基于C++的建筑能耗优化软件研究

唐伟峰 范尔盼 曹明月

【摘 要】本文对目前建筑节能的形势进行了简要分析，根据目前世界能源结构的清洁化以及低碳化发展趋势，并结合现如今计算机技术的快速发展，创造性地提出利用计算机技术来对建筑耗能进行优化的设想，具有非常重要的现实意义。

【关键词】建筑；节能；计算机技术

一、概述

近年来，伴随着全球经济的疲弱回暖及能源结构的清洁化、低碳化发展趋势，能源消费增长趋势有所减缓。有关统计数据表明，目前我国既有建筑面积约400亿m2，且建筑面积正在按照每一年新建房屋接近20亿m2的规模持续增长，高能耗建筑的占比约为95%，这必将导致严重的资源消耗。因此，建筑能耗综合治理将成为我国节能减排事业的重要环节。全面的建筑节能需从选址设计、建造运行着手，合理规划建筑围护结构，利用节能型材料和产品，严格执行节能标准，加强运行设备管理，提高空调照明和通风给排水的效率。从建筑的方案设计阶段就应该考虑建筑设计对建筑能耗、经济效益和其他方面的影响，尽量设计出更优的生态节能建筑。生态节能建筑的设计有助于从源头减少对空调系统的依赖，从而降低建筑能耗，避免了“末端治理”的问题。

二、国内外研究现状

很多国家在意识到建筑能耗模拟分析的重要意义的同时，都开始并加紧了对建筑能耗的分析和预测工作。从20世纪60年代到今天，很多国家都相继开发出了一些很好的建筑性能模拟软件，这些模拟软件可以很方便地对建筑物特性进行全年动态模拟。美国是开展建筑节能研究最早的国家之一，计算机技术在建筑节能工作中的应用也最为广泛。当前在美国，与建筑节能标准相关的软件有120多种。近些年来，美国能源部组织多个部门共同开发了新的建筑能耗模拟软件EnergyPlus，以全面代替Doe-2。西欧国家通过近30年的努力，各国都开发了各自的建筑能耗模拟软件。比如英国开发了ESP，并将其作为建筑节能设计与节能分析的基本工具，写入相关的建筑节能标准或规范中。此外还有SRES/SUN，SERIRES，S3PAS，TRNSYS，TASE等。

美国在建筑能耗的优化工作上投入大量经费，开发出众多建筑模拟优化软件，并将其推广为建筑节能最有效的措施之一。美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的优化软件GenOpt得到了广泛应用。GenOpt可以与大多数的建筑模拟软件例如EnergyPlus，Trnsys进行耦合，使用者只需要在它提供的平台下，使用它的规范化语言进行编程，就可以完成它和其它软件之间的链接。Asadi分析了葡萄牙某住宅建筑的外墙外保温材料、屋面保温材料、窗户类型和太阳能集热器类型并利用GenOpt对建筑的生命周期成本和热舒适性对设计提出了优化建议。Ferrara结合Trnsys和GenOpt对法国某住宅建筑120种围护结构的组合进行分析，从而确定最优的设计方案。Peeters在文章中相信阐述了GenOpt和ESP-r的耦合方式，并利用一个简单的优化案例加以证明。为了更好的引导零能耗建筑的设计，美国国家能源部可再生能源实验室开发了建筑能耗优化软件BeOpt。用户可以选择不同建筑元素组合，然后根据美国建筑节能标准或用户定义的基本方案进行计算，最后输出在不同的节能水平下的设计设计方案。Rhodes利用BeOpt指导奥斯丁5座零能耗建筑设计问题。

三、研究过程

本课题从建筑工程师的切身需要出发，分析目前优化软件的基本原理，改进目前优化软件的不足。我们把软件共分为三个功能模块：Matlab（优化模块），EnergyPlus（建筑仿真模块）和交互模块，示意图如图1所示。Matlab作为整个软件的核心，驱动着整个优化过程。每次迭代开始时，算法自动生成一组设计变量参数并存放在一个特定的文件中，紧接着交互模块读取这些参数并利用EnergyPlus模拟全年建筑能耗。交互模块将EnergyPlus的输出文件传递给Matlab对目标函数进行评估。如果方案满足要求，输出最终方案。否则更新设计变量为下次迭代做准备。最终通过多次迭代求出最优方案。纵观整个过程EnergyPlus和Matlab之间的交互模块成为整个软件的关键部分。通过本课题开发的交互模块完成Matlab和EnergyPlus的耦合可以有效克服目前优化软件算法少、运行效率低、可扩展性差的不足。

图1：软件的原理结构图

四、研究成果

（1）目前已完成建筑建模和全年能耗的模拟工作，建筑模型示意图如图2所示。

（2）研究常用多目标优化算法NSGA-Ⅱ的基本原理，并利用NSGA-Ⅱ算法中对简单的测试函数进行优化。测试函数：

五、结论

综上利用计算机模拟建筑节能设计具有非常良好的可行性，与实际情况相符，对于未来的建筑设计有很好的指导意义，同时，随着研究的不断加入，上述优化软件的问题也开始暴露出来。MIT Design Advisor、Dest-h、BeOpt应用范围较窄，只能用于特定优化问题。GenOpt作为应用较广、效率较高的优化软件之一，仍然存在某些不足之处。首先， GenOpt给使用者提供了一个接入其他算法的接口，但是必须基于Java平台开发，算法可拓展性较低。第二，随着优化目标研究的不断深入，越来越多的国家开始提出不同的建筑评价指标。这些指标有些相對复杂。GenOpt只提供了一些简单的运算符号，导致很多指标只能被简化，从而影响最后的优化效果。第三，GenOpt的文件读写功能比较简单而且效率较低。一旦输入的模型文件过大，就会出现无法工作的情况。由此可见，建筑能耗优化软件仍存在一些问题有待改进。

【参考文献】

[1] 张伟捷， 晋文， 盛晓康. 基于CFD建筑热环境模拟的建筑方案优化设计研究[J]. 暖通空调， 2010， 40（3）：93-97.