基于室外微气候及能耗双向耦合优化的光伏建筑设计方法

本发明涉及城市建筑群设计，具体涉及基于室外微气候及能耗双向耦合优化的光伏建筑设计方法。

背景技术：

1、随着全球经济的快速发展，人类对能源的需求不断增长，导致了日益严重的能源短缺问题。建筑业作为全球碳排放的主要来源之一，能源消耗巨大。因此，实现建筑业的低碳发展对于减少碳排放至关重要。通过采取低碳建筑设计和可持续能源利用的措施，可以降低建筑的能耗，减少对传统能源的依赖，从而实现碳排放的减少。

2、可再生能源作为一种可持续发展的能源解决方案，在建筑业的低碳发展中发挥着重要作用，有助于减少碳排放并实现能源的可持续利用。太阳能光伏技术作为一种可再生能源解决方案，在建筑行业得到广泛应用，旨在提高可再生能源的利用效率，降低建筑能耗，并减少对环境的污染。通过将光伏发电系统与建筑物紧密融合，光伏建筑一体化技术能够有效地利用太阳能资源，并将其转化为满足建筑需求的电力。这种技术的广泛应用不仅减少了对传统能源的依赖，也为建筑行业带来了可持续发展和环境保护的机遇。

3、此外，城市微气候对建筑能耗和居住环境质量有重要影响。优化室外微气候环境可以改善建筑区域内用户的舒适性，并减少污染物扩散、城市热岛效应等问题。并且室外微气候因素和建筑能耗之间的复杂关系对光伏建筑一体化技术的性能和光伏建筑能源利用效率产生了重要影响。

4、目前，针对光伏建筑的室外微气候和建筑能耗之间的耦合关系研究已经取得了一些进展。在室外微气候方面，研究人员通过气象站和传感器等设备监测并记录气温、辐射、风速等参数。然而，这些传统监测方法仅能提供离散点数据，无法全面反映光伏建筑群内部微气候的复杂变化。

5、另一方面，在建筑能耗评估方面，已经出现了一些模拟方法和计算工具，用于评估建筑的热负荷、能耗和节能潜力。这些方法通常基于建筑物的几何形状、材料属性和系统设计参数，以及一些假设和经验公式进行计算。如公布号为cn110826134a的发明专利公开了一种基于能耗及局域微气候综合优化的城市建筑群设计方法，该专利仅将建筑温度或热流分布输入三维流体动力学模型中作为边界条件求解风场和温度场，利用求解出的温度场和风场计算室外空间微气候指标，但其未考虑到建筑所在地面环境对建筑群的能耗及室外微气候也存在影响，也未考虑到一体化光伏围护结构的安装对室外环境及建筑能耗也产生一定的影响，因此该专利中所计算出的室外空间微气候指标与实际情况存在一定的差距，进而会导致模拟结果不准确问题。

6、综上所述，当前存在能源危机、建筑行业能耗增加以及传统评估方法不准确的问题。因此，发明人针对光伏建筑设计，综合考虑了室外微气候和建筑能耗的双向耦合影响因素，以达到优化光伏建筑的设计和提高能源利用效率的目的。

技术实现思路

1、本发明公开一种基于室外微气候及能耗双向耦合优化的光伏建筑设计方法，通过优化模型可以获得更加准确的光伏建筑本体能耗、光伏发电量、光伏建筑群周围的室外微气候等模拟结果，为光伏建筑的低能耗设计提供了准确的参考信息。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、基于室外微气候及能耗双向耦合优化的光伏建筑设计方法，包括如下内容：

4、步骤1：获取光伏建筑所在场地的平面图、建筑平面图、建筑的一体化光伏围护结构信息、暖通空调系统信息、室内人员信息、照明信息、设备功率密度信息和建筑光伏设计方案，确定建筑所在场地典型气象年参数资料；

5、步骤2：基于步骤1所收集的信息，建立整体建筑的能耗分析模型、光伏计算模型和三维流体动力学模型；

6、步骤3：基于能耗分析模型计算得到建筑本体能耗、建筑墙体外表面温度、地表温度以及空调系统废热排放量；基于光伏计算模型计算得到光伏表面温度和光伏发电量；

7、其中，空调系统废热排放量的计算方法如下：

8、(1)将光伏表面温度回代入能耗分析模型，计算得到一体化光伏围护结构的内表面温度tpvi,i；

9、(2)计算出建筑光伏初步设计方案中的一体化光伏围护结构的传热对建筑负荷的改变量qpv：

10、

11、上式中，参数含义如下：

12、qpv为增加一体化光伏围护结构后，建筑负荷改变量；

13、kpv,i为第i个一体化光伏围护结构的传热系数，单位为w/(m2·℃)；

14、ki为第i个一体化光伏围护结构所在表面的原围护结构传热系数，单位为w/(m2·℃)；

15、ai为第i个一体化光伏围护结构所在表面的面积，单位为m2；

16、tpvo,i为第i个一体化光伏围护结构光伏表面温度，单位为℃；

17、tpvi,i为第i个一体化光伏围护结构的内表面温度，单位为℃；

18、to,i为第i个一体化光伏围护结构所在表面的原围护结构外表面温度，单位为℃；

19、ti,i为第i个一体化光伏围护结构所在表面的原围护结构内表面温度，单位为℃；

20、(3)计算建筑立面或建筑屋顶添加了一体化光伏围护结构后，空调系统废热排放量q：

21、当空调系统工作于制冷时段，空调系统废热排放量q按下式计算：

22、

23、当空调系统工作于制热时段，空调系统废热排放量q按下式计算：

24、

25、其中，qc为空调系统冷负荷量，qh为空调系统热负荷量，eer为空调制冷性能系数，cop为空调系统制热性能系数；

26、步骤4：将计算所得到的建筑墙体外表面温度、光伏表面温度、地表温度、及典型气象年参数作为三维流体动力学模型的边界条件，将空调系统废热排放量作为热源设置输入三维流体动力学模型；

27、步骤5：对三维流体动力学模型设定数据提取网络点，三维流体动力学模型输出建筑周围的室外温度场和气流组织空间分布情况，提取不同区域位置平面范围的室外温度场和风场数据，将提取的室外温度场和风场数据输入能耗分析模型及光伏计算模型用于更新模型计算参数；

28、步骤6：重复执行步骤3至步骤5，进行耦合模拟循环迭代，设定循环迭代停止条件，以最后一次迭代数据作为最终数据输出，则该次迭代步长完成；

29、步骤7：设置模拟时间段，重复步骤6中每个迭代步长的计算，得到该模拟时间段的建筑本体能耗指标、光伏发电量指标和建筑周围的室外微气候指标。

30、进一步，所述步骤2中，建立三维流体动力学模型包括如下内容：建立计算域、设定边界条件、划分网格单元、生成精细化网格、对研究区域的网格进行局部加密处理。

31、进一步，所述步骤6具体执行内容如下：

32、步骤6.1：根据步骤5更新计算数据后的能耗分析模型和光伏计算模型，重复步骤3、步骤4、步骤5，再次进行计算，每完整进行一次步骤3、步骤4、步骤5的计算，视为一次耦合迭代计算完成；

33、步骤6.2：将第n次和第n-1次的建筑墙体外表面温度、地表温度、光伏表面温度以及建筑周围平均温度的计算结果进行比较，当差值百分比小于设定值时，该耦合模拟完成；

34、步骤6.3：输出第n次耦合迭代后的建筑本体能耗指标、光伏发电量指标和建筑周围的室外微气候指标。

35、进一步，所述步骤1中，暖通空调系统信息包括室内空气调节及暖通空调运行时间、室内温度、暖通空调系统型号、制冷效率、制热效率；照明信息包括照明功率密度及开关时间；设备功率密度信息包括设备功率密度及设备使用率；建筑光伏设计方案包括光伏板材料型号、铺设平面及铺设面积、发电效率、峰值功率温度系数、模块有效面积百分比。

36、进一步，所述步骤2中的光伏计算模型建立包括：光伏表面设定，设定光伏表面，周边遮挡设置，光伏模块选择，材料、峰值功率温度系数、发电效率设置，模块有效面积百分比设置，周围环境反照率设置。

37、进一步，所述步骤4中，将建筑墙体外表面温度、地表温度和光伏表面温度作为三维流体动力学模型的墙体边界及地面边界温度，将空调系统废热排放量作为三维流体动力学模型的热源能量设置，将典型气象年参数作为三维流体动力学模型的初始边界条件，根据所在场地及周边环境设定粗糙度长度。

38、本发明与cn110826134a中公开的现有技术相比，具有以下不同：

39、(1)本发明考虑了建筑所处的地形条件，模拟出建筑所在地的地表温度，并将其作为边界条件输入三维流体动力学模型，已经考虑到地面环境对光伏建筑群的能耗和室外微气候会产生影响；

40、(2)本发明除了将建筑温度或热流分布作为边界条件外，还计算了空调系统废热排放量，并将其作为热源设置条件输入cfd软件中；而现有技术中的冷热负荷仅为最终计算量，未参与至耦合模型中作为边界条件；

41、(3)本发明以光伏建筑为主体，计算出光伏表面温度和光伏发电量，考虑了光伏建筑的一体化光伏围护结构添加后对室外环境和建筑能耗的影响，同时也可更准确的用于评估光伏发电量；

42、(4)现有技术中仅为单次耦合，没有达到最终的收敛；而本发明进行多次耦合迭代，设置迭代停止条件，选取最终迭代结束后的结果进行分析，通过多次循环迭代，以找到更为准确的迭代收敛值，获得更加准确的模拟计算数据。

43、本发明通过能耗分析模型及光伏计算模型计算出建筑墙体外表面温度、地表温度、空调系统废热排放量、光伏表面温度，将上述作为三维流体动力学模型的温度边界条件和热源输入，并用三维流体动力学模型计算出室外环境的温度场和风场作为能耗分析模型的初始条件进行建筑本体能耗、建筑表面温度和光伏表面温度计算，经过多次迭代得到基于能耗分析模型和三维流体动力学模型双向耦合计算的建筑本体能耗和室外微气候模拟结果，可以更精确的得到光伏建筑本体能耗、光伏发电量和光伏建筑群周围的室外微气候，增加模拟的准确度和可靠性，减少模拟误差，对于评估近零能耗建筑的能耗及其室外微气候具有十分重要的意义。