本發明涉及計算機輔助設計，尤其涉及一種基于數字模擬的節能建筑設計方法。

背景技術：

1、計算機輔助設計技術領域包含利用計算機技術進行設計、分析和優化的各類方法與工具，該技術領域涉及使用計算機進行幾何建模、圖形渲染、工程分析和數據處理，以提高設計精度、減少人為誤差并加快產品開發周期，計算機輔助設計廣泛應用于機械制造、建筑工程、電子電路設計等多個領域，其中在建筑工程領域，計算機輔助設計可用于建筑結構建模、施工規劃、能耗模擬和優化分析等方面，該技術依托數字建模、參數化設計和計算機仿真等手段，使設計過程更加高效，并有助于實現建筑節能與環保目標。

2、其中，基于數字模擬的節能建筑設計方法是指通過建立建筑數字模型，并結合環境參數、材料特性、氣候數據等因素，對建筑能耗進行仿真計算與分析的方法，本方法涵蓋建筑物幾何結構建模、熱工性能計算、采光模擬、通風優化等關鍵技術內容，并依托計算機軟件進行能耗計算和分析，該方法利用建筑信息建模技術進行空間和構造建模，通過熱流計算方法分析圍護結構的能量傳遞特性，結合光照計算模型模擬不同采光條件下的室內光環境，并基于空氣動力學仿真方法優化建筑通風設計。

3、現有技術在建筑能耗模擬中對空氣流動狀態的分析精度有限，采用較為簡化的流動路徑計算方式，導致對局部渦旋及再循環區域的識別能力不足，使得通風換氣效果難以達到優化預期，部分區域形成熱量滯留或通風短路，降低建筑節能效果，在熱流分析方面，圍護結構材料的熱阻匹配方式較為固定，未充分考慮空氣動力學因素的動態影響，導致在能耗優化過程中，熱流導向未能達到最優配置，部分高熱損區域無法得到有效緩解，在光照優化層面，現有技術主要依靠靜態參數調整建筑采光設計，缺乏對不同光照條件下動態調整的能力，導致部分區域光照冗余，而區域光照不足，使得室內光環境不均衡，影響舒適度，并增加不必要的照明能耗，現有方法在能耗優化過程中，多項關鍵參數之間的協同關系未能得到充分利用，難以實現對建筑整體環境的精細化動態調控，導致節能優化的空間有限。

技術實現思路

1、本發明的目的是解決現有技術中存在的缺點，而提出的一種基于數字模擬的節能建筑設計方法。

2、為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：一種基于數字模擬的節能建筑設計方法，包括以下步驟：

3、s1：基于室內空氣動力學參數，分析空氣流速、溫度梯度、密度、壓力分布，識別空氣渦旋結構特征，生成節能建筑環境數據集；

4、s2：基于所述節能建筑環境數據集，調用室內空氣動力學參數，分析空氣流動路徑，篩選熱交換速率異常區域，調整圍護結構材料層次，優化熱流傳導方向，調整墻體傳熱系數，優化隔熱層厚度，獲取建筑分層建模參數；

5、s3：基于所述建筑分層建模參數，分析室內外光照冗余度，匹配可變光譜材料參數，調整光譜透射率與反射率，得到節能建筑光環境調控數據；

6、s4：根據所述節能建筑光環境調控數據，調用空氣渦旋結構特征，分析氣流再循環區域，調整外墻傳熱數據，識別通風換氣速率并優化氣流路徑，生成建筑通風能耗評估結果；

7、s5：基于所述建筑通風能耗評估結果，調用節能建筑分層建模數據，分析熱流、光照、通風參數，優化建筑能耗配置，得到節能建筑動態模擬設計方案。

8、作為本發明的進一步方案，所述節能建筑環境數據集包括空氣流速數據、溫度梯度數據、空氣密度分布、壓力分布數據、建筑光照參數、空氣渦旋結構特征，所述建筑分層建模參數包括空氣流動路徑數據、熱交換速率分布、熱阻材料參數、導熱材料參數、圍護結構材料層次參數、熱流傳導方向參數、墻體傳熱系數參數、隔熱層厚度參數，所述節能建筑光環境調控數據包括光照冗余度數據、可變光譜材料參數、光譜透射率參數、光譜反射率參數，所述建筑通風能耗評估結果包括外墻傳熱數據、氣流再循環區域數據、通風換氣速率參數、氣流路徑參數，所述節能建筑動態模擬設計方案包括熱流參數集、光照參數集、通風參數集、建筑能耗配置參數。

9、作為本發明的進一步方案，所述節能建筑環境數據集的獲取步驟具體為：

10、s111：基于室內空氣動力學參數，提取空氣流速、溫度梯度、密度與壓力分布數據，分析空氣流速變化幅度，篩選空氣流速在臨界流速范圍內的區域，并識別區域的壓力梯度，得到空氣流速與壓力梯度數據集；

11、s112：調用所述空氣流速與壓力梯度數據集，識別光照強度影響區域，依據光照強度變化率，分析空氣密度與流速，調整空氣動力學參數，采用公式：

12、；

13、計算空氣流速修正量，調整流速參數，得到空氣流速修正數據集；

14、其中，代表空氣流速修正量，代表第位置的空氣流速，代表第位置的空氣流速，代表第位置的壓力，代表第位置的空氣密度，代表第位置的光照強度變化率，代表空氣動力學參數的數據點總數；

15、s113：調用所述空氣流速修正數據集，識別空氣渦旋結構特征，分析空氣流速與壓力分布的協同變化，篩選渦旋核心區域，提取空氣動力學參數，形成節能建筑環境數據集。

16、作為本發明的進一步方案，所述建筑分層建模參數的獲取步驟具體為：

17、s211：基于所述節能建筑環境數據集，調用室內空氣動力學參數，分析空氣流動路徑，篩選熱交換速率異常區域，得到空氣流動偏移區間；

18、s212：調用所述空氣流動偏移區間，匹配熱阻與導熱材料，分析熱阻值與導熱率梯度變化，并采用公式：

19、；

20、運算熱阻梯度均值，依據均值調整圍護結構材料層次，得到材料層次優化數據；

21、其中，代表熱阻梯度均值，代表分析區域層數，代表第層材料的熱阻值，和代表相鄰層的導熱系數；

22、s213：基于所述材料層次優化數據，調整墻體傳熱系數，優化隔熱層厚度，識別每層優化后材料的傳熱系數，得到建筑分層建模參數。

23、作為本發明的進一步方案，所述節能建筑光環境調控數據的獲取步驟具體為：

24、s311：基于所述建筑分層建模參數，調用室內外光照參數，分析每個區域光照分布，篩選光照強度超出設定閾值的區域，獲取光照冗余區間；

25、s312：調用所述光照冗余區間，匹配可變光譜材料參數，識別差異化材料在目標光照條件下的光譜透射率與反射率，采用公式：

26、；

27、運算光譜透射率與反射率匹配值，調整材料層次，建立光譜匹配數據；

28、其中，代表光譜透射率與反射率匹配值，代表材料層數，代表光譜反射率，代表厚度，代表光譜透射率，代表光譜折射率，代表相鄰層光譜折射率，代表累加；

29、s313：基于所述光譜匹配數據，調整光譜透射率與反射率，識別建筑整體光環境調控參數，獲取節能建筑光環境調控數據。

30、作為本發明的進一步方案，所述建筑通風能耗評估結果的獲取步驟具體為：

31、s411：根據所述節能建筑光環境調控數據，調用空氣渦旋結構特征，分析渦旋核心區域流速梯度和壓力分布，獲取氣流再循環分布參數；

32、s412：調用所述氣流再循環分布參數，調整外墻傳熱數據，識別渦旋核心區域的傳熱梯度，分析氣流循環區域內的能量交換，獲取外墻熱傳遞系數；

33、s413：基于所述外墻熱傳遞系數，識別通風換氣速率，優化氣流路徑，采用公式：

34、；

35、計算單位體積建筑空間內的通風能耗值，獲取建筑通風能耗評估結果；

36、其中，代表單位體積建筑空間內的通風能耗值，代表第個外墻單元的溫度梯度，代表第個外墻單元的表面積，代表第個外墻單元對應氣體密度，代表空氣的比熱容，代表第個外墻單元處氣流速度，代表外墻單元總數。

37、作為本發明的進一步方案，所述節能建筑動態模擬設計方案的獲取步驟具體為：

38、s511：基于所述建筑通風能耗評估結果，調用分層建模數據，提取熱流、光照、通風參數，獲取區域熱能積累參數；

39、s512：基于所述區域熱能積累參數，識別建筑功能區熱流交換情況，采用公式：

40、；

41、運算熱流平衡系數，調用通風速率參數，分析空氣流通影響量，結合熱流平衡系數調整建筑能耗參數，得到能耗優化調整參數；

42、其中，代表熱流平衡系數，代表高溫區溫度，代表低溫區溫度，代表通風換氣影響因子，代表室內熱損失量，代表窗戶透射熱損失量，代表建筑圍護結構的熱阻參數；

43、s513：基于所述能耗優化調整參數，調整區域通風模式和光照方式，篩選最優建筑能耗配置，得到節能建筑動態模擬設計方案。

44、與現有技術相比，本發明的優點和積極效果在于：

45、本發明中，通過空氣流速、溫度梯度、密度、壓力分布等參數的分析，實現對建筑內部空氣動力學特征的精準識別，使得空氣流動狀態的研究具備更細致的渦旋結構分析能力，能夠有效識別氣流再循環區域及熱交換異常區域，提高空氣流動路徑的優化精度，通過空氣動力學參數的篩選，在熱流傳遞過程中匹配熱阻與導熱材料，并針對圍護結構材料的層次進行合理調整，使得建筑的熱流導向更加符合節能需求，降低不必要的熱損失，提升整體熱能利用率，結合室內外光照數據，依據光照冗余情況調整材料光譜透射率與反射率，進一步提高采光效率的同時，減少不必要的熱負荷，利用建筑熱流與光照的聯動優化，能夠在維持舒適度的基礎上減少能耗，結合氣流特性，優化外墻傳熱參數，實現通風換氣速率的動態調控，避免氣流短路及滯留區域的出現，使通風路徑更符合能耗優化目標，基于整體能耗參數的協同分析，綜合熱流、光照、通風三大因素，精準優化建筑能耗配置，實現節能建筑動態模擬的精準化，提升建筑環境的整體能效調控水平。