基于電價波動的綠色建筑增量成本與效益研究

武文靜 曹云忠 劉雪妤 周世杰 王新平

摘要：面對綠色建筑增量成本增加壓力，為適應開發商對節能方案效益分析的需求，本文將電價波動融入綠色建筑增量成本與效益研究。針對增量成本計算中靜態價格的不足，提出用動態電價格代替靜態電價的方法。同時建立遺傳算法多目標優化模型，選取最優組合節能方案。本文的研究結論對于開發商選擇施工節能方案與優化投標報價等決策提供可靠依據。

Abstract： Faced with the pressure of incremental cost of green buildings， this paper integrates the fluctuation of electricity price into the study of incremental cost and benefit of green buildings in order to meet the needs of developers for benefit analysis of energy-saving schemes. Aiming at the shortage of static price in the calculation of incremental cost， a method of replacing static price with dynamic price is proposed. At the same time， the multi-objective optimization model of genetic algorithm is established to select the optimal combination energy saving schemes. The conclusion of this paper provides a reliable basis for the developers to choose the construction energy saving schemes and optimize the bidding quotation.

關鍵詞：綠色建筑;節能方案;遺傳算法

Key words： green building;energy saving schemes;genetic algorithm

中圖分類號：TU201.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）15-0066-03

0 ?引言

為緩解建筑能耗過高，環境污染嚴重的問題，我國提出推進建筑物節能減排，大力發展綠色建筑。為開發綠色建筑，開發商增加額外的一次性投入，建筑成本因此上升。同時成本上升會帶來更多功能和效益[1]，這種增量成本及效益的不確定性使開發商對綠色建筑持保守態度。目前綠色建筑的開發往往受制于一次性投資成本，這已是推廣綠色建筑的最大阻礙[2]。

綠色建筑增量成本與效益評價得到國內外廣泛關注。目前研究綠色建筑增量成本時，多考慮靜態電價，對因設備磨損老化及用電峰谷變化等因素導致的電價波動研究甚少。本文基于電價波動，研究綠色建筑一次性投資增量成本及增量效益，建立遺傳算法多目標優化模型，選取組合節能方案，實現準確的低能耗低成本決策。

1 ?節能方案增量成本與效益評價模型

綠色建筑采取節能設計方案，相較于傳統建筑會產生額外一次性投資，即增量成本。但綠色建筑在運維階段能帶來功能和效益。本文構建增量成本和效益評價模型，對節能方案增量成本與效益進行分析。

1.1 測算動態電價

常規節能方案計算增量成本時，常取靜態用電情況。在建設過程中，建設期電價不會穩定在同一數值，而是隨設備磨損及用電峰谷等因素產生變化。本文考慮建設期動態用電情況，測算建設期電價，主要依據如下：一是確定施工過程中所需用電設備及功率，根據勞動力計劃表計算各施工工藝產生的用電量。二是根據橫道圖確定施工階段每天和每月用電量。三是根據我國梯度電價政策計算當月電費和每月平均電價。該電價測算數據將用于下述增量成本測算。

1.2 增量成本評價

增量成本指設計建筑與參考建筑相比，應用節能方案相關技術后所產生的額外成本，即設計建筑成本與參考建筑成本之差。

DeST軟件是做能耗模擬的常用軟件，它可以根據給定的參數，仿真模擬建筑材料、電氣設備等環境，計算建筑在各節能方案下的能耗。

增量成本的計算要依據DeST軟件模擬得出的工程量及已測算出的動態電價，綜合考慮建筑成本人材機費用，根據具體方案和市場價格套用定額組價，計算各方案增量成本。

增量成本計算公式：ΔC=CS-CC

ΔC：增量成本;CS：設計建筑成本;CC：參考建筑成本。

1.3 增量效益評價

為反映節能方案產生的增量效益，本文選取節能方案帶來的經濟效益、生態效益和社會效益三個維度指標。增量經濟效益ΔS1由空調系統、外墻結構、外窗和屋頂節能四個方面組成。每部分經濟效益值均為各結構節能量與綜合電價之積。增量生態效益ΔS2指由節能設計導致的污染物排放減少量效益值，其值為節能量與減排綜合系數之積[3]。

增量社會效益ΔS3主要表現為電力投資減少，值為節電量與電力損失綜合系數值之積。

增量效益公式：ΔS=（ΔS1+ΔS2+ΔS3）P（ΔS1+ΔS2+ΔS3，i，n）。

i：基準收益率;n：計算期年限。

2 ?遺傳算法多目標優化模型

根據《綠色建筑評價標準2019》，得各節能方案綠色建筑評分。約束函數為各節能方案綠色建筑評分之和不小于24。目標函數為各方案增量成本之和最小、各方案增量效益最大。建立遺傳算法多目標優化模型，求節能方案Pareto最優解域。

引入節能效率系數指標δ=，用增量效益與增量成本之比反映節能方案單位增量成本所產生的增量效益。在Pareto最優解域中選取節能效率指標最高的節能方案作為最終節能方案，保證所選節能方案以最小投資獲取最大收益。

3 ?案例分析

3.1 工程概況

選取廣西某教學樓工程進行案例分析，驗證上述模型，詳細建筑信息如表1。

3.2 動態電價測算

根據1.1節動態電價測算方法，計算案例工程各月總電量，依據廣西省梯度電價，測算各月平均電價，如表2。

3.3 參考建筑節能技術方案

本文按照《公共建筑節能設計標準》最低標準對參考建筑進行節能設計。空調系統采用離心式電制冷機;外墻維護結構采用重砂漿粘土240mm+純石膏板10mm+聚苯乙烯泡沫塑料60mm+純石膏板8mm;外窗采用普通6mm單玻璃;屋頂采用水泥砂漿20mm+地瀝青混凝土70mm+煙灰加氣混凝土125mm+石灰砂漿15mm。

3.4 節能方案增量成本與效益測算

3.4.1 節能方案設計

本文選取空調系統、外墻維護結構、外窗結構、屋頂結構節能指標四個因素，提出16種節能技術方案，如表3。

3.4.2 能耗模擬

在DeST中輸入參考及設計建筑的參數信息，輸出各方案建筑負荷量。通過對比設計建筑的負荷和成本與參考建筑的負荷和成本，得到增量成本和效益，如表4。增量效益測算中綜合減排系數為0.4169[4]，基準收益率i為12%，計算期年限n為50。

3.5 遺傳算法求解及結果分析

對節能項目優化模型求解，選取Python3.5的Geatpy庫中帶精英策略的非支配排序遺傳算法（NSGAII）模板編寫遺傳算法程序。算法中交叉概率與突變概率采用模板默認值，迭代次數為200，種群數量為20。

經計算，該節能方案具有多組Pareto最優組合，如表5。為得到最終優化方案，本文采用“節能設計效率”進行評價。由表5，節能設計效率最大的是序號6號組合方案，即空調系統采用活塞式電制冷機，外墻維護結構采用水泥砂漿20mm+重砂漿粘土240mm+膨脹珍珠巖30mm+無水泥纖維板20mm，外窗結構采用普通中空玻璃，屋頂結構采用水泥砂漿20mm+多孔混凝土200mm+鋼筋混凝土130mm+水泥砂漿15mm，節能設計效率為16.09。意味著未來50年，該項目單位增量成本所帶來的增量效益現值為16.06元/m2。

4 ?結論

本文研究了動態電價下增量成本與效益關系，建立遺傳算法多目標優化模型，根據節能效率系數在Pareto最優解域中選取最優組合節能方案。本文基于理論分析和案例實踐，對增量成本和效益進行了全面分析、測算和評價，形成增量成本及效益評價模型。并基于遺傳算法多目標優化模型，以增量效益最大和增量成本最小為目標函數，兼顧綠色建筑經濟和能耗問題，求得最優組合節能方案，為開發商提供選擇節能方案的技術支持。

參考文獻：

[1]丁孜政.綠色建筑增量成本效益分析[D].重慶：重慶大學，2014.

[2]陳雙，龐宏威.基于增量成本的綠色地產市場演化博弈研究[J].湖北大學學報（哲學社會科學版），2013，40（05）：97-101.

[3]伍倩儀.基于全壽命周期成本理論的綠色建筑經濟效益分析[D].北京交通大學，2011.

[4]祁士偉.基于遺傳算法的綠色建筑節能方案多目標優化[D].北京：北京化工大學，2017.

基金項目：四川農業大學創新訓練計劃項目（201810626131）。

作者簡介：武文靜（1998-），女，山西晉中人，四川農業大學本科生，研究方向為工程管理;曹云忠（通訊作者）（1970-），男，四川成都人，教授，博士，研究方向為工程管理。