基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法

本发明属于建筑自然采光性能仿真与太阳能综合利用的，具体涉及基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法。

背景技术：

1、光伏建筑一体化，是应用太阳能发电的一种新概念，简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。另一类是光伏方阵与建筑的集成。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。在这两种方式中，光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。光伏方阵与建筑的集成是bipv的一种高级形式，它对光伏组件的要求较高。光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求同时还要兼顾建筑的基本功能要求。

2、多目标优化算法是一种同时对多个目标函数同时进行优化计算的方法，可实现多个优化目标的自动寻优。多目标优化在建筑领域已有不少应用，可以根据采光、热舒适、能耗等具体的优化指标需求，调整设计参量，完成约束条件下多个优化目标的实现。如carlucci以室内眩光与热舒适指标为优化目标，运用遗传算法对意大利某建筑进行多目标优化；negendahl等以自然采光性能、能耗为目标，对建筑维护结构进行优化；周白冰以多种自然采光性能评价指标作为优化目标，研究寒地多层办公建筑空间的多目标优化。由此可见，多目标算法能够较好地同时分析影响室内天然采光和太阳能光伏利用因素，进行优化选择。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提出基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法，将天然采光与太阳能光伏利用两个指标同时考虑，通过优化算法进行多次迭代计算，得出同时即满足天然采光与最大化进行太阳能光伏利用优化目标的较优解集范围。最后应用参数化模型，将结果数据可视化反馈，供设计人员根据项目的具体天然采光和太阳能光伏利用的需求进行筛选。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法，用于实现目标建筑物内部满足天然光视觉指标的设计要求，且满足太阳能光伏发电指标的设计要求，其特征在于，定义目标建筑物上透光装置所对应预设各类型参数为各项设计参数；以及基于目标建筑物上的透光装置，定义目标建筑物内部所接收天然光对应的预设各视觉参数为各项天然光视觉指标；基于目标建筑物上所使用的光伏产品，定义光伏产品所对应的预设各发电量参数为各项太阳能光伏发电指标；通过执行步骤s1至步骤s3，获得各项设计参数分别和各项天然光视觉指标、各项太阳能光伏发电指标的第一量化分析结果；以及基于各项设计参数、各项天然光视觉指标和各项发电量指标，获得各项指标与其余各项指标和参数的第二量化分析结果；之后根据各个量化分析结果，获得目标建筑物内部满足天然光视觉指标所对应的各项目标设计参数、且满足目标建筑物上所使用的光伏产品的发电量指标所对应的光伏产品，用于实现实现目标建筑物内部满足天然光视觉指标的设计要求，且满足太阳能光伏发电指标的设计要求；

3、步骤s1、通过建立参数化模型，来获得各项设计参数和各项天然光视觉指标与各项太阳能光伏发电指标之间的映射关系，然后进入步骤s2；

4、步骤s2、通过目标优化方法，结合各项设计参数和各项天然光视觉指标与各项太阳能光伏发电指标之间的映射关系获得各项参数之间的组合解集，然后进入步骤s3；

5、步骤s3、通过相关性分析方法，对各项参数之间的组合解集和各项天然光视觉指标与各项太阳能光伏发电指标之间的关系进行分析，获得各项设计参数分别与各项天然光视觉指标、各项太阳能光伏发电指标的第一量化分析结果；以及基于各项设计参数、各项天然光视觉指标和各项太阳能光伏发电指标，获得各项指标分别与其余各指标和参数的第二量化分析结果。

6、进一步地，前述的目标建筑物上透光装置所对应预设各类型参数包括透光装置所在的目标建筑物的所在地区、楼层数、层高，窗户个数；窗户长度、窗户宽度高、窗户位置。

7、进一步地，前述的目标建筑物上透光装置包括透光光伏组件。

8、进一步地，前述的目标建筑物内部所接收天然光对应的预设各视觉参数包括天然光自主参数和有效天然采光照度。

9、进一步地，前述的步骤s1中，首先通过rhino&grasshopper平台针对各设计参数来建立参数化模型，然后通过honeybee插件针对各天然采光指标和各太阳能光伏发电指标进行采光模拟，从而得到各设计参数和各天然采光指标、各太阳能光伏发电指标之间的映射关系。

10、进一步地，前述的步骤s3中，量化分析结果还包括各设计参数的推荐区间，根据步骤s2中获取的各项参数之间的组合解集，通过各项天然光视觉指标和各项太阳能光伏发电指标，获得设计参数以及光伏产品。

11、相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

12、以更多的参数、更多的优化目标可以得出更准确、更合理的优化方案。

13、本发明通过多目标优化算法对针对天然采光指标和太阳能光伏利用指标进行了同时优化，经过多次迭代计算，获得同时满足天然采光与太阳能光伏利用优化目标的较优解集范围，这种优化方法能够同时量化评估建筑物内部天然采光与太阳能光伏利用，并较好地对二者的设计影响因素进行耦合分析和优化，为建筑设计人员提供了一种便捷的天然光采光与光伏发电效率效应优化手段，帮助光伏产品应用相关研究成果在实际建筑设计过程中的运用推广。

技术特征：

1.基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法，用于实现目标建筑物内部满足天然光视觉指标的设计要求，且满足太阳能光伏发电指标的设计要求，其特征在于，定义目标建筑物上透光装置所对应预设各类型参数为各项设计参数；以及基于目标建筑物上的透光装置，定义目标建筑物内部所接收天然光对应的预设各视觉参数为各项天然光视觉指标；基于目标建筑物上所使用的光伏产品，定义光伏产品所对应的预设各发电量参数为各项太阳能光伏发电指标；

2.根据权利要求1所述的基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法，其特征在于，目标建筑物上透光装置所对应预设各类型参数包括透光装置所在的目标建筑物的所在地区、楼层数、层高，窗户个数；窗户长度、窗户宽度高、窗户位置。

3.根据权利要求1所述的基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法，其特征在于，目标建筑物上透光装置包括透光光伏组件。

4.根据权利要求1所述的基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法，其特征在于，目标建筑物上所使用的光伏产品包括透光光伏组件、以及非透光光伏组件。

5.根据权利要求1所述的基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法，其特征在于，目标建筑物内部所接收天然光对应的预设各视觉参数包括天然光自主参数和有效天然采光照度。

6.根据权利要求1所述的基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法，其特征在于，步骤s1中，首先通过rhino&grasshopper平台针对各设计参数来建立参数化模型，然后通过honeybee插件针对各天然采光指标和各太阳能光伏发电指标进行采光模拟，从而得到各设计参数和各天然采光指标、各太阳能光伏发电指标之间的映射关系。

7.根据权利要求1所述的基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法，其特征在于，步骤s3中，量化分析结果还包括各设计参数的推荐区间，根据步骤s2中获取的各项参数之间的组合解集，通过各项天然光视觉指标和各项太阳能光伏发电指标，获得设计参数以及光伏产品。

技术总结
本发明提出了基于太阳能光伏利用与天然采光耦合的多目标优化方法。该方法基于Rhino&Grasshopper参数化平台，以Radiance和Daysim为采光计算引擎，整合honeybee等性能模拟插件与Python编程语言，结合多目标优化插件Octopus，实现天然采光与太阳能光伏利用的耦合优化。其实质是将天然采光与太阳能光伏利用两个指标同时考虑，通过优化算法进行多次迭代计算，得出同时即满足天然采光与最大化进行太阳能光伏利用优化目标的较优解集范围。最后应用参数化模型，将结果数据可视化反馈，供设计人员根据项目的具体天然采光和太阳能光伏利用的需求进行筛选，为节能、健康的建筑环境营造提供决策支持。

技术研发人员：吴蔚,刘珩歆,沈至文,高晴,刘卓然
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13