根据权利要求8所述的一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，其特征在于所述步骤3的具体步骤为：

10.根据权利要求9所述的一种可变建筑表皮的光伏效能仿真评估优化方法，其特征在于所述步骤33中形态寻优通过grasshopper平台上的octopus插件环境进行。