节能绿色建筑的仿真优化:现状和未来趋势

  • 2020-12-21
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全球变暖的最主要原因是人类活动排放的温室气体,而建筑则占了全球能源使用和温室气体排放的40%。因此,近年来关于建筑生命周期能耗和碳排最小化的研究越来越多。随着计算机科学和信息技术的迅猛发展,研究人员开始使用优化技术来提高建筑的全生命周期性能。在确定最佳设计方案时,设计人员经常使用数值模拟和计算机算法探索不同的备选方案。在计算机优化这一领域,有些研究致力于减少材料生产的具体影响,而有些则强调建筑运营阶段的节能。它们都从不同的角度研究了降低运行能耗的优化方法。除了关注建筑运营阶段,也有文献研究了建筑材料含碳量最小化等问题。本文并非要详尽阐明设计优化的所有领域,而是将重点放在设计优化过程中受到重大影响的领域,如建筑结构设计、建筑围护结果和暖通空调系统等。
气候变化问题已成为全球关注重点。建筑业的材料生产、建造、运营和拆除等活动消耗了大量能源,是碳排放的重要贡献方。近年来,人们越来越重视利用计算机模拟和优化,用以最大限度地减少建筑生命周期的环境影响。目前已有文献研究了计算机优化在不同情境下的应用,但是缺少系统的综述来识别和比较这些不同的优化方法,阐明它们的优势和劣势,并突出未来的研究挑战。因此,本文的研究目标是针对利用计算机模拟和优化技术减少建筑物的生命周期能耗和碳排的研究,对其进行系统性综述,并识别出这一研究领域的现状和前景。本文比较了常用的研究流程和研究方法(如创新的结构系统和材料、能源改造措施等),并对它们的重要性和使用时带来的好处进行了深入分析。考虑到建筑系统的生产、运营和拆除,生命周期设计优化对未来面向资源的循环经济可持续发展具有重大意义。此外,新兴的数字技术(如机器学习、数据驱动设计和参数化三维建模)不但使得早期的设计探索更加自动化,还在设计优化的同时推动了决策过程。由于人为因素(如与能源有关的居住者行为)已成为建筑环境中的重要指标,学界应采用多学科设计,在提出社会技术解决方案时,既要考虑到环境可持续,又要考虑到人类福祉。
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