Parametric optimisation on solar radiation in courtyard design in a semi-arid climate

Abstract

ABSTRACT Solar control is the most critical aspect of courtyard design, including maximum winter sunlight and summer shading resulting from the interaction between geometrical courtyard parameters and the sun’s position in the sky. The appropriate geometrical parameters vary according to the required shading or sunlight in the yard, defined by the climate and the sun’s position in the sky. However, in a semi-arid climate, with hot summers and cold winters, designing the optimal geometrical parameters of the courtyard is particularly difficult. Maximum shading in summer and maximum solar access in winter is required throughout the year. In recent years, the multi-objective genetic algorithms approach for optimisation has shown its effectiveness in solving such contrasting problems or objectives to search for optimal designs. To this end, this study aims to optimise the sunlight and shading areas in the design of a courtyard as a function of its geometric parameters and the sun’s path in a semi-arid climate using the multi-objectives genetic algorithm approach. First, an extensive literature review identified height/width (H/W) ratio and orientation as geometrical parameters influencing solar control in the courtyard design. Then, an optimisation approach was used, based on three steps. The study area selected for this optimisation approach is the city of Constantine, presenting a variety in the typology and geometry of the courtyard resulting from the different periods the city has gone through, experiencing a rapid change in architectural design, such as traditional, colonial and contemporary. Thus, eleven typical courtyards (case studies) with various geometrical parameters were selected for optimisation. The optimisation starts with parametric modelling of the selected case studies. Then, a simulation of their sunlight and shading performance was performed. Finally, various H/W and orientations were combined in a multi-objective evolutionary calculation tool via the Octopus plug-in for Grasshopper to derive potential solutions for achieving a good balance between sunlight and shading area. The results indicate that the combination of H/W ratio and orientation balances sunlight and shading areas in the courtyard design. Thus, the optimal courtyard design in a semi-arid climate should be an open typology with a low H/W ratio equal to or greater than (>) 0.78, an orientation between N-S and NE-SW with a rotation angle between 210° and 215° with respect to the North, and be combined with effective shading devices for summer. In addition, scalable multi-objective genetic algorithm approach can be implemented to provide potential solutions and increase the possibility of solving complex problems in the courtyard design in the early design stage. الملخص يعتبر التحكم في الطاقة الشمسية من أهم جوانب تصميم الفناء، بما في ذلك الحد الأقصى لضوء الشمس في الشتاء والتظليل في الصيف الناتج عن التفاعل بين المعلمات الهندسية للفناء وموقع الشمس في السماء. تختلف المعلمات الهندسية المناسبة اعتمادًا على التظليل أو ضوء الشمس المطلوب في الفناء، والذي يحدده المناخ وموقع الشمس في السماء. ومع ذلك ، في المناخ شبه الجاف ، مع صيف حار وشتاء بارد، يكون تصميم المعلمات الهندسية المثلى للفناء صعبًا بشكل خاص. من الضروري توفير أقصى قدر من الظل في الصيف والوصول إلى أقصى حد للطاقة الشمسية في الشتاء طوال العام. في السنوات الأخيرة، أظهر نهج التحسين متعدد الأهداف المستند إلى الخوارزميات الجينية فعاليته في حل مثل هذه المشاكل أو الأهداف المتناقضة للعثور على التصميمات المثلى. ولهذه الغاية، تهدف هذه الدراسة إلى تحسين مناطق الشمس والظل في تصميم الفناء وفقًا لمعاييرها الهندسية ومسار الشمس في مناخ شبه جاف باستخدام نهج التحسين متعدد الأهداف القائم على الخوارزميات الجينية. أولاً، حددت مراجعة متعمقة للأدبيات نسبة الارتفاع /العرض والاتجاه كمعلمات هندسية تؤثر على التحكم في الطاقة الشمسية في تصميم الفناء. بعد ذلك، تم استخدام نهج التحسين، بناءً على ثلاث خطوات منطقة الدراسة المختارة لنهج التحسين هذا هي مدينة قسنطينة، حيث تقدم مجموعة متنوعة في تصنيف وهندسة الفناء الناتج عن الفترات المختلفة التي مرت بها المدينة، والتي تشهد تغيرًا سريعًا في التصميم المعماري، مثل التقليدية والاستعمارية والمعاصرة. وهكذا، تم اختيار إحدى عشرة دورة نموذجية )دراسات حالة( مع معلمات هندسية مختلفة لتحسينها. بدأ التحسين بنمذجة حدودي لدراسات الحالة المختارة. بعد ذلك، تم إجراء محاكاة لأداء أشعة الشمس والتظليل. أخيرًا، تم دمج نسب الارتفاع/العرض المختلفة والتوجهات المختلفة في أداة حساب تطورية متعددة الأهداف عبر المكون الإضافي لاشتقاق حلول محتملة لتحقيق توازن جيد بين ضوء الشمس وتظليل المنطقة. تشير النتائج إلى أن الجمع بين نسبة الارتفاع/العرض والاتجاه يساعد في موازنة مناطق الشمس والظل في تصميم الفناء. وبالتالي، فإن التصميم الأمثل للفناء في مناخ شبه جاف يجب أن يكون تصنيفًا مفتوحًا مع نسبة الارتفاع/العرض منخفضة تساوي أو تزيد عن )>( 0.78 واتجاه بين الشمال الجنوب وشمال شرق جنوب غر ب - - بزاوية دوران بين 210 درجة و 215 درجة بالنسبة للشمال، ويتم دمجهما مع أجهزة تظليل فعالة لفصل الصيف. أيضًا، يمكن تنفيذ نهج التحسين متعدد الأهداف المستند إلى الخوارزميات الجينية لتوفير حلول محتملة وزيادة إمكانية حل المشكلات المعقدة في تصميم الدورة التدريبية في مرحلة التصميم الأولية. RESUME Le contrôle solaire est l’aspect le plus critique de la conception d’une cour (courtyard), y compris l’ensoleillement maximal en hiver et l’ombrage en été résultant de l’interaction entre les paramètres géométriques de la cour et la position du soleil dans le ciel. Les paramètres géométriques appropriés varient en fonction de l’ombrage ou de l’ensoleillement requis dans la cour, défini par le climat et la position du soleil dans le ciel. Cependant, dans un climat semi-aride, avec des étés chauds et des hivers froids, la conception des paramètres géométriques optimaux de la cour est particulièrement difficile. Un maximum d’ombrage en été et un maximum d’accès solaire en hiver sont nécessaires tout au long de l’année. Ces dernières années, l’approche d’optimisation multi-objectifs basée sur les algorithmes génétiques a montré son efficacité dans la résolution de tels problèmes ou objectifs contrastés pour rechercher des conceptions optimales. À cette fin, cette étude vise à optimiser les zones d’ensoleillement et d’ombrage dans la conception d’une cour en fonction de ses paramètres géométriques et de la trajectoire du soleil dans un climat semi-aride en utilisant l’approche d’optimisation multi-objectifs basée sur les algorithmes génétiques. Tout d’abord, une analyse documentaire approfondie a permis d’identifier le rapport hauteur/largeur (H/W) et l’orientation comme étant des paramètres géométriques influençant le contrôle solaire dans la conception de la cour. Ensuite, une approche d’optimisation a été utilisée, basée sur trois étapes. La zone d’étude sélectionnée pour cette approche d’optimisation est la ville de Constantine, présentant une variété dans la typologie et la géométrie de la cour résultant des différentes périodes que la ville a traversées, connaissant un changement rapide dans la conception architecturale, comme traditionnelle, coloniale et contemporaine. Ainsi, onze cours typiques (études de cas) avec différents paramètres géométriques ont été sélectionnées pour l’optimisation. L’optimisation commence par une modélisation paramétrique des études de cas sélectionnées. Ensuite, une simulation de leurs performances d’ensoleillement et d’ombrage a été réalisée. Enfin, divers rapports de H/W et diverses orientations ont été combinés dans un outil de calcul évolutionnaire multi-objectif via le plug-in Octopus pour Grasshopper afin de dériver des solutions potentielles pour obtenir un bon équilibre entre la lumière du soleil et la zone d’ombrage. Les résultats indiquent que la combinaison du rapport H/W et de l’orientation permet d’équilibrer les zones d’ensoleillement et d’ombrage dans la conception de la cour. Ainsi, la conception optimale d’une cour dans un climat semi-aride devrait être une typologie ouverte avec un faible rapport H/W égal ou supérieur à (>) 0,78, une orientation entre N-S et NE-SW avec un angle de rotation entre 210° et 215° par rapport au Nord, et être combinée avec des dispositifs d’ombrage efficaces pour l’été. En outre, l’approche d’optimisation multi-objectifs basée sur les algorithmes génétiques peuvent être mis en oeuvre pour fournir des solutions potentielles et augmenter la possibilité de résoudre des problèmes complexes dans la conception du cours au stade initial de la conception.