基于遗传算法的绿色建筑节能的增量效益实证研究

2019-03-19任继勤杨思佳祁士伟

资源开发与市场 2019年4期

任继勤,杨思佳,祁士伟,殷悦

(北京化工大学经济管理学院,北京 100029)

1 问题的提出与分析

绿色建筑概念是基于可持续发展理念提出的环保建筑,是当今建筑业发展的必然趋势,国内外学者对绿色建筑开展了一系列的研究。目前,绿色建筑研究主要集中在以下方面:①绿色建筑评价指标体系研究。通过对指标的选取、指标权重的赋值进行科学缜密的分析论证,从不同角度构建了绿色建筑评价指标体系[1]。基于全寿命周期视角,将绿色建筑的效益研究分解为环境效益、经济效益、社会效益等,并纳入到绿色建筑评价指标体系中。通过构建综合效益评价模型,对绿色建筑进行经济性分析和

研究,为绿色建筑的相关决策者提供参考[1]。②绿色建筑评价方法研究。为了促进绿色建筑评价的定量化发展,众多学者将数学模型运用到绿色建筑的评价中,使绿色建筑评价的结果数量化。目前广泛采用的数学模型有综合评价法[3]、模糊层次分析法[4]、聚类评价法、BP神经网络评价法[5]等。③绿色建筑的经济性研究。通过对统计数据的分析研究,得出不同建筑设计等级下绿色建筑每平方米所增加的成本,采用节能措施是导致产生增量成本的主要原因。因此，可基于影响因素和激励机制的多角度,进行与绿色建筑相关方的经济效益研究,积极推广绿色建筑[6]。

综上所述,目前有关绿色建筑增量效益的研究鲜见,建筑节能项目的增量成本是绿色建筑成本的主要构成部分,是控制成本的关键,而单位增量成本所产生的增量效益最大化是最重要的内容。因此,本文拟选择绿色建筑的节能方案,分析绿色建筑节能项目的综合效益,构建多模型,采用遗传算法进行实证研究,为绿色建筑节能方案提供具有重要参考价值的依据。

2 绿色建筑节能项目综合效益构成与测算

相对于传统建筑,绿色建筑设计在规划设计阶段会产生增量设计成本,在项目移交后会产生维护成本等。绿色建筑节能设计的增量成本包括准备决策阶段和建设阶段,影响建筑能耗的关键因素包括外墙围护结构、照明、空调、可再生能源系统、屋顶绿化5个方面。绿色建筑增量效益主要产生于运营阶段各种能源消耗量的减少，如电力消耗减少,则运营成本降低,同时减少碳排放和电力设施投资。因此,增量效益主要表现为绿色建筑节能的经济效益、环境效益和社会效益。绿色建筑节能项目全寿命周期综合效益是增量效益与增量成本之差,见图1。

2.1 增量成本测算

增量成本是指绿色建筑与普通建筑相比,由于采用节能技术而产生的额外投资[7]。绿色建筑节能项目的增量成本产生于建设阶段的初始增量成本,即是建设阶段的增量成本,包括围护结构、照明、空调、可再生能源系统、屋顶绿化5方面的技术成本,以及未来运营阶段的增量成本,即是运营成本,包括可再生能源、高效用能系统成本。

2.2 增量效益测算

增量效益是指与普通建筑相比,绿色建筑在运行过程中所减少的运营成本、电力投资、电荒损失和减排价值。由于数据的可获得性,本文只考虑运营阶段的增量效益。经济效益主要来源于终端节电效益,其他方面的经济效益忽略不计;环境效益主要涉及能源消耗减少产生的CO2、SO2、NOX和烟粉尘减排价值,以及屋顶绿化释放O2所产生的经济效益;社会效益主要考虑节电综合效益。从全寿命周期来看,绿色建筑在节能方面突出表现为节约大量电能,减少国家对电力的投资和避免因为缺电引起的经济损失。本文选取S1经济、S2环境和S3社会效益中的节电综合效益为S(元/a),则:

S=S1+S2+S3…………………………

(1)

(2)

式中,S1j为采用第j种技术的节能量;P为当地电价。

(3)

式中,S2j为采用第j种技术节能量;δ为电能转化为标准煤的系数,一般取值0.04%;ε为污染物减排价值,取值为1042.3,以及CO2、SO2、NOX和粉尘的综合处理[8]。

社会效益为:S3=ΔQ×P3…………………………

(4)

式中,ΔQ为节电量(kW·h/m2·a);P3为节约电力投资和缺电损失额(元/kW·h)。

3 绿色建筑节能增量效益最大化优化模型构建

3.1 节能项目全寿命周期增量效益和增量成本

本文定量化分析节能项目的增量效益和增量成本,构建目标函数。通过优化模型,采用遗传算法,找到项目的最优解域,从中选取最优的节能方案,最优方案构建流程见图2。

图2 绿色建筑节能最优方案构建流程

增量效益最大是比较设计方案和基准方案得到设计方案的节能量(节电量)，包括节电产生的直接经济效益、减排带来的环境效益、减少电力投资和电荒损失带来的社会效益。增量成本最小是进行有无对比分析,增量成本包括初始决策和建设过程的咨询成本和技术成本。节能设计效率是单位增量成本所产生的增量效益,取得值高的方案。

本文综合考虑节能投入和节能效果两方面,通过将两者定量化,建立投入最小化和节能效果最大化两个多目标。通过构建模型假设、目标函数和约束函数,形成节能优化模型,并采用遗传算法进行求解。即单位增量成本所取得的增量效益最大化,并将其作为目标函数解域的评价指标,以得出最优节能方案。

3.2 假设条件和约束条件

假设条件:①开发商在投资决策时,基于绿色建筑全寿命周期的视角,优先考虑整个社会的综合效益,包括消费者节能、污染物减排、社会发电综合效益的节约。②物业部分由开发商自持。为了方便成本利润的计算,项目建成后由此产生的运行维护成本由开发商自己承担。

约束条件:①规划选择的设计方案,必须选择节能技术。依据《绿色建筑评价标准2014》中节能项目的评价指标,选取和控制绿色建筑节能技术的选取数量。②建筑围护结构的构造和节能情况,本文选择外墙外窗和屋顶节能两部分内容。

3.3 目标函数构建

在上述假设条件和目标约束条件的基础上,构建目标函数。

增量效益最大:将每种节能技术下的节能方案的节能量进行汇总,得到每一年的节能量(节电量),由此得到年增量效益；对各年的增量效益折现,得到增量效益现值。增量效益maxZ1(元/m2),公式为:

(5)

式中,ΔS为计算期内增量效益,即节能经济效益、环境效益和社会效益(元/m2);ΔQij为第i种技术第j种节能方案所产生的节能量(kW·h/m2·a);xi为第i个建设阶段;xij为第i个建设阶段采用的第j个节能方案;P2为决策期咨询费用,一般在造价的0.1%左右,电价P2取值0.88元/kW·h,按照所选案例地区的电价选取;P(ΔSa,i0,n)为增量效益的折现系数,表示每年的增量效益为ΔSa、基准收益率为i0、代表企业对项目投资所期望的利益回报,一般取值区间为2%—12%；计算期为n,根据建筑的使用寿命和实际情况确定。

增量成本最小:增量minZ2表示增量成本(元/m2),公式为:

(6)

式中,ΔCd、ΔCc分别为决策期、建设期增量成本(元/m2);P1为工程所在地的用电价格(元/kW·h),取值3.2元/m2;ΔCij为第i种技术第j种节能方案所产生的增量成本(元/m2),是决策者为节能技术i所选的第j种节能方案;nj为节能技术i所选的节能方案数。

节能设计效率,即单位增量成本产生的增量效益最大化:开发商基于效益整体考虑做出决策,决定最终的设计方案,可用以下公式表示[10]:

(7)

式中,fZ1(Z1,Z2)、fZ2(Z1,Z2)分别表示一组Pareto最优解f(Z1,Z2)的增量效益和增量成本。通过对Pareto最优解域中每一组解的增量效益和增量成本的比值,得到单位增量成本取得增量效益最大的解,将其作为最终的节能方案。

3.4 工具方法的选择——遗传算法

遗传算法的基本原理是基于数次逐代叠加,得到最优的计算结果。特点是可同时进行多个搜索点工作,且仅使用目标函数值进行搜索,具有搜索效率高、方法灵活、对目标函数要求不高、计算速度快等优点。本文结合绿色建筑节能方案优化模型及其特点,选择模型求解。

4 实证研究

以某办公建筑为研究对象进行实证,首先对该办公建筑分别设定基准方案和设计方案;其次,通过DeST能耗模拟和定额估算,得到每种设计方案与基准方案相比产生的节能量和增量成本;第三,基于获取的节能量和增量成本数据,使用遗传算法对节能优化模型进行求解。采用“节能设计效率"对Pareto最优解域进行选择,得到绿色建筑节能增量效益最优方案。

4.1 案例选取和相关参数的设定

本文选择夏热冬冷地区的4层高办公楼为研究对象,高20m,建筑面积约为8000m2,空调面积为6500m2,占地面积为55km2,预计使用年限为50年。按照《公共建筑节能设计标准》,设定建筑的最低室内参数作为基准,夏天温度<26℃,冬天温度<20℃,相对湿度%<70。

4.2 节能方案设计

本文基于围护结构、照明、空调系统、可再生能源、屋顶节能5个指标,结合市场调研和资料分析,围护结构有6种方案,照明有2种方案,空调有4种方案,可再生能源有1种方案,屋顶绿化有5种方案。在实际应用中,可任意组合节能技术方案,其中同类型项目之间为互斥方案,异类型项目之间为独立方案。

4.3 DeST能耗模拟各项技术使用的能耗值

本文采用DeST模型,对整体建筑进行能耗模拟。围护结构、空调系统、照明、可再生能源、屋顶节能5个指标,采用DeST软件进行能耗模拟。经过有无对比分析,得到该建筑各分项技术使用的能耗值和初始投资的值,见表1。

表1 各分项技术使用的能耗值

采用控制变量法,对各个设计方案和参考建筑的基准方案在建筑能耗、初始投资等方面进行比较分析,得到各个设计方案的节能量和增量成本。如在求解外墙围护结构各个设计方案的节能量时,必须保持照明、空调、屋顶等变量不变,采用基准方案中的参数,经过比较计算得出结果。主要是:①围护结构共选择有6个设计方案,主要为中空玻璃,其他为砂浆、混凝土泡沫等不同厚度组合:一是20mm石灰砂浆、20mm水泥砂浆、30cm膨胀珍珠岩混凝土;二是20mm水泥砂浆、37cm重砂浆混凝土、25mm水泥纤维版、40mm聚氨酯泡沫塑料;三是30mm石灰砂浆、30mm水泥砂浆、38cm混凝土、10cm聚苯乙烯泡沫;四是20mm石灰砂浆、20mm水泥砂浆、24cm重砂浆粘土、19cm膨胀珍珠岩混凝土;五是30mm水泥砂浆、30mm石灰砂浆、38cm混凝土、30cm聚苯乙烯泡沫;六是方案5换成10cm聚苯乙烯泡沫[9]。通过能耗模拟得出各设计方案的节能量及增量成本,结果见表2。②照明系统2种技术的节能量和增量成本,本文选取参考建筑的照明光源为金属卤化物灯,设定为T8三基色荧光灯和LED节能灯两个方案,结果见表2。③空调系统按输送介质、冷热源形式、主机驱动能源等进行分类。本文设置直燃式溴化锂机组,加离心式、活塞式、直燃式、螺杆式电制冷机4种方式,结果见表2。④可再生能源选取太阳能热水器作为可再生能源节能技术的设计方案。节能量为3.8kW·h/m2·a,增量成本1.44元/m2,结果见表2。⑤屋顶节能有5个设计方案,其中方案1—4都有20mm水泥砂浆,并有上下50%的波动。其他为珍珠岩、混凝土、泡沫等不同比例,只有方案5最具特色。各个方案为:一是20cm膨胀珍珠岩、12cm钢筋混凝土;二是20cm重砂浆粘土、40mm酚醛泡沫塑料;三是20mm膨胀珍珠岩、15cm泡沫混凝土、40mm聚氨酯泡沫塑料；四是20cm多孔混凝土、13cm钢筋混凝土、20mm聚氨酯泡沫塑料；五是2mm铝、10cm玻璃棉、40mm茅草、20mm粘土[9]。通过能耗模拟得出各设计方案的节能量和增量成本,结果见表2。由于能耗模拟的结果受多种因素影响,因此模拟结果具有一定的误差性。本文共进行50次模拟,误差在6.25%以下,在可控范围内,因此模拟结果具有可靠性。

表2 五种技术方案的节能量和增量成本

4.4 最优解与结果分析

在不考虑资金条件的限制,仅考虑目标函数,设基准收益率取12%,计算期为建筑设计使用年限50年。参数设置为:交叉概率为0.4、突变概率为0.2、迭代次数为1000、种群数量为100。经计算,单位增量成本所产生的增量效益最大化值为24.98。

Pareto最优解组合方案为:空调采暖系统采用螺杆式电制冷机+直燃式溴化锂机组，照明系统采用LED节能灯，屋顶节能采用20+15mm水泥砂浆、20cm膨胀珍珠岩、12cm钢筋混凝土,表明未来50年该项目单位增量成本所带来的增量效益现值为24.98元/m2。

结果分析:①最优组合是多种节能技术的合理选择，这与其约束条件和目标函数密切相关,同时从侧面说明本文所建优化模型的可靠性。②理想的增量效益来自于合理有效的技术组合,可为决策者提供决策支持。增量成本的增加通常来自对节能技术的使用,增量效益的增加会伴随着增量成本的增加。在一定的增量成本范围内,通过技术的最优组合,达到增量效益最大化，但增量成本的增加不一定带来增量效益的最大化。③单位增量成本所产生的增量效益与节能项目有关,其排序是:空调系统>照明系统>围护结构和屋顶节能,可再生能源贡献最小。④增量效益受基准收益率的影响,两者呈反比。