基于全生命周期成本和碳排放量的綠色建筑設(shè)計優(yōu)化研究

魏文嬌

[中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083]

作為我國能源消耗的主體行業(yè)，建筑行業(yè)有著巨大的節(jié)能潛力，也是實現(xiàn)我國節(jié)能減排目標(biāo)的關(guān)鍵。當(dāng)前我國的建筑中高耗能建筑占比為99%，綠色建筑占比僅為1%不到，在建工程中仍有90%的建筑為高耗能建筑。通過筆者及導(dǎo)師的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，80%的溫室效應(yīng)氣體都是來自于建筑行業(yè)，因此節(jié)能減排，最重要的是降低二氧化碳的排放量，是降低建筑行業(yè)能耗，實現(xiàn)減排的首要目標(biāo)。建筑的全生命周期成本取決于設(shè)計階段，傳統(tǒng)的綠色建筑通過能耗分析發(fā)現(xiàn)存在項目成本較高、節(jié)能技術(shù)落后等問題，因此需要對綠色建筑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

綠色建筑的設(shè)計需要兼顧能源和節(jié)約成本的需求，運用多目標(biāo)優(yōu)化的方法實現(xiàn)全生命周期的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的雙贏，在設(shè)計的前期就采用優(yōu)化計算的方法選擇方案來模擬碳排放以及優(yōu)化建設(shè)成本，選擇最優(yōu)方案，對成本的降低和環(huán)境影響的降低有著積極的作用。本文通過計算機(jī)剪力優(yōu)化模型，設(shè)置碳排放和建筑成本的多目標(biāo)函數(shù)，模擬真實的物理環(huán)境并測算出全生命周期的碳排放量與成本，對建筑的初始設(shè)計防范進(jìn)行優(yōu)化，得到有效節(jié)約成本以及實現(xiàn)碳減排的最佳方案。

1 綠色建筑設(shè)計的優(yōu)化方法

綠色建筑的設(shè)計理念就是在全生命周期內(nèi)答復(fù)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和降低污染，為人們提供高效、健康的空間并與自然和諧發(fā)展。當(dāng)前在進(jìn)行設(shè)計方案的優(yōu)化時需要通過大量的計算來追求更高進(jìn)度的方案，因此消耗了大量的時間，如果有能提高效率和計算進(jìn)度的方法對于提高綠色建筑的設(shè)計效率有著很大的作用。

同時，要降低成本又要減少碳排放屬于多目標(biāo)的優(yōu)化，當(dāng)前的算法主要有遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等。通過筆者及導(dǎo)師的分析，遺傳算法存在局部計算能力較差、后期搜索效率低的問題，粒子群優(yōu)化算法能夠隨著當(dāng)前解空間內(nèi)最優(yōu)的粒子進(jìn)行搜索，通過極值確定位置，找到最優(yōu)解。而且粒子算法不需要調(diào)整參數(shù)，故本文通過多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行綠色建筑優(yōu)化設(shè)計，兩個目標(biāo)下的多目標(biāo)粒子群優(yōu)化問題搜索可以用圖2說明。

圖1 生命周期和碳排放

圖2 兩個目標(biāo)下的多目標(biāo)粒子群求解搜索過程

2 基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的綠色建筑優(yōu)化設(shè)計

采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的設(shè)計需要優(yōu)化模擬系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)兩部分。本文通過模擬系統(tǒng)來模擬建筑的真實環(huán)境，優(yōu)化系統(tǒng)是設(shè)置目標(biāo)參數(shù)，建立決策變量，優(yōu)化初始方案。目前建筑的設(shè)計優(yōu)化主要在熱性能效率的提升方面。其他諸如照明系統(tǒng)的影響其實也很重要。所以在綠色建筑的優(yōu)化設(shè)計中，重點需要考慮熱環(huán)境與光環(huán)境的優(yōu)化，在設(shè)計中對建筑物的物理性能進(jìn)行測試，并考慮互相作用。

2.1 照明系統(tǒng)

在照明系統(tǒng)的模擬中，需要用到采光系數(shù)和全自然采光百分比等指標(biāo)系數(shù)，指標(biāo)系數(shù)滿足規(guī)定就說明建筑的照明系統(tǒng)滿足光環(huán)境要求。本文選擇太原市迎澤區(qū)的一棟建筑進(jìn)行設(shè)計，選擇光照度不低于500LUX作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，光照不足500LUX需要人工輔助光源，通過計算將人工輔助光源換算為電能。

2.2 熱環(huán)境系統(tǒng)

熱環(huán)境的影響主要考慮建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的做法，進(jìn)行熱環(huán)境模擬需要假設(shè)供熱通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)全年不間斷運行，提供室內(nèi)環(huán)境的舒適溫度。因此通過通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電能消耗來體現(xiàn)建筑物的熱環(huán)境性能，耗電量越多說明建筑的熱環(huán)境性能越差。計算制冷與制熱的能耗量，引入COP系數(shù)表示能效比，可以計算出年度的能耗總量，用Qs表示。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化

采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行建筑設(shè)計方案的優(yōu)化，變量選擇墻體類型、窗墻比、玻璃類型、外部遮陽和建筑朝向，通過系統(tǒng)優(yōu)化來實現(xiàn)全生命周期成本和全生命周期碳排放量的最小化。建筑物的全生命周期包括自然資源的開采、材料的生產(chǎn)、建造、維護(hù)和拆除，很多材料的回收和處置成本未知而且缺乏對環(huán)境的相關(guān)影響，故本次不考慮建筑的拆除和維護(hù)，全生命周期的成本就可以用建設(shè)成本和運營成本的和來表示，即LCC，碳排放量的目標(biāo)函數(shù)可以表示為建設(shè)過程碳排放量與運營過程中碳排放量的和，即LCCE。優(yōu)化系統(tǒng)的約束條件為：LCC的值盡可能小，不能超過預(yù)算成本，LCCE的值小于初始方案中的值，優(yōu)化算法見圖3。

圖3 多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的綠色建筑優(yōu)化設(shè)計

3 實際案例

筆者跟隨導(dǎo)師對太原市迎澤區(qū)一棟10層的辦公樓進(jìn)行了研究與分析，該辦公樓建筑面積為13 000m2，使用年限為50年，建筑物的作用基本為辦公室以及會議室，層高為4.2m，提出的優(yōu)化假設(shè)為首先建筑物使用的能源為電能，價格不變?yōu)?.9HKD/KWh，其次所用的建筑材料都來自周邊，運輸過程中不計算碳排放量。

采用Ecotece軟件進(jìn)行分析與模擬，工作時間為9點到下午18點，周一至周五為工作日，采用水冷式制冷機(jī)，COP為4.7，室內(nèi)設(shè)計的溫度為22℃，采用的燈管功率均為40W，建筑物內(nèi)照明度低于500LUX，采用人工輔助照明。采用墻體類型分別為150mm混凝土墻(W1)、150mm加氣塊墻(W2)和輕質(zhì)磚墻(23)。玻璃采用單層透明玻璃(G1)、雙層透明玻璃(G2)和雙層綠色玻璃(G3)三種，窗墻比為0.1～0.8的區(qū)間，建筑朝向為0°～360°，外部遮陽的寬度為0m～1.5m，通過優(yōu)化計算可以得出最優(yōu)方案，下面選擇耗能最佳的三種方案進(jìn)行比選。見表1。

表1 最佳三種方案帕累托最優(yōu)解

通過計算可以發(fā)現(xiàn)不同的優(yōu)化方案均能夠減少成本以及降低碳排放量，業(yè)主可以綜合考慮，選擇最佳方案來優(yōu)化設(shè)計。

4 結(jié) 語

本文通過太原市迎澤區(qū)的具體案例，通過計算機(jī)模擬，由于參數(shù)的多樣性，該建筑的成本與碳排放量設(shè)計存在上萬個解決方案，運用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化計算提高了方案選擇的效率，具有高效性，而且選擇的方案能夠較好地降低成本和降低碳排放量，因此對于優(yōu)化綠色建筑的設(shè)計具有較強(qiáng)的社會意義和推廣性，對于環(huán)境優(yōu)化也有著積極的意義。