银川城镇办公建筑多目标节能优化设计研究

康宇，夏博，张建新

（长安大学 建筑学院，陕西 西安 710064）

0 引言

根据《中国建筑能耗研究报告（2018年）》的数据统计，公共建筑的碳排放强度远超其他居住建筑强度水平，而在公共建筑中，办公建筑的占比最大，办公建筑的围护结构仍然是办公建筑供暖能耗热损失占比最大的部位，不同部位的建筑围护结构性能差异性对建筑节能效果也带来了非常复杂的影响[1-2]。对办公建筑节能设计影响最大的问题，是现有办公建筑在设计过程中，简单地以满足评价标准而设计，将建筑节能设计错误的理解为建筑节能技术的集成，造成过度的成本增量，并且在设计过程中对建筑围护结构之间相互影响的关系关注不足。从多种建筑围护结构节能组合的设计方案中比选出围护结构节能设计的最优方案，是建筑节能设计优化的前提。

银川市属于严寒地区，能耗较大，是我国实施节能的重点地区之一，本文就目前银川办公建筑存在的问题，基于遗传算法的运用，确定所有组合中的最节能且经济的组合，并提出相应的寻优推荐构造，以期为银川地区办公建筑节能设计提供参考。

1 研究对象及方法

1.1 研究范围

我国城镇建成的公共建筑面积约占城镇民用建筑总面积的14%[3]，公共建筑能耗是全国居住建筑平均电耗的2.5～3.5倍。本文选择公共建筑中最常用的2万m2以下城镇中小型办公建筑进行研究。

根据2019年国家统计局办公建筑落成量数据显示，2018年为35 842.23万m2，而2019年1～7月办公楼施工面积为34 416.34万m2，其中的72.3%位于各省的省会城市，而宁夏办公建筑落成量306.01万m2，有85.3%位于银川。因此，本文以银川办公建筑作为研究对象。

1.2 研究方法

本研究需要在建筑围护结构最优组合的基础上找到与建筑节能设计因素最优条件下的组合，使用的研究方法如下：

（1）文献调查法：从建筑节能多目标优化方面进行文献的调研梳理、分析，整理现阶段建筑节能设计的优化方向与策略，为多目标寻优结果的验证做准备工作。

（2）遗传算法：通过遗传算法对选取建筑围护结构因子进行迭代计算和生存适应性分析，最终得出在约束条件内最优的设计参数组合，为实际建筑节能设计提供参考。

（3）软件模拟法：使用模拟软件得出优化前后的建筑全年能耗值，便于与建筑节能优化结果进行对比验证。

2 银川办公建筑多目标节能优化设计

2.1 建立基准模型

对算例城市所有建筑信息Python进行建筑坐标、建筑长度、宽度、高度、面积、地址及名称信息进行数据获取，得到建筑外轮廓以长方形为主，建筑长度40～60 m，建筑宽度14～18 m，建筑高度5层。结合GB50016—2014《建筑设计防火规范》及《建筑师资料集》，确定严寒地区建筑模型为40 m×14 m×18 m体块，单层面积为480 m2，层高3.6 m，5层。

根据相关节能标准规定，银川的供热期为当年11月1日至次年3月31日。夏季室内计算温度26℃，冬季室内计算温度20℃，新风量每人30 m3/h，每1间办公室设置2人，系统运营时间：每周一到周五09：00～18：00（双休日关闭），计算关闭了照明能耗计算模块。根据文献调研情况及规范推荐的选择塑料窗框以及中空玻璃为窗的材料；墙体材料选择加气混凝土砌块，建筑屋面保温材料选择聚苯乙烯泡沫板（EPS板）[4]；建筑围护结构选取当前银川常见的典型构造做法作为基准。

2.2 多目标优寻优方法

建筑节能设计受多因素影响，正交试验设计法是目前最常用的建筑节能优化多目标寻优方式，通过建立各因素的垂直与水平正交表[5]，以随机因子组合的方式进行试验，从而在试验中找出各因子的影响权重和最优解。遗传算法在试验次数上远超过正交试验设计法，且因为存在个体进化后的迭代计算，其计算结果要优于正交试验设计法产生的解。因此，在正交试验的基础上，本文选用遗传算法的方式进行建筑节能设计进一步优化计算，使用谢菲尔德大学研发的遗传算法工具箱[6]，通过Matlab实现遗传算法，实现寻优[7]。

根据我国严寒及寒冷地区建筑耗热量组成分析，在严寒及寒冷地区建筑围护结构占比最大的3个部分为外墙、窗户、屋面。而空气渗透耗热量需要通过提高门窗气密性指标来减少能耗。本文针对建筑围护结构进行银川地区办公建筑建筑节能设计研究，因此选取了建筑围护耗热量指标最大的5个因素作为主要的研究对象。

根据GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》办公建筑能耗约束值，A类办公建筑的约束值为55～65 kW·h/（m2·a）。建筑模型通过GB 50189—2015《公共建筑节能设计规范》给出的参数进行设置。对银川气候条件下建筑的组合通过正交试验进行25组能耗模拟，建筑模型通过GB 50189—2015给出的参数进行设置，能耗模拟结果均在A类办公建筑的约束值55～65 kW·h/（m2·a）之内，基准建筑的平均能耗为57.31 kW·h/（m2·a）。

根据正交试验的极差R，在银川建筑模型中对建筑能耗的影响因素大小为：外墙（1036.27）＞外窗（977.28）＞屋面（782.33）＞朝向（532.17）＞窗墙比（267.35）。因此重点针对外墙、外窗、屋面进行优化，并通过Design Builder模拟软件建立典型模型进行能耗模拟分析。

2.3 多目标函数的构建

对于公共建筑，由于在GB 50189—2015中并未明确规定公共建筑设计的耗热量指标，只需要设计建筑的相应数值满足规范限值即认为达到公共建筑节能设计标准要求。GJ26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中有明确的建筑耗热量指标计算公式[7]，结合建筑耗热量公式，得到本文针对建筑围护结构的成本公式。最后在遗传算法中，这2个子目标函数视作2个平等个体进行迭代分析，因此2个子目标函数的权重各占50%，得出目标函数设为F（K），如式（1）所示：

2.4 遗传算法参数设置

上文中构建了遗传算法需要的目标函数，通过Design Builder建筑能耗软件实现了建筑耗热量与建筑耗电量计算结果的转换。根据建筑围护结构热损失占比情况，确定遗传因子，根据GB50189—2015要求的建筑围护结构规范值进行遗传适应度的约束。由建立的建筑模型计算可得，建筑体型系数约为0.28，根据GB50189—2015要求，体型系数≤0.3时，建筑屋面、外墙、外窗的传热系数K取值分别为：屋面≤0.45 W/（m2·K）、外墙≤0.50W/（m2·K）、单一立面外窗为1.0～3.0 W/（m2·K）。传热系数规范要求的区间就是遗传算法的约束值函数。

根据相关节能标准规定及规范推荐，选择塑料窗框以及中空玻璃为窗的材料；墙体保温材料采用加气混凝土砌块；建筑屋面保温材料采用EPS板；建筑围护结构选取当前银川常见的典型构造做法作为基准。

2.5 遗传算法计算过程

给出所有目标函数需要的参数后，经过105 h不间断的计算机模拟，图1为遗传算法每一代的最佳适应度和平均适应度结果。图中圆形离散点为银川办公建筑外围护结构优化参数的最佳适应度，即当前代数中最佳值；方形离散点为银川办公建筑外围护结构优化参数平均适应度，代表当前代数中所有参数的平均优化结果解集。

图1 银川仿真模拟遗传最佳适应度和平均适应度

在每一次的计算过程中，建筑围护结构各参数当次优化的最佳结果和每次优化计算平均结果的差距大小。当2个结果重合时，代表当前优化最佳值达到了外围护结构平均能耗和经济最优的水平。这一次计算的结果就是最终的寻优结果。其输出结果为在能耗最优、经济最优条件下的外墙传热系数、外窗传热系数、屋面传热系数。

2.6 遗传算法计算结果

银川建筑围护结构的计算结果表明，在设置的遗传总代数100中，计算至81代达到了进化的极限，于81代停止运算，有效计算次数81次。计算结果的个体差异距离与期望值重合时，遗传计算的各因子为最佳值，本代的参数结果即得出外墙、屋面及外窗传热系数的设计最优值。根据遗传算法，建筑外墙、建筑外窗、建筑屋面围护结构最优的传热系数分别为0.385、1.21、0.158 W/（m2·K）。

2.7 优化结果验证

根据上述输出结果，通过将建筑模型的围护结构设计参数调整为最优值结果：外墙传热系数0.38 W/（m2·K）、外窗传热系数1.2 W/（m2·K）、建筑屋面传热系数0.16 W/（m2·K），此时办公建筑模型的建筑耗电量为47.58 kW·h/（m2·a）。根据基准模型的平均耗电量为57.84 kW·h/（m2·a）计算，其节能率达到了基准建筑的15.1%，在只进行围护结构优化的条件下，最高可使围护结构能耗负荷降低15%，使建筑达到低能耗办公建筑标准。

3 银川办公建筑外围护结构优化设计

根据遗传算法优化结果并且满足传热系数要求的情况下，综合成本和节能双重目标，推荐以下外围护结构优化设计。

3.1 外墙

据调研当地推荐建筑图集可知，银川公共建筑外墙结构多采用外墙外保温技术，结合当地建筑及气候特点，选取常见构造做法如图2所示。

图2 外墙推荐构造做法

根据遗传算法所得到当地最适宜的外墙传热系数，提出可推荐适宜的保温材料及保温层厚度见表1。

表1 银川外墙外保温参数

随着外保温层厚度的增加，外墙传热系数逐渐减小，当保温层厚度取90 mm时最接近遗传算法所得出的最优结论，此时外墙传热系数为0.385 W/（m2·K）。因此，对于宁夏地区外墙外保温材料推荐EPS板，材料厚度推荐90 mm厚。

3.2 外窗

根据遗传算法寻优结果，外窗传热系数为1.0W/（m2·K），模型原型使用的窗户为5白玻+12A空气+5白玻的双层中空玻璃窗，为满足外窗传热系数寻优要求，需要在原有基础上由双层中空玻璃窗变为3层中空玻璃窗。不同空气层厚度对外窗传热系数的影响见表2。

表2 空气层厚度对外窗传热系数的影响

通过表2可知，随着中空玻璃的层数及空气层厚度的增加，外窗的传热系数降低。根据遗传算法所得出的最优结论，外窗传热系数为1.21 W（m2·K）时最优，因此对于银川地区推荐塑料窗框以及空气层厚度为12 mm+16 mm的3层中空玻璃。

3.3 屋面

遗传算法寻优结果表明，屋面围护结构外保温传热系数需要达到0.158 W（m2·K）。在原有模型的建筑构造做法上，增加EPS保温板厚度，不同厚度EPS屋面围护结构的传热系数见表3。

表3 不同厚度EPS屋面围护结构的传热系数

根据表3可知，原有屋面保温层厚度为60 mm，需要加厚到220 mm才可以满足寻优结果的计算要求。

4 结论

（1）通过银川办公建筑模型的建立，对模型的建筑参数进行设置，采用正交试验设计法的随机试验模拟了模型能耗情况，利用遗传算法对模型的建筑参数进行多目标的寻优。结果表明，在原有模型基础上，银川办公建筑围护结构的设计参数仍有优化空间，根据遗传算法的寻优结果为建筑外墙传热系数0.385 W/（m2·K），现有规范设计即可满足需要；建筑外窗传热系数1.21 W/（m2·K），需要使用3层中空玻璃，推荐塑料窗框以及空气间层厚度为12 mm+16 mm；在原有模型的建筑构造做法上，进行EPS保温板厚度的增加。屋面需要加厚到220 mm才可以满足寻优结果的计算要求。

（2）基于遗传算法的多目标寻优方法，可达到节能优化的设计需求，并有效控制设计成本。经计算，建筑模型的全年综合非供暖能耗下降至47.58 kW·h/（m2·a），相较于根据基准模型的平均耗电量57.84 kW·h/（m2·a），在只进行围护结构优化的条件下，最高可使围护结构能耗负荷降低15%。