基于全生命周期成本和碳排放量的绿色建筑设计优化研究

魏文娇

[中国矿业大学(北京)，北京 100083]

作为我国能源消耗的主体行业，建筑行业有着巨大的节能潜力，也是实现我国节能减排目标的关键。当前我国的建筑中高耗能建筑占比为99%，绿色建筑占比仅为1%不到，在建工程中仍有90%的建筑为高耗能建筑。通过笔者及导师的调查发现，80%的温室效应气体都是来自于建筑行业，因此节能减排，最重要的是降低二氧化碳的排放量，是降低建筑行业能耗，实现减排的首要目标。建筑的全生命周期成本取决于设计阶段，传统的绿色建筑通过能耗分析发现存在项目成本较高、节能技术落后等问题，因此需要对绿色建筑进行优化设计。

绿色建筑的设计需要兼顾能源和节约成本的需求，运用多目标优化的方法实现全生命周期的环境和经济的双赢，在设计的前期就采用优化计算的方法选择方案来模拟碳排放以及优化建设成本，选择最优方案，对成本的降低和环境影响的降低有着积极的作用。本文通过计算机剪力优化模型，设置碳排放和建筑成本的多目标函数，模拟真实的物理环境并测算出全生命周期的碳排放量与成本，对建筑的初始设计防范进行优化，得到有效节约成本以及实现碳减排的最佳方案。

1 绿色建筑设计的优化方法

绿色建筑的设计理念就是在全生命周期内答复节约资源、保护环境和降低污染，为人们提供高效、健康的空间并与自然和谐发展。当前在进行设计方案的优化时需要通过大量的计算来追求更高进度的方案，因此消耗了大量的时间，如果有能提高效率和计算进度的方法对于提高绿色建筑的设计效率有着很大的作用。

同时，要降低成本又要减少碳排放属于多目标的优化，当前的算法主要有遗传算法、粒子群优化算法等。通过笔者及导师的分析，遗传算法存在局部计算能力较差、后期搜索效率低的问题，粒子群优化算法能够随着当前解空间内最优的粒子进行搜索，通过极值确定位置，找到最优解。而且粒子算法不需要调整参数，故本文通过多目标粒子群优化算法进行绿色建筑优化设计，两个目标下的多目标粒子群优化问题搜索可以用图2说明。

图1 生命周期和碳排放

图2 两个目标下的多目标粒子群求解搜索过程

2 基于多目标粒子群优化算法的绿色建筑优化设计

采用多目标粒子群优化算法的设计需要优化模拟系统和优化系统两部分。本文通过模拟系统来模拟建筑的真实环境，优化系统是设置目标参数，建立决策变量，优化初始方案。目前建筑的设计优化主要在热性能效率的提升方面。其他诸如照明系统的影响其实也很重要。所以在绿色建筑的优化设计中，重点需要考虑热环境与光环境的优化，在设计中对建筑物的物理性能进行测试，并考虑互相作用。

2.1 照明系统

在照明系统的模拟中，需要用到采光系数和全自然采光百分比等指标系数，指标系数满足规定就说明建筑的照明系统满足光环境要求。本文选择太原市迎泽区的一栋建筑进行设计，选择光照度不低于500LUX作为衡量标准，光照不足500LUX需要人工辅助光源，通过计算将人工辅助光源换算为电能。

2.2 热环境系统

热环境的影响主要考虑建筑物围护结构的做法，进行热环境模拟需要假设供热通风和空气调节系统全年不间断运行，提供室内环境的舒适温度。因此通过通风与空气调节系统的电能消耗来体现建筑物的热环境性能，耗电量越多说明建筑的热环境性能越差。计算制冷与制热的能耗量，引入COP系数表示能效比，可以计算出年度的能耗总量，用Qs表示。

2.3 系统优化

采用多目标粒子群优化算法进行建筑设计方案的优化，变量选择墙体类型、窗墙比、玻璃类型、外部遮阳和建筑朝向，通过系统优化来实现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资源的开采、材料的生产、建造、维护和拆除，很多材料的回收和处置成本未知而且缺乏对环境的相关影响，故本次不考虑建筑的拆除和维护，全生命周期的成本就可以用建设成本和运营成本的和来表示，即LCC，碳排放量的目标函数可以表示为建设过程碳排放量与运营过程中碳排放量的和，即LCCE。优化系统的约束条件为：LCC的值尽可能小，不能超过预算成本，LCCE的值小于初始方案中的值，优化算法见图3。

图3 多目标粒子群优化算法的绿色建筑优化设计

3 实际案例

笔者跟随导师对太原市迎泽区一栋10层的办公楼进行了研究与分析，该办公楼建筑面积为13 000m2，使用年限为50年，建筑物的作用基本为办公室以及会议室，层高为4.2m，提出的优化假设为首先建筑物使用的能源为电能，价格不变为0.9HKD/KWh，其次所用的建筑材料都来自周边，运输过程中不计算碳排放量。

采用Ecotece软件进行分析与模拟，工作时间为9点到下午18点，周一至周五为工作日，采用水冷式制冷机，COP为4.7，室内设计的温度为22℃，采用的灯管功率均为40W，建筑物内照明度低于500LUX，采用人工辅助照明。采用墙体类型分别为150mm混凝土墙(W1)、150mm加气块墙(W2)和轻质砖墙(23)。玻璃采用单层透明玻璃(G1)、双层透明玻璃(G2)和双层绿色玻璃(G3)三种，窗墙比为0.1～0.8的区间，建筑朝向为0°～360°，外部遮阳的宽度为0m～1.5m，通过优化计算可以得出最优方案，下面选择耗能最佳的三种方案进行比选。见表1。

表1 最佳三种方案帕累托最优解

通过计算可以发现不同的优化方案均能够减少成本以及降低碳排放量，业主可以综合考虑，选择最佳方案来优化设计。

4 结 语

本文通过太原市迎泽区的具体案例，通过计算机模拟，由于参数的多样性，该建筑的成本与碳排放量设计存在上万个解决方案，运用多目标粒子群优化计算提高了方案选择的效率，具有高效性，而且选择的方案能够较好地降低成本和降低碳排放量，因此对于优化绿色建筑的设计具有较强的社会意义和推广性，对于环境优化也有着积极的意义。