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TWI671651B - 淨零耗能建築的整合設計分析系統及其運作方法 - Google Patents

淨零耗能建築的整合設計分析系統及其運作方法 Download PDF

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TWI671651B
TWI671651B TW107113737A TW107113737A TWI671651B TW I671651 B TWI671651 B TW I671651B TW 107113737 A TW107113737 A TW 107113737A TW 107113737 A TW107113737 A TW 107113737A TW I671651 B TWI671651 B TW I671651B
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陳上元
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逢甲大學
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Abstract

本發明揭露一種淨零耗能建築的整合設計分析系統，包含一模型建構模組、一模型分析模組、一性能分析模組以及一太陽能模組。本發明之淨零耗能建築的整合設計分析系統之運作方法包含：(1)輸入複數個相關參數並建構一建築模型；(2)將此建築模型之數據上傳雲端進行性能分析，產生一能源使用強度值(Energy Usage Intensity, EUI)以及一優化性能百分比值；(3)持續調整參數及導入再生能源之使用，直到優化性能百分比值達到一期望值。

Description

淨零耗能建築的整合設計分析系統及其運作方法
本發明係關於一種建築整合設計分析系統及其運作方法，尤指一種整合設計並分析出符合淨零耗能建築定義之分析系統及其運作方法。
隨著地球的暖化，全球的氣候環境嚴重變遷，使得極端氣候頻繁發生，嚴重威脅到地球上的生態環境與人類的生活。因此，近年來許多國家與國際組織訂定了許多環保與節能的規範，希望藉由這些規範的效力，能使環境保護得以落實，並能緩解地球暖化與極端氣候的發生。
有鑑於此，在建築設計的領域上，綠能建築便成為一種新興的設計理念，藉由低耗能、低排放與低污染，綠能建築得以落實環境保護的訴求，為維持地球的用續發展提供一大助力。其中，淨零耗能建築(Net Zero Energy Buildings, NZEB)更是一種更高標準的設計理想，並且已成為許多建築師與學者現今所努力的方向。
然而，現有的建築設計工具，並不具備有足夠便利的分析處理系統，已知的設計工具中，往往無法整合建築設計細節之三維呈現、建築之性能以及能源使用之分析，建築設計師一旦設計了建築之架構後，通常需要再對此建築進行額外的分析或模擬，無法藉由分析模擬與設計之循環達到綠能建築設計之最優化，尤有甚者，現今之建築設計工具無法對能源之利用進行管理，對於淨零耗能建築(Net Zero Energy Buildings, NZEB)理想之實現更是備顯困難。
為解決先前技術中所提及的課題，本發明提供了一種淨零耗能建築的整合設計分析系統，包含：一模型建構模組，包含：一輸入模組，包含複數個第一參數輸入模組、複數個第二參數輸入模組以及複數個第三參數輸入模組； 一接收模組，與輸入模組連接，接收模組接收複數個第一參數輸入模組產生的複數個第一參數、複數個第二參數輸入模組產生的複數個第二參數以及複數個第三參數輸入模組產生的複數個第三參數；一運算模組，與接收模組連接； 一顯示模組，與運算模組連接，此顯示模組包含一視覺顯示器；以及一第一資料傳輸模組，分別與運算模組以及複數個第三參數輸入模組連接； 一模型分析模組，與模型建構模組連接，此模型分析模組包含:一第二資料傳輸模組，與第一資料傳輸模組連接； 一雲端處理器，與第二資料傳輸模組連接；一性能分析模組，與模型分析模組連接，此性能分析模組包含一預設值；以及一太陽能模組。
本發明更提供一種淨零耗能建築的整合設計分析系統之運作方法，包含： S1. 使用一模型建構模組建構一建築模型，包含： 　　　　　　m1. 輸入複數個建築物參數； 　　　　　　m2. 輸入一地理位置參數，並獲取一氣象模擬數據； m3. 產生此建築模型之一建築模型數據； m4. 顯示此建築模型之一三維立體建築模型，接著執行步驟 S2； S2. 使用一模型分析模組分析該建築模型，包含： a1. 將建築模型數據上傳至一雲端處理器； 　　　　　　 a2. 對此建築模型數據產生一能耗分析數據，包含一能源使 用強度值；以及 a3. 對此建築模型數據產生一能耗分析圖，接著執行步驟S3； S3. 使用一性能分析模組分析該建築模型，對能源使用強度值與 一預設值進行運算，產生一優化性能百分比值；以及 S4. 執行步驟S3後，使用一太陽能模組，對此建築模型數據產生 一太陽能數據，並再次執行S3。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：
請參照圖1，圖1係本發明之實施例淨零耗能建築的整合設計分析系統的架構圖。由圖1中可見，本發明的淨零耗能建築的整合設計分析系統包含：一模型建構模組100，包含：一輸入模組200，包含複數個第一參數輸入模組201、複數個第二參數輸入模組202以及複數個第三參數輸入模組203； 一接收模組300，與輸入模組200連接，接收模組300接收複數個第一參數輸入模組201產生的複數個第一參數301、複數個第二參數輸入模組202產生的複數個第二參數302以及複數個第三參數輸入模組203產生的複數個第三參數303；一運算模組400，與接收模組300連接； 一顯示模組500，與運算模組400連接，此顯示模組500包含一視覺顯示器501；以及一第一資料傳輸模組600，分別與運算模組400以及複數個第三參數輸入模組203連接； 一模型分析模組700，與模型建構模組100連接，模型分析模組700包含:一第二資料傳輸模組701，與第一資料傳輸模組600連接； 一雲端處理器702，與第二資料傳輸模組701連接；一性能分析模組800，與模型分析模組700連接，性能分析模組800包含一預設值801；以及一太陽能模組900。
本發明之一實施例中，一使用者透過一輸入裝置，例如一個人電腦於輸入模組200的複數個第一參數輸入模組201中輸入複數個第一參數301、於複數個第二參數輸入模組202中輸入複數個第二參數302，以及於複數個第三參數輸入模組203中輸入複數個第三參數303；本實施例中第一參數輸入模組201係用來輸入複數個建築幾合資訊的參數之組合，例如：配置、形狀、座向等；第二參數輸入模組202係用來輸入複數個建築非幾何資訊的參數之組合，例如：空間類型、牆壁構造、熱傳導性能、主動設備的選擇(空調設備、照明設備等) 、開窗率、運行的規劃等；第三參數輸入模組203係用來輸入地域資料與氣象資料，例如：經緯度、環境特性、溫度、濕度、太陽的路徑、風玫圖（wind rose plot）等。
當接收模組300接收到複數個第一參數輸入模組201產生的複數個第一參數301、複數個第二參數輸入模組202產生的複數個第二參數302以及複數個第三參數輸入模組203產生的複數個第三參數303後，運算模組400將產生一三維的建築物模型，紀錄建築物的幾何空間關係、地理資訊、建築元件的數量和相關的幾何或非幾何性質。本發明的最佳實施例中，運算模組400係由歐特克股份有限公司(Autodesk, Inc.)開發的建築資訊模型系統(Building Information Modeling, BIM)Revit所組成，並整合到綠色建築工作室(Green Building Studio, GBS)的介面下操作。於某些實施例中，模型建構模組100包含一顯示模組500，與運算模組400連接，此顯示模組500更包含一視覺顯示器501，藉以顯示運算模組400所產生的三維立體建築模型以及綠色建築工作室之操作介面。
本實施例中，模型建構模組100更包含一第一資料傳輸模組600，分別與運算模組400以及複數個第三參數輸入模組203連接。第一資料傳輸模組600具有將運算模組400所產生之資料對外傳輸之功能，較佳的，第一資料傳輸模組600針對運算模組400所產生之資料進行轉換運算，並產生一gbXML (Green Building Extensible Markup Language)格式資料，並將此gbXML格式資料對外傳輸。
本發明之另一實施例中，淨零耗能建築的整合設計分析系統包含一模型分析模組700，與模型建構模組100連接，模型分析模組700包含一第二資料傳輸模組701，與第一資料傳輸模組600連接，當第一資料傳輸模組600將運算模組400所產生之資料轉換成gbXML格式後，便將此資料傳輸至第二資料傳輸模組701以供模型分析模組700使用。模型分析模組700亦包含一雲端處理器702，與第二資料傳輸模組701連接。雲端處理器702針對第二資料傳輸模組701接收之資料進行多種分析運算，例如：能源消耗計算、建築散熱性能運算、建築熱負荷分析、氣流特性分析、聲學特性分析、建築日照與採光分析、視覺感受分析、建築性能分析、碳排放計算等。於某些實施例中，雲端處理器702更包含一能耗仿真運算模組與一使用者介面， 較佳的，能耗仿真運算模組包含一DOE-2仿真引擎，使用者介面為歐特克股份有限公司(Autodesk, Inc.)開發的綠色建築工作室(Green Building Studio, GBS)介面，雲端處理器702將分析結果轉為並產生一可視化分析圖與一模擬數值呈現，其中可視化分析圖呈現之方式可為仿真的視覺圖形、各式數值分析表、統計圖表、分布圖等。
本發明之一實施例中，模型分析模組700更包含一氣象模擬模組703，與第二資料傳輸模組701及一氣象站之一歷史資料庫704連接，其中氣象模擬模組獲取歷史資料庫之一歷史數據並產生該複數個第三參數303之一，第二資料傳輸模組701將複數個第三參數303之一傳送至接收模組300。當使用者於第三參數輸入模組203中輸入了建築物之經緯度後，第一資料傳輸模組600將此地域資訊藉由第二資料傳輸模組701傳送至模型分析模組700中，模型分析模組700中的氣象模擬模組703根據此地域資訊，於氣象站之歷史資料庫704中搜尋並接收此地域典型氣象年(Typical Meteorological Year, TMY)的歷史天氣資料，並對此歷史數據進行仿真運算，產生一代表性天氣資料作為第三參數303之一，第二資料傳輸模組701將此第三參數303之一傳送至接收模組300後，運算模組400進行後續的建模，且模型分析模組700再次進行加入了天氣資訊的分析運算，並以可視化分析圖之形式呈現(風玫圖、熱點分布圖等)。
本發明之實施例淨零耗能建築的整合設計分析系統更包含一性能分析模組800，與模型分析模組700連接，性能分析模組800更包含一預設值801；以及一太陽能模組900，與模型分析模組700連接。此外，雲端處理器702產生之模擬數值包含一能源使用強度值(Energy Usage Intensity, EUI)，性能分析模組800計算能源使用強度值相對預設值801之一優化性能百分比值。其中，能源使用強度值之定義為建築物之年耗能量除以建築總樓地板面積，並僅計入營運階段一年之用電量，其單位為kWh/m 2*y，kWh為功率單位千瓦，m 2為長度單位平方公分，y則代表年。本發明之預設值801為本建築物於初步設計階段中所選定之初始方案之能源使用強度值，此預設值801之選定係經由與同類型建築物之平均值及極值進行比較後所選定的最合理值，以作為後續循環設計並優化之優化性能百分比值的比較依據。
本發明之一實施例中，太陽能模組900更包含一外部太陽能源資料庫與一歐特克之太陽能板分析模組(Autodesk Solar Analysis for Revit)，此太陽能板分析模組可考慮於建築物上加入不同覆蓋率之太陽能板後之能源產出，亦能根據建築物所在位置之經緯度資訊，於外部太陽能源資料庫中尋找鄰近區域之適合的太陽能源，再導回模型分析模組700中進行能源使用強度值(Energy Usage Intensity, EUI)與優化性能百分比值之運算。
請參照圖2，圖2係本發明之實施例淨零耗能建築的整合設計分析系統的運作方法流程圖。由圖2中可見，本發明之淨零耗能建築的整合設計分析系統之運作方法之步驟S1「使用一模型建構模組建構一建築模型」包含：輸入複數個建築物參數，使用者輸入多個建築幾合資訊的參數以及建築非幾合資訊的參數，並輸入一地理位置參數，獲取一氣象模擬數據；接著產生此建築模型之一建築模型數據並顯示此建築模型之一三維立體建築模型，接著執行步驟S2。
由圖2中可見，本發明之淨零耗能建築的整合設計分析系統之運作方法之步驟S2「使用一模型分析模組分析該建築模型」包含：將步驟S1中產生的建築模型數據上傳至一雲端處理器702，對此建築模型數據產生一能耗分析數據，包含一能源使用強度值；以及對此建築模型數據產生一能耗分析圖，接著執行步驟S3。本發明之淨零耗能建築的整合設計分析系統之運作方法之步驟S3包含：使用一性能分析模組800分析S1中產生的建築模型，對能源使用強度值與一預設值進行運算，產生一優化性能百分比值。最後，本發明之淨零耗能建築的整合設計分析系統之運作方法之步驟S4包含：執行步驟S3後，使用一太陽能模組900，對此建築模型數據產生一太陽能數據，並再次執行步驟S3。
接著請參照圖3，圖3係本發明之另一實施例淨零耗能建築的整合設計分析系統的運作方法流程圖。本實施例中，執行步驟S3後，更執行一設計策略，包含： 調整步驟m1中之複數個建築物參數（例如：牆壁的構造參數、開窗率或主動設備的選擇等）並再次進行步驟m3-S3，對本次之設計參數進行建築模型建構與分析，當分析出之優化性能百分比值未達到期望值時，便重複進行步驟D1「調整步驟m1中之複數個建築物參數並再次進行步驟S2-S3，對本次之設計參數進行建築模型建構與分析」，直到分析出之優化性能百分比值大於或等於期望值，便完成了淨零耗能建築的最佳設計。其中期望值為節能分析的循環設計中，於每個階段所設定的節能優化標的，本發明之一實施例中，於初步設計階段(Schematic Design, SD)設定之期望值為21%之優化性能百分比值，於細部設計階段(Design Development, DD) 設定之期望值為30%之優化性能百分比值。
以上列舉之實施例僅為提供本發明之淨零耗能建築的整合設計分析系統的運作方法一簡明的闡述，使用者亦可任意將以上實施例之步驟充新排列組合進行，本發明之淨零耗能建築的整合設計分析系統的運作方法不以此為限。
本發明之淨零耗能建築的整合設計分析系統及其運作方法提供了建築師一種便利的分析處理系統，不但能對建築的設計細節進行三維的呈現，更可直接將所建構之模型上傳並進行性能以及能源使用之分析，輕易地達成分析模擬與設計之循環。藉由再生能源以及最優化參數之導入，本發明更提供了一種相當系統化並具有指標性的綠能建築設計之最優化決策方法。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
100‧‧‧模型建構模組
200‧‧‧輸入模組
201‧‧‧第一參數輸入模組
202‧‧‧第二參數輸入模組
203‧‧‧第三參數輸入模組
300‧‧‧接收模組
301‧‧‧第一參數
302‧‧‧第二參數
303‧‧‧第三參數
400‧‧‧運算模組
500‧‧‧顯示模組
501‧‧‧視覺顯示器
600‧‧‧第一資料傳輸模組
700‧‧‧模型分析模組
701‧‧‧第二資料傳輸模組
702‧‧‧雲端處理器
703‧‧‧氣象模擬模組
704‧‧‧歷史資料庫
800‧‧‧性能分析模組
801‧‧‧預設值
900‧‧‧太陽能模組
S1~S4‧‧‧步驟
m1~m4‧‧‧步驟
a1~a3‧‧‧步驟
（圖1）本發明之實施例淨零耗能建築的整合設計分析系統的架構圖 （圖2）本發明之實施例淨零耗能建築的整合設計分析系統的運作方法流 程圖 （圖3）本發明之另一實施例淨零耗能建築的整合設計分析系統的運作方 法流程圖

Claims (10)

  1. 一種淨零耗能建築的整合設計分析系統，包含：一模型建構模組，包含：一輸入模組，包含複數個第一參數輸入模組、複數個第二參數輸入模組以及複數個第三參數輸入模組；一接收模組，與該輸入模組連接，該接收模組接收該複數個第一參數輸入模組產生的複數個第一參數、該複數個第二參數輸入模組產生的複數個第二參數以及該複數個第三參數輸入模組產生的複數個第三參數；一運算模組，與該接收模組連接；一顯示模組，與該運算模組連接，該顯示模組包含一視覺顯示器；以及一第一資料傳輸模組，分別與該運算模組以及該複數個第三參數輸入模組連接；一模型分析模組，與該模型建構模組連接，該模型分析模組包含：一第二資料傳輸模組，與該第一資料傳輸模組連接；以及一雲端處理器，與該第二資料傳輸模組連接；一性能分析模組，與該模型分析模組連接，該性能分析模組包含一預設值；以及一太陽能模組，與該模型分析模組連接，該太陽能模組包含一外部太陽能源資料庫與一太陽能板分析模組；其中，該太陽能板分析模組分析至少一建築物加入多種覆蓋率之太陽能板的能源產出；該太陽能板分析模組依據該至少一建築物的一經緯度資訊，於該外部太陽能源資料庫中取得一太陽能數據，並將該數據回傳至該模型分析模組。
  2. 如請求項1所述之淨零耗能建築的整合設計分析系統，其中該雲端處理器更包含一能耗仿真運算模組與一使用者介面。
  3. 如請求項1所述之淨零耗能建築的整合設計分析系統，其中該視覺顯示器顯示一三維立體建築模型。
  4. 如請求項1所述之淨零耗能建築的整合設計分析系統，其中該第一資料傳輸模組產生一gbXML格式資料，並將該gbXML格式資料傳輸至該第二資料傳輸模組。
  5. 如請求項1所述之淨零耗能建築的整合設計分析系統，其中該雲端處理器更產生一可視化分析圖與一模擬數值。
  6. 如請求項5所述之淨零耗能建築的整合設計分析系統，其中該模擬數值包含一能源使用強度值(Energy Usage Intensity,EUI)，該性能分析模組計算該能源使用強度值相對該預設值之一優化性能百分比值。
  7. 如請求項1所述之淨零耗能建築的整合設計分析系統，其中該模型分析模組更包含一氣象模擬模組，與該第二資料傳輸模組及一氣象站之一歷史資料庫連接，其中該氣象模擬模組獲取該歷史資料庫之一歷史數據並產生該複數個第三參數之一，該第二資料傳輸模組將該複數個第三參數之一傳送至該接收模組。
  8. 如請求項1所述之淨零耗能建築的整合設計分析系統，其中該太陽能板分析模組為歐特克之太陽能板分析模組(Autodesk Solar Analysis for Revit)。
  9. 一種淨零耗能建築的整合設計分析系統之運作方法，包含：S1.使用一模型建構模組建構一建築模型，包含：m1.輸入複數個建築物參數；m2.輸入一地理位置參數，並獲取一氣象模擬數據；m3.產生該建築模型之一建築模型數據；以及m4.顯示該建築模型之一三維立體建築模型，接著執行步驟S2；S2.使用一模型分析模組分析該建築模型，包含：a1.將該建築模型數據上傳至一雲端處理器；a2.對該建築模型數據產生一能耗分析數據，包含一能源使用強度值；以及a3.對該建築模型數據產生一能耗分析圖，接著執行步驟S3；S3.使用一性能分析模組分析該建築模型，對該能源使用強度值與一預設值進行運算，產生一優化性能百分比值；以及S4.執行該步驟S3後，使用一太陽能模組，對該建築模型數據產生一太陽能數據，並再次執行S3；其中，該太陽能模組包含一外部太陽能源資料庫與一太陽能板分析模組；該太陽能板分析模組分析至少一建築物加入多種覆蓋率之太陽能板的能源產出；該太陽能板分析模組依據該至少一建築物的一經緯度資訊，於該外部太陽能源資料庫中取得該太陽能數據，並將該數據回傳至該模型分析模組。
  10. 如請求項9所述之淨零耗能建築的整合設計系統之運作方法，其中執行該步驟S3後，更執行一設計策略，包含：D1.調整步驟m1中之該複數個建築物參數，並再次進行步驟m3-S3；以及D2.重複進行步驟D1直到該優化性能百分比值大於或等於一期望值。
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