多目标因子约束下的建筑节能环保改造设计

谢 虎

(广西中医药大学 第一附属医院，广西 南宁 530022)

能源是当今社会极其重要的资源，能够影响一个国家经济发展进程。在众多耗能产业中，建筑行业的能耗量占比较大，在建造初期建筑物形态、墙体结构、窗墙比例、气密性等以及个体入住阶段的供暖、通风与照明等项目都会直接或间接地提升、降低建筑耗能。综合分析建筑整体能耗机制，减少能源需求，对建筑进行节能环保改造已经成为设计者重点关注的问题。但是，在人力与物力有限情况下，如何合理确定改造方案，有计划地完成节能改造，是现阶段遇到的最大瓶颈。基于此，郑英[1]结合经济学投资回报理论对农村建筑进行节能改造，调研建筑平面设计数据，寻找建筑结构基本规律，通过典型建筑形式运算出所需能耗；参考相关标准，制定满足当地情况的改造方案，使用经济学回报理论评估该方案的经济性。徐欣等[2]提出分项能耗值计算的节能环保改造。通过对不同项目能耗值的计算，诊断照明、空调以及动力系统的能耗情况，设计不同节能策略，获取节能量。由于影响建筑能耗的因素是多方面的，上述方法对多因素考虑不够全面，设计方案的科学性有待进一步提高。本文以建筑能源消耗量与用户舒适性为目标，在多目标因子约束下，完成建筑节能环保改造设计。建筑环保改造的基本思路就是利用多因素组合优化方式[3]实现建筑节能。构建了建筑物的能源消耗量和用户舒适度为约束的数学耦合关系，建立多目标节能改造模型，利用改进粒子群算法对模型求解，结合实际情况权衡每个目标，将其转换为单目标优化问题，计算出最优解，得到优化组合定量数据集合，即为最佳设计方案。

1 建筑节能环保改造设计影响因素分析

要想获取理想的节能环保效果，需全面权衡各类影响因素。不同设计阶段，各因素的影响程度也存在差异[4]，尤其在改造设计初始阶段，各因素对节能环保效果起到决定性作用，本文分别从内、外2部分分析。

1.1 外部因素

具体环境参数见表1。

表1 环境参数Tab.1 Environmental parameters

建筑设计的根本目标为抵御不利气候、降低环境对建筑内居住人员影响，因而环境是改造设计的关键影响因素[5]。和建筑相关的环境因素分为湿度、光照、温度等。

随着建筑周围风力的驱使，建筑内外部空气流动如图1所示。

图1 建筑内外部空气流动Fig.1 Air flow inside and outside the building

根据不同纬度位置，将热工区划分[7]为如表2所示的多个区域。

表2 热工分区Tab.2 Thermal partition

1.2 内部因素

(1)建筑朝向[8]。自然采光是通过自然环境改变室内舒适度的重要方式，朝向不但影响采光效果，更决定着能量消耗，所以设计方案需要考虑方向、布局等因素。以西北地区为例，不同建筑朝向的特点如图2所示。

图2 不同建筑朝向的特点Fig.2 Characteristics of different architectural orientations

(2)建筑形态。建筑结构与节能效果相关，也是影响能耗的关键因素。结构复杂程度通过体形系数表示，该值和能耗之间具有正比关系[9]，即该值越小，建筑结构越简单，节能效果越佳。

(3)维护结构性能[10]。对建筑整体外形与构件具有很大影响，构件尺寸决定着通风、采光、导热效果。其中，透明维护结构采光性能好，具有防寒功效。因此，改造设计过程中应综合分析门窗尺寸与开启形式等因素。

2 建筑节能环保改造设计

2.1 施工阶段划分与工作分配

整个改造设计过程包括多个阶段，每个阶段的参与者与设计目标有所不同，具体内容见表3。

表3 不同设计阶段具体内容Tab.3 Specific contents of different design stages

2.2 建筑结构施工措施

在建筑节能环保改造工程中，窗户采用3层玻璃塑钢窗，内充惰性气体[11]。首先将型材放置在5 ℃的环境中静置24 h，注意焊接温度根据实际情况进行适当的调整，控制压条的长度不要过长或过短，避免因盲目追求密封性出现焊角开裂或压条出槽的问题。在选择密封条时，要求在低温环境下也能够保持柔软。铝滑轨的长度控制在比内扣短2 mm，采用标准C型或U型槽口，使门窗可实现多边多点锁闭。需要特别注意的是，在门窗上墙的安装过程中，玻璃压条装配时要保证保持在5 ℃以上的环境中，如果温度不能达到要求，可以制作简易保温箱，并用电热毯等保温玻璃压条，恒温处理后才能够进行装配工作。建筑外墙采用40 mm厚的聚苯板保温。屋顶保温采用50 mm厚的挤塑型聚苯板，并用20 mm厚的1∶3水泥砂浆进行找平，结合4 mm厚的防水卷材铺设防水层。

2.3 建筑室内节能措施

在建筑节能环保改造工程中，引入智能控制技术，将建筑内的电气设备和耗能较大的电器进行关联，可监测环境参数如温度、湿度等并进行自动控制，充分发挥室内电器的性能同时，还可节约设备能源损耗，延长设备使用寿命。通常在建筑中，空调是能量损耗较大的设备之一，在选择空调时，需要结合其最大负荷量，参考建筑内部空间及保温性能，调试空调设备最佳使用状态。在大型建筑中可以考虑增加光伏设备，节约电能损耗。蓄冷系统可以考虑热源土壤，引入冷式冷源设备。运用夜间低谷时段进行制冷，并以水为媒介存储，在负荷高峰时期运用。建筑照明节能改造设计中，充分考虑建筑采光特征及照明设备的类型，结合建筑物内外照明系统的需求和限制，选用节能型照明灯具，合理设计照明效果，尽可能减少美观型照明灯具。建筑物内对照明强度要求不高的区域，可以采用上遮光的方式控制照明灯具，达到照度需求的最低限度即可，实现节能环保要求。

3 建筑模拟结构建立

为了更好地确定设计方案，必须了解建筑整体结构，通过能耗模拟软件OpenStudio在BIM平台上构建建筑内部能耗仿真模型[12-13]，结合Revit能量分析模块对建筑能耗进行计算。建筑物组合结构如图3所示。

图3 建筑物组合结构Fig.3 Building combination structure

在Rhino环境下使用LadybugTools组件进行自然采光模拟。通常建筑物的组成是由多个户型空间和交通及辅助空间等组合而成的，所以户型空间是建筑物的主要结构，在户型空间中产生的能耗是整个建筑物的能耗的重要部分，因此，主要研究户型空间内的能耗特征及采光特征等。

(1)多目标节能环保约束模型构建。建筑能源消耗量[14-15]与用户舒适性[16]是环保改造设计时需要重点兼顾的指标。其中，建筑能源消耗量主要包括建筑制冷能耗和采暖能耗，用户舒适性主要从建筑采光性能方面考虑。一般情况下，建筑能耗降低必定造成用户舒适性下降，指标之间存在一定冲突。本文综合分析这2个指标，构建多目标约束模型。因影响建筑能源消耗的因素较多，且一些因素容易受到季节影响，所以约束模型很难精准建立。为此，本文利用Energy Plus模拟软件实现多目标约束模型的构建[17]。该模型中包括以下决策变量：建筑物朝向xcr、窗户长与高xwd和xwh、传热系数xghk、保温层厚度xtdw、空调供热与制冷温度xhst与xcst、人员密集程度xpd、照明系统功率xtpd。则多目标约束模型可表示为：

(1)

(2)基于改进粒子群算法的最佳改造设计方案获取。在上述多目标约束模型基础上，使用改进粒子群算法将多个目标变换为单一目标并求解。粒子群算法是模拟鸟类寻食过程提出的，在迭代过程中，每个粒子会寻找到局部与全局最优点[18-19]。通过调节学习因子的值，能够改善收敛性能，减少陷入局部最优的可能[19]。虽然粒子群算法在全局搜索中表现出较好的性能，但是针对不同问题时需反复调整相关参数来得到最佳结果，这对于没有经验的设计人员而言，选取适当的参数较为困难。此时，方案会太过依赖全局最优点，容易出现早熟现象[20]。基于传统粒子群算法的不足，本文利用自适应扰动方法修改位置更新的方式。通过调节扰动因子提高了粒子挖掘最优解的可能性。随着迭代次数的不断增多，粒子选定的扰动区间逐渐缩小，所以该算法在后期具有非常好的局部挖掘性能。基于改进粒子群算法的建筑节能环保改造设计如图4所示，整体过程可描述为：设置算法相关参数，在已知决策空间中，结合本文多目标约束条件，如建筑朝向、窗户长与高、传热系数、人员密度等，生成粒子初始位置；获取全部粒子目标函数值，将这些数值输入到Energy Plus软件中，获得每个参数的函数值；不断更新储备集合，将已知元素与新生解储存到集合中；当达到最大迭代次数时，算法终结，将集合中的元素当作最佳结果输出。以此获得改造设计的最佳方案。

图4 基于改进粒子群算法的建筑节能环保改造设计Fig.4 Building energy saving and environmental protection renovation design based on improved particle swarm algorithm

4 工程应用

改造设计目标选取钢筋混凝土高层住宅，此楼高度为93 m，每层高度3 m，本文以15层房屋为对象。根据节能建筑标准：外墙、地面与屋顶的导热系数需低于0.15 W/(m2·K)，窗户导热系数低于0.85 W/(m2·K)，提出3种建筑节能改造方案：①太阳能+多联机空调系统，即冷热源采用风冷热泵机组，每台机组连接数台相同或不同型号的直接蒸发式室内末端机组。②太阳能+地源热泵+风机盘管空调系统，即冷热源为单螺杆式冷热水热泵机组，室内末端为风机盘管。③太阳能+地源热泵+冷/温双槽水蓄能+风机盘管空调系统。在多目标优化模型下，综合考虑建筑能耗与用户舒适度2个指标，利用改进粒子群算法对以上方案进行求解，获取最佳设计方案。评价优选过程中，分别选取太阳能利用效率、经济性、社会性和节能性4方面进行研究，对3种改造方案进行仿真模拟，经过核算，改造前与改造后的结构参数见表4。

表4 建筑节能环保改造前后参数对比Tab.4 Comparison of parameters before and after building energy saving and environmental protection renovation

由表4可知，改造前的各项传热系数没有达到节能要求。经过本文方法改造设计后，外侧墙体、屋顶与窗户的传热系数均满足节能建筑标准，但其中室内地面的传热系数与标准值的最大值较为接近，这是由于施工队伍水平较差，影响施工质量。确定传热系数满足节能要求后，以平均节能效果和最大成本增量为指标评价所提设计方法优劣，结果见表5—表6。

表5 平均节能效果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，最大节能效果与平均节能效果在冬季和夏季的表现最为明显。其中所提设计方案能够较应用前节约更多电量，通过对屋顶、地面与窗户的改造设计，使室内冬暖夏凉，在冬夏两季减少空调使用时间，达到节能环保目的。此外，该方法所表现出的成本增量也低于应用前，这是因为本文模拟构建了房屋整体结构，并进行相似性分析，在保证原有建筑最大相似性基础上改造设计，减少了成本消耗。

5 结语

建筑节能环保改造是一项集规划、设计等多学科的复杂系统，必须在大量理论知识和实践下才能完成。本文综合考虑多目标因子约束，建立多目标优化模型，利用改进粒子群算法将多目标问题变换为单目标问题，并得出最优结果。仿真实验证明，该方法不但可以节约能源，且改造成本较低。虽然本文方法通用性较强，但是没有考虑智能家居系统。智能家居在未来会得到普遍应用，因此该方法还有提升空间，应添加更多相关模块，进一步提高该方法的普适性。