¿Investigación sobre un sistema de enseñanza de construcción sustentable basado en retroalimentación?
1. Introducción
Las cuestiones energéticas y medioambientales son el foco de atención en el mundo actual. El informe "Edificios y cambio climático: resumen para responsables de políticas" publicado por la Oficina SBCI del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente en 2009 señaló que el consumo de energía de los edificios representa el 40% del consumo mundial de energía. [1] Por lo tanto, la educación actual de los estudiantes de arquitectura nacional es consciente del importante papel del desarrollo ecológico y sostenible, y las carreras de arquitectura en colegios y universidades generalmente aumentan la enseñanza del diseño de edificios ecológicos. Sin embargo, actualmente existen muchos cursos teóricos y los cursos de diseño ecológico no se han desarrollado completamente debido a la falta de los métodos de enseñanza de gráficos correspondientes. El uso de software de gráficos relacionado con la evaluación ambiental y la atención a los métodos de educación y aprendizaje de retroalimentación del software de gráficos es un nuevo método de diseño y posevaluación.
El software gráfico ya no es sólo una "herramienta de dibujo", sino que guía a los estudiantes a dialogar con el plan de diseño en cualquier momento y comprender su consumo energético y la protección del medio ambiente, lo que está en línea con las necesidades actuales de " "Desarrollo sostenible" defendido por el país. La estrecha integración es también una aplicación profunda de la tecnología gráfica en la nueva era. Existen algunas aplicaciones y teorías interactivas en la enseñanza de CAD nacional. Por ejemplo, Cheng Yabin cree que para que las computadoras desempeñen un papel más importante en la asistencia a los conceptos de diseño arquitectónico, es necesario fortalecer el estudio y la aplicación en profundidad del software. [2] Yang Li señaló que el desarrollo de la tecnología informática ayuda a los diseñadores a utilizar las características de las computadoras para manejar la descripción y el análisis lógicos en varias etapas del diseño, y les da a los arquitectos más tiempo para abordar cuestiones creativas. [3] Yang propuso que las simulaciones de escenas dinámicas, reales y realistas son los puntos fuertes de las computadoras y requieren equipos de soporte y software avanzado. [4] Estos estudios han planteado la cuestión de la interacción en procesos asistidos por ordenador, pero carecen de orientación específica para la profesión de arquitecto.
¿Lawrence americano? El software Energyplus, un motor de simulación del consumo total de energía de un edificio desarrollado conjuntamente por el Laboratorio Nacional de Berkeley y otras unidades, puede simular el consumo de energía operativo de los sistemas de aire acondicionado y los equipos del edificio. Sin embargo, el problema es que la interfaz de usuario no es lo suficientemente amigable y la interfaz de usuario no es lo suficientemente amigable. Su funcionamiento es complejo, lo que dificulta su popularización y aplicación. [5] Este software tampoco es adecuado como software de gráficos comúnmente utilizado por estudiantes en cursos de diseño. En resumen, la enseñanza actual del diseño ecológico en las carreras de arquitectura necesita agregar un nuevo nivel de orientación sistemática, ya sea un modelo de enseñanza teórico o casos reales de enseñanza de software de gráficos. Este artículo presentará primero las características del sistema de enseñanza de construcción sustentable de retroalimentación basado en la evaluación ambiental basado en el avance de los modelos de enseñanza provocado por el desarrollo de los tiempos. Luego utilice el software Designbuilder para presentar casos de enseñanza que cumplan con los requisitos de diseño de evaluación de retroalimentación. El software Designbuilder se considera la interfaz más completa y fácil de usar disponible. [6] A través de este software, los estudiantes pueden tener una experiencia de retroalimentación basada en la evaluación ambiental durante el proceso de diseño.
En segundo lugar, la etapa de desarrollo del modelo de enseñanza comunicativa
La educación en diseño arquitectónico siempre ha hecho hincapié en la comunicación. El modelo tradicional de educación en diseño es un modelo de comunicación preliminar basado en modelos y dibujos hechos a mano. Los profesores y los estudiantes son el cuerpo principal de comunicación y los planes de diseño se discuten principalmente a través de conversaciones y bocetos. Este método de enseñanza comunicativa tradicional enfatiza la comunicación cara a cara entre profesores y estudiantes, que puede reflejar plenamente las ideas de ambas partes. Por lo tanto, se ha mantenido y utilizado ampliamente hasta el día de hoy. Sin embargo, este método de enseñanza tradicional también tiene desventajas. En primer lugar, para utilizar este método, los profesores y estudiantes deben tener buenas habilidades de dibujo a mano y habilidades profesionales de expresión espacial. Los bocetos y modelos aproximados pueden crear dificultades de comunicación para ambas partes.
En segundo lugar, este método de comunicación y orientación no puede satisfacer las necesidades del desarrollo actual de la educación arquitectónica.
Por ejemplo, el campo de la arquitectura concede actualmente gran importancia a invitar a los diseñadores convencionales a participar directamente en la enseñanza de los cursos de diseño escolar. Sin embargo, la enseñanza de estos diseñadores a menudo necesita complementarse con métodos de enseñanza a distancia como Internet. deficiencias inherentes a la adaptación a la red electrónica. Finalmente, este método de "hablar en papel" no puede cumplir con los requisitos de "ahorro de energía en edificios" y "diseño sostenible", especialmente para la enseñanza de edificios ecológicos. El modelo de enseñanza en la segunda etapa de desarrollo es un modelo de enseñanza electrónico basado en software gráfico, que promueve vigorosamente la aplicación directa de software informático.
Primero, en la etapa de pensamiento de diseño, utilice un software de modelado 3D como Sketchup para extraer el modelo de bloque. Luego use software como AUTOCAD para hacer los dibujos bidimensionales correspondientes, como planos y elevaciones, finalmente, use software de renderizado 3D como 3DMAX y VRay para diseñar la forma espacial 3D final. Este método de enseñanza soluciona el problema de la dificultad de los estudiantes para expresarse bajo el modelo de enseñanza tradicional. Los estudiantes pueden utilizar el software para expresar su modelado tridimensional, lo que facilita la comunicación con los profesores y resuelve el problema de la comunicación a larga distancia. Algunos contenidos didácticos se pueden completar en línea. La segunda fase de la enseñanza del diseño arquitectónico aprovecha al máximo los beneficios aportados por el desarrollo de la tecnología gráfica y la ciencia y la tecnología, y está bien integrada con la enseñanza profesional.
Sin embargo, a medida que la disciplina se desarrolla aún más, la industria de la construcción debería prestar atención al enfoque en el desarrollo sostenible. Los requisitos de la industria para la conservación de energía y la protección del medio ambiente se han convertido en un tema importante relacionado con la economía nacional y el sustento de la gente. Permitir que los estudiantes comprendan la importancia práctica de los edificios ecológicos, ayudarlos a comprender cómo utilizar la tecnología ecológica para lograr objetivos de bajas emisiones de carbono y ahorro de energía y, por lo tanto, aumentar la conciencia sobre el desarrollo sostenible se ha convertido en una necesidad importante en la educación arquitectónica. El método tradicional de dibujo por computadora es solo una herramienta de dibujo. El usuario emite instrucciones de dibujo en una dirección y el software no puede brindar información compleja sobre el desempeño ambiental. Por lo tanto, no desempeña un papel muy bueno a la hora de cumplir los requisitos anteriores.
Por lo tanto, es necesario que la enseñanza del diseño arquitectónico entre en la tercera etapa que coopera estrechamente con los gráficos, es decir, un modelo de enseñanza de gráficos con retroalimentación, que requiere que el software de gráficos proporcione retroalimentación a los estudiantes durante la enseñanza, ya sea que El diseño se ajusta a diversos requisitos medioambientales. En particular, la enseñanza de edificios ecológicos requiere innovación en tecnología gráfica. La tercera etapa aún conserva los pasos de usar AUTOCAD, Sketchup y otro software en la segunda etapa. Sin embargo, durante todo el proceso de diseño, se ha prestado atención a los edificios ecológicos y al diseño adaptativo, y la retroalimentación de la educación gráfica se centra en la aplicación de software de evaluación ambiental como Designbuilder. Primero, a través de la configuración del desempeño de los materiales de construcción, los estudiantes comprenderán el importante papel de los materiales de construcción en las emisiones de gases de efecto invernadero y el ciclo de vida de la construcción. Luego, a través del establecimiento de parámetros de orientación y ubicación, los estudiantes pueden comprender que el entorno tiene un impacto muy importante en el consumo de energía y los métodos de diseño del propio edificio. Luego utilice software para simular el entorno y evaluar el rendimiento sostenible y de ahorro de energía del edificio para ver si algunas de las tecnologías ecológicas y los métodos de ahorro de energía que diseñó pueden funcionar, y modificar diseños irrazonables.
Finalmente, el espacio tridimensional y la forma del edificio no sólo deben satisfacer las necesidades funcionales y estéticas, sino también reflejar los requisitos del desarrollo sostenible. Además, el uso de software es un ejercicio de retroalimentación iterativo. Para determinar si varios diseños cumplen con los requisitos de los edificios ecológicos y si el plan optimizado puede lograr el mejor efecto de diseño ambiental, se requieren configuraciones y ajustes repetidos de los parámetros. A través de este proceso, los estudiantes también pueden obtener una buena comprensión del impacto y el papel de diversas condiciones ambientales. Se puede observar que este modelo de enseñanza enfatiza la toma de decisiones del propio software gráfico en el diseño, enfatiza la interacción entre docentes, estudiantes y software, y es una innovación metodológica para la enseñanza del Departamento de Arquitectura. Se puede ver que los métodos de enseñanza en cada etapa están estrechamente relacionados con el desarrollo de gráficos y también reflejan la importancia de la educación en construcción sustentable desde cero. Más importante aún, el modelo de enseñanza por retroalimentación basado en la evaluación ambiental, como sistema de enseñanza que se adapta a requisitos de contenidos cada vez más complejos y enfatiza el respeto al medio ambiente, tiene ventajas incomparables sobre los dos primeros modelos de enseñanza. El diseño asistido por gráficos ya no es una herramienta de software unidireccional para que la utilicen los usuarios, sino que puede reflejar la preocupación del diseñador por el rendimiento de ahorro de energía y la adaptabilidad ambiental del edificio a través de orientación didáctica como la configuración de parámetros, la comprensión ambiental y diagramas de visualización de simulación intuitiva. El siguiente es un ejemplo para ilustrar mejor las características de este método de enseñanza.
En tercer lugar, la práctica docente
Tomemos como ejemplo una granja experimental. La granja está ubicada en la aldea de Zijinzhuang, condado de Tuanfeng, ciudad de Huanggang, provincia de Hubei. Construido alrededor del año 2000, tiene un techo inclinado de dos pisos y una altura total de 9,5 m (Figura 1). El cuerpo principal de la estructura del cerramiento del cortijo es un muro de ladrillo de 180 mm, la fachada exterior está revestida con baldosas cerámicas y el resto de fachadas están enlucidas con mortero de cal.
Durante la enseñanza, los estudiantes primero deben inspeccionar y dibujar un plano de construcción (Figura 2). Luego realizar una evaluación ambiental y hacer sugerencias de optimización y mejora en función de las características de consumo energético y adaptabilidad ambiental del edificio.
1. La evaluación del desempeño ambiental basada en Designbuilder La interfaz y la barra de comandos de Designbuilder son simples e intuitivas, y varias vistas en perspectiva tridimensionales y barras de información pueden ayudar a los usuarios a comprender y operar bien. 【7】【7】Los resultados de la simulación del consumo de energía que Design Builder puede generar incluyen: el consumo de energía del edificio en diferentes períodos de tiempo, el rendimiento de la transferencia de calor de la envolvente del edificio, la carga de refrigeración y calefacción del edificio, las emisiones de gases de efecto invernadero. , etc. Designbuilder puede establecer la longitud y latitud del sitio y la orientación del edificio para ayudar a los estudiantes a comprender la relación entre el entorno y el edificio. En la opción "Construcción" de Designbuilder, los estudiantes pueden configurar los materiales y parámetros de la envolvente por turno. Tome esta casa de campo experimental como ejemplo y guíe a los estudiantes a usar Designbuilder para modelarla (Figura 3).
2. Análisis del consumo de energía y luego dejar que los estudiantes establezcan el tipo de actividad de cada habitación en el software en función de la situación general de los residentes locales. Por ejemplo, la densidad de población predeterminada en los dormitorios es 0,0229 personas/m2 y la densidad de población predeterminada en los baños es 0,018 personas/m2. Cuando la temperatura es superior a 30°C desde la tarde hasta la noche en verano, los cuatro dormitorios y la sala de estar del segundo piso se enfrían con aire acondicionado y la temperatura se ajusta a 26°C. Las habitaciones restantes no tienen equipo de refrigeración. No hay sistema eléctrico de agua caliente en la granja y los residentes dependen principalmente de calentadores de agua solares para calentar el agua de baño. De acuerdo con los hábitos de vida de los residentes, el ciclo de iluminación para el dormitorio este y la sala de estar en el primer piso, los cuatro dormitorios y la sala de estar en el segundo piso se establece entre las 19:00 y las 22:00, y el ciclo de iluminación para el El dormitorio oeste y las habitaciones auxiliares del primer piso están fijados en 1 hora.
Design-builder simuló el consumo energético de los edificios en verano (Figura 4). Los resultados de la simulación de Designbuilder pueden mostrar visualmente datos que incluyen el consumo de electricidad del edificio, las condiciones de ventilación y el consumo de energía de cada habitación del edificio a través de gráficos y otros gráficos. Aquí tomamos los cuatro dormitorios y la sala de estar más utilizados en el segundo piso de este edificio como ejemplo para el análisis del consumo de energía. Los resultados de la simulación muestran que el consumo eléctrico del edificio en verano proviene principalmente de la iluminación y el aire acondicionado. ¿El consumo de energía diario promedio de la iluminación de un edificio no debe exceder los 3 KW? h. La electricidad de refrigeración se produce principalmente en verano y el consumo máximo diario de energía de aire acondicionado y refrigeración puede alcanzar los 90 kW. h Según la tabla de valores de consumo de energía en verano (julio-agosto) de Designbuilder, ¿el consumo de energía de iluminación es 173,38+0kW? h. ¿El consumo de energía del aire acondicionado y la refrigeración es de 4405,41 KW? h, ¿el consumo total de electricidad de este hogar en verano es 4579,32 KW? h.Designbuilder también puede analizar el consumo de energía durante un período de tiempo específico hora por hora, y el proceso de generación de resultados es consistente con el proceso de análisis del consumo de energía en verano.
3. Análisis de iluminación natural Haga clic en la opción "Iluminación natural" para analizar la iluminación natural en cada piso del edificio (Figura 5). Como se puede ver en la figura, el coeficiente de iluminación promedio en el primer piso de la granja es del 1,15%, el coeficiente de iluminación máximo es del 13,67%, la iluminación máxima es de 1367,0lx y la proporción del área del edificio que cumple con el estándar de iluminación es 16,87%. El coeficiente de iluminación promedio en el segundo piso es del 5,34%, el coeficiente de iluminación máximo es del 28,06%, la iluminación máxima es de 2806,7lx y la proporción del área del edificio que cumple con el estándar de iluminación es del 53,96%. Los resultados de los análisis y cálculos muestran que las condiciones de iluminación en el primer piso del edificio son deficientes y se necesita iluminación artificial para lograr un ambiente luminoso confortable. El segundo piso del edificio tiene buena iluminación natural, pero la distribución es desigual y la iluminación en la dirección de profundidad de la habitación no es la ideal.
4. Para el análisis de ventilación de fluidos, haga clic en la opción "CFD" para simular las condiciones de ventilación de todo el edificio. Los resultados de la simulación de salida incluyen la velocidad del viento, la temperatura del viento, la temperatura de radiación promedio y la temperatura de funcionamiento. El cambio de color en el diagrama de simulación indica el cambio de tamaño del parámetro y hay una representación correspondiente en la línea de escala (Figura 6). Además, la herramienta de corte en Designbuilder puede cortar los ejes X, Y y Z dentro del edificio y generar el mapa de distribución de fluidos en el plano de corte. Se puede ver en el diagrama de análisis de dinámica de fluidos en verano que la velocidad del viento interior en el segundo piso es mejor que la del primer piso, y la temperatura interior es mejor que el área del techo.
Así que el segundo piso del ambiente térmico interior es un espacio más confortable, y también es la ubicación del dormitorio principal interior. Al mismo tiempo, en el diagrama de simulación se puede ver que algunas habitaciones cercanas al borde de la envolvente del edificio tienen temperaturas más altas y una velocidad del viento insuficiente. El centro de la habitación es un espacio relativamente bueno con mayor velocidad del viento y menor temperatura.
Se puede ver que aunque el patrón de diseño profundo adoptado por este agricultor provocará una iluminación insuficiente, desde la perspectiva del confort térmico, es adecuado para el clima cálido del verano local. Este enfoque también es un formulario de plano de construcción comúnmente utilizado en las zonas rurales locales. A través de esta simulación, los estudiantes pueden comprender completamente las causas de las características morfológicas de la arquitectura rural local.
5. Evaluación y retroalimentación sobre el diseño óptimo Con base en los resultados del análisis anterior, se orienta a los estudiantes para optimizar el diseño de residencias rurales. La dirección del diseño optimizado es principalmente realizar mejoras en dos aspectos basados en los resultados de la evaluación anterior: reducir el consumo de energía de aire acondicionado y refrigeración en verano y mejorar las condiciones de iluminación interior. En este proceso, se guía a los estudiantes para que tomen las siguientes dos medidas para mejorar el consumo de energía de las residencias rurales: Primero, optimizar el rendimiento térmico de la pared aumentando el espesor de la pared. Al agregar una pared de ladrillos de 120 mm fuera de la pared de ladrillos de 180 mm, el consumo de energía acumulado de aire acondicionado y refrigeración en verano se reducirá en 4405+0kW. h reducido a 4195.37KW? h, un 5,58% inferior al primer modelo. Por otro lado, sustituir el vidrio de ventana común por vidrio aislante de doble acristalamiento optimiza el rendimiento térmico de la ventana. En este plan de optimización, el consumo de energía de refrigeración se reduce aún más a 3991,95438+0 kW. h, un 9,39% inferior al del primer modelo.
Se puede observar que aumentar el espesor de las paredes y utilizar ventanas de doble capa puede desempeñar un cierto papel en la reducción del consumo de energía en las residencias rurales. Otra dirección para optimizar el diseño es mejorar las condiciones de iluminación (Figura 7). Se pueden tomar medidas de optimización, como aumentar el tamaño de las ventanas existentes en las habitaciones del segundo piso. La altura de las ventanas del segundo piso es de 1,8 m, el ancho de las ventanas de los dos dormitorios del sur es de 2,8 m, el ancho de la ventana de la sala de estar es de 3,5 m, el ancho de las ventanas de los dos dormitorios del norte es de 1,5 m y el El ancho de la ventana de la escalera es de 3,9 m. Mientras se mantiene el ancho de la ventana original, sobre la base del cambio, la altura aumentó a 2,4 m y el coeficiente de iluminación promedio del segundo piso aumentó del 5,34 % al 5,33 %. ¿Al mismo tiempo, el consumo de energía de aire acondicionado y refrigeración en verano de los edificios residenciales rurales aumentó a 4730,82 KW? h, un aumento del 7,39% respecto al primer modelo. Sobre esta base, si el vidrio de ventana común se reemplaza por vidrio aislante de doble capa, ¿se reducirá el consumo de energía de refrigeración a 4529,72 KW? h, un aumento del 2,82% respecto al modelo de primera generación. En este momento, el coeficiente de iluminación promedio del segundo piso es del 4,67%, menor que el coeficiente de iluminación inicial. Los experimentos anteriores muestran que aumentar el área de las ventanas del segundo piso no mejorará el efecto de iluminación interior, pero aumentará el consumo de energía de refrigeración.
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