多目標(biāo)因子約束下的建筑節(jié)能環(huán)保改造設(shè)計(jì)

謝 虎

(廣西中醫(yī)藥大學(xué) 第一附屬醫(yī)院，廣西 南寧 530022)

能源是當(dāng)今社會(huì)極其重要的資源，能夠影響一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程。在眾多耗能產(chǎn)業(yè)中，建筑行業(yè)的能耗量占比較大，在建造初期建筑物形態(tài)、墻體結(jié)構(gòu)、窗墻比例、氣密性等以及個(gè)體入住階段的供暖、通風(fēng)與照明等項(xiàng)目都會(huì)直接或間接地提升、降低建筑耗能。綜合分析建筑整體能耗機(jī)制，減少能源需求，對(duì)建筑進(jìn)行節(jié)能環(huán)保改造已經(jīng)成為設(shè)計(jì)者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。但是，在人力與物力有限情況下，如何合理確定改造方案，有計(jì)劃地完成節(jié)能改造，是現(xiàn)階段遇到的最大瓶頸。基于此，鄭英[1]結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)投資回報(bào)理論對(duì)農(nóng)村建筑進(jìn)行節(jié)能改造，調(diào)研建筑平面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，尋找建筑結(jié)構(gòu)基本規(guī)律，通過(guò)典型建筑形式運(yùn)算出所需能耗；參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定滿足當(dāng)?shù)厍闆r的改造方案，使用經(jīng)濟(jì)學(xué)回報(bào)理論評(píng)估該方案的經(jīng)濟(jì)性。徐欣等[2]提出分項(xiàng)能耗值計(jì)算的節(jié)能環(huán)保改造。通過(guò)對(duì)不同項(xiàng)目能耗值的計(jì)算，診斷照明、空調(diào)以及動(dòng)力系統(tǒng)的能耗情況，設(shè)計(jì)不同節(jié)能策略，獲取節(jié)能量。由于影響建筑能耗的因素是多方面的，上述方法對(duì)多因素考慮不夠全面，設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性有待進(jìn)一步提高。本文以建筑能源消耗量與用戶舒適性為目標(biāo)，在多目標(biāo)因子約束下，完成建筑節(jié)能環(huán)保改造設(shè)計(jì)。建筑環(huán)保改造的基本思路就是利用多因素組合優(yōu)化方式[3]實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。構(gòu)建了建筑物的能源消耗量和用戶舒適度為約束的數(shù)學(xué)耦合關(guān)系，建立多目標(biāo)節(jié)能改造模型，利用改進(jìn)粒子群算法對(duì)模型求解，結(jié)合實(shí)際情況權(quán)衡每個(gè)目標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，計(jì)算出最優(yōu)解，得到優(yōu)化組合定量數(shù)據(jù)集合，即為最佳設(shè)計(jì)方案。

1 建筑節(jié)能環(huán)保改造設(shè)計(jì)影響因素分析

要想獲取理想的節(jié)能環(huán)保效果，需全面權(quán)衡各類影響因素。不同設(shè)計(jì)階段，各因素的影響程度也存在差異[4]，尤其在改造設(shè)計(jì)初始階段，各因素對(duì)節(jié)能環(huán)保效果起到?jīng)Q定性作用，本文分別從內(nèi)、外2部分分析。

1.1 外部因素

具體環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 環(huán)境參數(shù)Tab.1 Environmental parameters

建筑設(shè)計(jì)的根本目標(biāo)為抵御不利氣候、降低環(huán)境對(duì)建筑內(nèi)居住人員影響，因而環(huán)境是改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵影響因素[5]。和建筑相關(guān)的環(huán)境因素分為濕度、光照、溫度等。

隨著建筑周圍風(fēng)力的驅(qū)使，建筑內(nèi)外部空氣流動(dòng)如圖1所示。

圖1 建筑內(nèi)外部空氣流動(dòng)Fig.1 Air flow inside and outside the building

根據(jù)不同緯度位置，將熱工區(qū)劃分[7]為如表2所示的多個(gè)區(qū)域。

表2 熱工分區(qū)Tab.2 Thermal partition

1.2 內(nèi)部因素

(1)建筑朝向[8]。自然采光是通過(guò)自然環(huán)境改變室內(nèi)舒適度的重要方式，朝向不但影響采光效果，更決定著能量消耗，所以設(shè)計(jì)方案需要考慮方向、布局等因素。以西北地區(qū)為例，不同建筑朝向的特點(diǎn)如圖2所示。

圖2 不同建筑朝向的特點(diǎn)Fig.2 Characteristics of different architectural orientations

(2)建筑形態(tài)。建筑結(jié)構(gòu)與節(jié)能效果相關(guān)，也是影響能耗的關(guān)鍵因素。結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度通過(guò)體形系數(shù)表示，該值和能耗之間具有正比關(guān)系[9]，即該值越小，建筑結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，節(jié)能效果越佳。

(3)維護(hù)結(jié)構(gòu)性能[10]。對(duì)建筑整體外形與構(gòu)件具有很大影響，構(gòu)件尺寸決定著通風(fēng)、采光、導(dǎo)熱效果。其中，透明維護(hù)結(jié)構(gòu)采光性能好，具有防寒功效。因此，改造設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合分析門窗尺寸與開啟形式等因素。

2 建筑節(jié)能環(huán)保改造設(shè)計(jì)

2.1 施工階段劃分與工作分配

整個(gè)改造設(shè)計(jì)過(guò)程包括多個(gè)階段，每個(gè)階段的參與者與設(shè)計(jì)目標(biāo)有所不同，具體內(nèi)容見(jiàn)表3。

表3 不同設(shè)計(jì)階段具體內(nèi)容Tab.3 Specific contents of different design stages

2.2 建筑結(jié)構(gòu)施工措施

在建筑節(jié)能環(huán)保改造工程中，窗戶采用3層玻璃塑鋼窗，內(nèi)充惰性氣體[11]。首先將型材放置在5 ℃的環(huán)境中靜置24 h，注意焊接溫度根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，控制壓條的長(zhǎng)度不要過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，避免因盲目追求密封性出現(xiàn)焊角開裂或壓條出槽的問(wèn)題。在選擇密封條時(shí)，要求在低溫環(huán)境下也能夠保持柔軟。鋁滑軌的長(zhǎng)度控制在比內(nèi)扣短2 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)C型或U型槽口，使門窗可實(shí)現(xiàn)多邊多點(diǎn)鎖閉。需要特別注意的是，在門窗上墻的安裝過(guò)程中，玻璃壓條裝配時(shí)要保證保持在5 ℃以上的環(huán)境中，如果溫度不能達(dá)到要求，可以制作簡(jiǎn)易保溫箱，并用電熱毯等保溫玻璃壓條，恒溫處理后才能夠進(jìn)行裝配工作。建筑外墻采用40 mm厚的聚苯板保溫。屋頂保溫采用50 mm厚的擠塑型聚苯板，并用20 mm厚的1∶3水泥砂漿進(jìn)行找平，結(jié)合4 mm厚的防水卷材鋪設(shè)防水層。

2.3 建筑室內(nèi)節(jié)能措施

在建筑節(jié)能環(huán)保改造工程中，引入智能控制技術(shù)，將建筑內(nèi)的電氣設(shè)備和耗能較大的電器進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度等并進(jìn)行自動(dòng)控制，充分發(fā)揮室內(nèi)電器的性能同時(shí)，還可節(jié)約設(shè)備能源損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。通常在建筑中，空調(diào)是能量損耗較大的設(shè)備之一，在選擇空調(diào)時(shí)，需要結(jié)合其最大負(fù)荷量，參考建筑內(nèi)部空間及保溫性能，調(diào)試空調(diào)設(shè)備最佳使用狀態(tài)。在大型建筑中可以考慮增加光伏設(shè)備，節(jié)約電能損耗。蓄冷系統(tǒng)可以考慮熱源土壤，引入冷式冷源設(shè)備。運(yùn)用夜間低谷時(shí)段進(jìn)行制冷，并以水為媒介存儲(chǔ)，在負(fù)荷高峰時(shí)期運(yùn)用。建筑照明節(jié)能改造設(shè)計(jì)中，充分考慮建筑采光特征及照明設(shè)備的類型，結(jié)合建筑物內(nèi)外照明系統(tǒng)的需求和限制，選用節(jié)能型照明燈具，合理設(shè)計(jì)照明效果，盡可能減少美觀型照明燈具。建筑物內(nèi)對(duì)照明強(qiáng)度要求不高的區(qū)域，可以采用上遮光的方式控制照明燈具，達(dá)到照度需求的最低限度即可，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保要求。

3 建筑模擬結(jié)構(gòu)建立

為了更好地確定設(shè)計(jì)方案，必須了解建筑整體結(jié)構(gòu)，通過(guò)能耗模擬軟件OpenStudio在BIM平臺(tái)上構(gòu)建建筑內(nèi)部能耗仿真模型[12-13]，結(jié)合Revit能量分析模塊對(duì)建筑能耗進(jìn)行計(jì)算。建筑物組合結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 建筑物組合結(jié)構(gòu)Fig.3 Building combination structure

在Rhino環(huán)境下使用LadybugTools組件進(jìn)行自然采光模擬。通常建筑物的組成是由多個(gè)戶型空間和交通及輔助空間等組合而成的，所以戶型空間是建筑物的主要結(jié)構(gòu)，在戶型空間中產(chǎn)生的能耗是整個(gè)建筑物的能耗的重要部分，因此，主要研究戶型空間內(nèi)的能耗特征及采光特征等。

(1)多目標(biāo)節(jié)能環(huán)保約束模型構(gòu)建。建筑能源消耗量[14-15]與用戶舒適性[16]是環(huán)保改造設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)兼顧的指標(biāo)。其中，建筑能源消耗量主要包括建筑制冷能耗和采暖能耗，用戶舒適性主要從建筑采光性能方面考慮。一般情況下，建筑能耗降低必定造成用戶舒適性下降，指標(biāo)之間存在一定沖突。本文綜合分析這2個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)約束模型。因影響建筑能源消耗的因素較多，且一些因素容易受到季節(jié)影響，所以約束模型很難精準(zhǔn)建立。為此，本文利用Energy Plus模擬軟件實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)約束模型的構(gòu)建[17]。該模型中包括以下決策變量：建筑物朝向xcr、窗戶長(zhǎng)與高xwd和xwh、傳熱系數(shù)xghk、保溫層厚度xtdw、空調(diào)供熱與制冷溫度xhst與xcst、人員密集程度xpd、照明系統(tǒng)功率xtpd。則多目標(biāo)約束模型可表示為：

(1)

(2)基于改進(jìn)粒子群算法的最佳改造設(shè)計(jì)方案獲取。在上述多目標(biāo)約束模型基礎(chǔ)上，使用改進(jìn)粒子群算法將多個(gè)目標(biāo)變換為單一目標(biāo)并求解。粒子群算法是模擬鳥類尋食過(guò)程提出的，在迭代過(guò)程中，每個(gè)粒子會(huì)尋找到局部與全局最優(yōu)點(diǎn)[18-19]。通過(guò)調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)因子的值，能夠改善收斂性能，減少陷入局部最優(yōu)的可能[19]。雖然粒子群算法在全局搜索中表現(xiàn)出較好的性能，但是針對(duì)不同問(wèn)題時(shí)需反復(fù)調(diào)整相關(guān)參數(shù)來(lái)得到最佳結(jié)果，這對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員而言，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)較為困難。此時(shí)，方案會(huì)太過(guò)依賴全局最優(yōu)點(diǎn)，容易出現(xiàn)早熟現(xiàn)象[20]。基于傳統(tǒng)粒子群算法的不足，本文利用自適應(yīng)擾動(dòng)方法修改位置更新的方式。通過(guò)調(diào)節(jié)擾動(dòng)因子提高了粒子挖掘最優(yōu)解的可能性。隨著迭代次數(shù)的不斷增多，粒子選定的擾動(dòng)區(qū)間逐漸縮小，所以該算法在后期具有非常好的局部挖掘性能。基于改進(jìn)粒子群算法的建筑節(jié)能環(huán)保改造設(shè)計(jì)如圖4所示，整體過(guò)程可描述為：設(shè)置算法相關(guān)參數(shù)，在已知決策空間中，結(jié)合本文多目標(biāo)約束條件，如建筑朝向、窗戶長(zhǎng)與高、傳熱系數(shù)、人員密度等，生成粒子初始位置；獲取全部粒子目標(biāo)函數(shù)值，將這些數(shù)值輸入到Energy Plus軟件中，獲得每個(gè)參數(shù)的函數(shù)值；不斷更新儲(chǔ)備集合，將已知元素與新生解儲(chǔ)存到集合中；當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，算法終結(jié)，將集合中的元素當(dāng)作最佳結(jié)果輸出。以此獲得改造設(shè)計(jì)的最佳方案。

圖4 基于改進(jìn)粒子群算法的建筑節(jié)能環(huán)保改造設(shè)計(jì)Fig.4 Building energy saving and environmental protection renovation design based on improved particle swarm algorithm

4 工程應(yīng)用

改造設(shè)計(jì)目標(biāo)選取鋼筋混凝土高層住宅，此樓高度為93 m，每層高度3 m，本文以15層房屋為對(duì)象。根據(jù)節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)：外墻、地面與屋頂?shù)膶?dǎo)熱系數(shù)需低于0.15 W/(m2·K)，窗戶導(dǎo)熱系數(shù)低于0.85 W/(m2·K)，提出3種建筑節(jié)能改造方案：①太陽(yáng)能+多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，即冷熱源采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組連接數(shù)臺(tái)相同或不同型號(hào)的直接蒸發(fā)式室內(nèi)末端機(jī)組。②太陽(yáng)能+地源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)，即冷熱源為單螺桿式冷熱水熱泵機(jī)組，室內(nèi)末端為風(fēng)機(jī)盤管。③太陽(yáng)能+地源熱泵+冷/溫雙槽水蓄能+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)。在多目標(biāo)優(yōu)化模型下，綜合考慮建筑能耗與用戶舒適度2個(gè)指標(biāo)，利用改進(jìn)粒子群算法對(duì)以上方案進(jìn)行求解，獲取最佳設(shè)計(jì)方案。評(píng)價(jià)優(yōu)選過(guò)程中，分別選取太陽(yáng)能利用效率、經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)性和節(jié)能性4方面進(jìn)行研究，對(duì)3種改造方案進(jìn)行仿真模擬，經(jīng)過(guò)核算，改造前與改造后的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 建筑節(jié)能環(huán)保改造前后參數(shù)對(duì)比Tab.4 Comparison of parameters before and after building energy saving and environmental protection renovation

由表4可知，改造前的各項(xiàng)傳熱系數(shù)沒(méi)有達(dá)到節(jié)能要求。經(jīng)過(guò)本文方法改造設(shè)計(jì)后，外側(cè)墻體、屋頂與窗戶的傳熱系數(shù)均滿足節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)，但其中室內(nèi)地面的傳熱系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值的最大值較為接近，這是由于施工隊(duì)伍水平較差，影響施工質(zhì)量。確定傳熱系數(shù)滿足節(jié)能要求后，以平均節(jié)能效果和最大成本增量為指標(biāo)評(píng)價(jià)所提設(shè)計(jì)方法優(yōu)劣，結(jié)果見(jiàn)表5—表6。

表5 平均節(jié)能效果Tab.5 Average energy saving effect

表6 成本增量Tab.6 Cost increment

由表5、表6可以看出，最大節(jié)能效果與平均節(jié)能效果在冬季和夏季的表現(xiàn)最為明顯。其中所提設(shè)計(jì)方案能夠較應(yīng)用前節(jié)約更多電量，通過(guò)對(duì)屋頂、地面與窗戶的改造設(shè)計(jì)，使室內(nèi)冬暖夏涼，在冬夏兩季減少空調(diào)使用時(shí)間，達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的。此外，該方法所表現(xiàn)出的成本增量也低于應(yīng)用前，這是因?yàn)楸疚哪M構(gòu)建了房屋整體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行相似性分析，在保證原有建筑最大相似性基礎(chǔ)上改造設(shè)計(jì)，減少了成本消耗。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑節(jié)能環(huán)保改造是一項(xiàng)集規(guī)劃、設(shè)計(jì)等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，必須在大量理論知識(shí)和實(shí)踐下才能完成。本文綜合考慮多目標(biāo)因子約束，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用改進(jìn)粒子群算法將多目標(biāo)問(wèn)題變換為單目標(biāo)問(wèn)題，并得出最優(yōu)結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)證明，該方法不但可以節(jié)約能源，且改造成本較低。雖然本文方法通用性較強(qiáng)，但是沒(méi)有考慮智能家居系統(tǒng)。智能家居在未來(lái)會(huì)得到普遍應(yīng)用，因此該方法還有提升空間，應(yīng)添加更多相關(guān)模塊，進(jìn)一步提高該方法的普適性。