基于反射涂层和垂直绿化的既有建筑外墙优化应用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于反射涂层和垂直绿化在既有建筑外墙上优化应用方法。该方法包括：第一步是对应用了不同技术各朝向墙体构建数值传热模型并计算其温度场和热流场。第二步是以墙体负荷最小和成本最少为两个目标函数进行多目标粒子群优化，得到帕累托前沿。第三步是对所有非支配解即可行性方案，熵权‑灰色关联‑TOPSIS决策挑选出最优解。最后计算方案的整体生态效益。本发明专利技术可以将以高反射涂层和垂直绿化为主的建筑外立面冷技术应用于既有建筑围护结构改造，整个方法具有简单快速有效，所得到的最终优化方案兼顾墙体节能和投资经济性和生态效益优点。

Optimization application method of existing building exterior wall based on reflective coating and vertical greening

【技术实现步骤摘要】
基于反射涂层和垂直绿化的既有建筑外墙优化应用方法
本专利技术属于土木工程领域，具体涉及一种基于反射涂层和垂直绿化在既有建筑外墙上优化应用方法。
技术介绍
随着全球经济发展，建筑能耗占世界能源消耗总量的30％～40％，而其中又有将近一半以上的能耗被供暖、通风和空调(HVAC)系统消耗，随着世界人口的持续增长和生活水平的提高，建筑能耗预计会继续增加，根据InternationalEnergyOutlook2016，2040年住宅建筑行业的能耗比2012年将增加48％，商业建筑行业的能耗将增加56％，能源短缺问题已不容忽视。降低建筑能耗、改善建筑本体与周边热环境、保护生态环境是建筑节能的目标。冷表皮技术已成为适应和缓解这一问题的策略之一。冷表皮技术是指可以降低围护结构外表面温度的隔热技术措施。为应对日益严峻的能源形势和全球气候变暖等问题，美国国家环保总局和国家能源部于20世纪末在全美范围内共同发起了“冷社区项目”，试图通过采用高反射材料、植被绿化等方式缓解城市热岛效应，降低建筑能耗并提高室内舒适度。由于目前尚未有专门针对冷表皮技术的技术规范，而与之较相关的如建筑反射隔热涂料、屋顶绿化等技术标准中的规定较为笼统，缺乏对不同气候区的针对性。目前也没有关于不同冷表皮技术最佳组合的研究。因此还需要对冷表皮技术开展进一步的研究。过去的研究只考虑了单一技术对对墙体的温度和空调能耗影响，或是只针对某个朝向上某种技术的应用效果进行研究。几乎没有人对垂直绿化和反射隔热涂层同时应用在建筑四个朝向立面上的节能效果分析。而反射隔热涂层和垂直绿化技术对于改善围护结构热工性能具有很大的帮助，且价格低廉，尤其有利于既有建筑围护结构改造。且过去的研究方法多采用如DesignBuilder和EnergyPlus等模拟节能效果，但这类能耗模拟软件需要前期复杂的建模和设置较多参数，且很难得出温度场和热流场，而用CFD软件模拟温度场和热流场结果比较精确，但该方法对于边界条件和初始条件的处理会更复杂，尤其是在处理初始条件时，几乎是采用模拟初始时刻的实测数据作为初始条件，这种方法对于无法进行测试的、尚在设计方案阶段的建筑，是不可能对其墙体和室内热环境性能进行模拟、预测和评价的。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种基于反射涂层和垂直绿化在既有建筑外墙上优化应用方法，以解决上述技术问题。为实现上述目的，本专利技术提出了一种基于反射涂层和垂直绿化在既有建筑外墙上优化应用方法，包括：首先建立了一种简单的数值传热模型模拟建筑采用了高反射涂层与不同垂直绿化方式前后的情况。其次采用多目标粒子群算法MOPSO(Multi-objectiveparticlesswarmoptimization，多目标粒子群优化方法)，以外墙得热量最小和经济成本最小为目标函数，各技术面积为自变量，对高反射涂层和绿化技术在建筑立面上应用的面积配比进行了优化计算。本研究中采用的算法加入了轮盘赌算法进行改进，增加了个体选择随机性，降低算法陷入局部最优的风险。本文采用了一种熵权-灰色关联-TOSIS(TechniqueforOrderPreferencebySimilaritytoanIdealSolution，逼近理想解排序法)法进行多目标决策，最终得到最佳的技术组合方案。这种决策方法首先利用熵权法为各评价指标客观赋权，然后确定各指标的正负理想值；运用灰色关联度法判断样本关联程度；最后利用TOPSIS法对样本进行排序。除此之外，还对方案的生态效益进行了分析。有益效果(1)可以快速有效地模拟出采用反射隔热涂层和垂直绿化技术的各朝向墙体的温度场和热流场。(2)兼顾墙体节能和经济性。(3)排除了方案的主观性，从纵向和横向两个维度对所有可行方案进行综合考量。这样既增强了决策结果的可信程度，又避免了主观臆断性。(4)考虑了方案的生态效益，具有节能减排意义。附图说明图1为本专利技术一个实施例中的建筑墙体构造；图2为本专利技术一个实施例中的建筑墙体的物理模型；图3为本专利技术中一个实施例中的各个朝向墙体表面最佳反射率结果；图4为本专利技术中一个实施例中的各个朝向墙体应用不同技术后的全年墙体传热量。附图标号说明1实施例的建筑墙体具体构造；2实施例的建筑墙体的物理模型；3实施例的各个朝向墙体表面最佳反射率结果；4实施例的各个朝向墙体应用不同技术后的全年墙体传热量。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提供了一种基于反射涂层和垂直绿化在既有建筑外墙上优化应用方法，包括首先建立了一种简单的数值传热模型模拟建筑采用了高反射涂层与不同垂直绿化方式前后的情况。其次采用多目标粒子群算法(MOPSO)，以外墙得热量最小和经济成本最小为目标函数，各技术面积为自变量，对高反射涂层和绿化技术在建筑立面上应用的面积配比进行了优化计算。本研究中采用的算法加入了轮盘赌算法进行改进，增加了个体选择随机性，降低算法陷入局部最优的风险。本文采用了一种熵权-灰色关联-TOSIS法进行多目标决策，最终得到最佳的技术组合方案。这种决策方法首先利用熵权法为各评价指标客观赋权，然后确定各指标的正负理想值；运用灰色关联度法判断样本关联程度；最后利用TOPSIS法对样本进行排序。除此之外，还对方案的生态效益进行了分析。优选地，所述用于模拟建筑采用了高反射涂层与不同垂直绿化方式前后的情况的一种简单的数值传热模型基于如下假设和简化：(1)对于反射隔热涂层，由于反射隔热涂层厚度相比于墙体厚度非常小，其等效热阻可以近似忽略，在本模型中只考虑涂层改变了裸墙表面太阳光反射率从而改变外壁面接收的太阳辐射。(2)植被层叶子是均匀而定向分布的；(3)植物参数(如叶片吸收率、叶片尺寸、叶面积指数等不随季节变化而变化，其中，叶面积指数指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数)是恒定的；(4)植物叶片温度处处相等；(5)通过植被层的热流仅考虑发生在水平方向，不考虑垂直热流量；(6)建筑表面的风速不随高度变化而变化；(7)对于攀援式绿化，攀援类植物需要依靠外墙生长，与外墙表面无空隙，其特性就相当于是墙体外表面的一种涂层，不额外增加热阻。(8)植物对太阳辐射吸收率为0.8。对于预制式绿化，绿墙与外墙壁面有30mm空气层，太阳辐射被绿墙抵挡在外。经实验测定绿墙与外墙表面之间的空气层温度在夏季日平均温度低于室外空气温度3℃，冬季高于室外空气温度1.1℃。太阳辐射被绿墙抵挡在外。具体建模方法步骤如下：(1)网格离散化由于墙体高度和宽度远大于其厚度，将墙体各层材料视为由多层平板结构组成，平板之间满足温度、热流连续性条件。本文差分方程组的建立采用隐式差分格式，取空间步长为Δx＝5mm，时间步长为Δτ＝1h，将墙体沿传热方向分成若干个节点。(2)控制方程离散化墙体非稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于反射涂层和垂直绿化的既有建筑外墙优化应用方法，其特征在于，包括应用了不同技术各朝向墙体构建一维非稳态数值传热模型、以墙体负荷最小和成本最少为两个目标函数进行多目标粒子群优化、利用熵权-灰色关联-TOPSIS(Technique for OrderPreference by Similarity to an Ideal Solution，逼近理想解排序法)进行多目标决策、计算方案的整体生态效益。。/n

【技术特征摘要】
1.基于反射涂层和垂直绿化的既有建筑外墙优化应用方法，其特征在于，包括应用了不同技术各朝向墙体构建一维非稳态数值传热模型、以墙体负荷最小和成本最少为两个目标函数进行多目标粒子群优化、利用熵权-灰色关联-TOPSIS(TechniqueforOrderPreferencebySimilaritytoanIdealSolution，逼近理想解排序法)进行多目标决策、计算方案的整体生态效益。。


2.根据权利要求1所述的基于反射涂层和垂直绿化的既有建筑外墙优化应用方法，其特征在于，具体包括：
首先，建立了一种简单的数值传热模型模拟建筑采用了高反射涂层与不同垂直绿化方式前后的情况；
其次，采用多目标粒子群算法MOPSO(M...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁研，韦晓婷，吕亚聪，刘路衡，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12