基于遺傳算法的綠色建筑節能的增量效益實證研究

任繼勤,楊思佳,祁士偉,殷 悅

(北京化工大學 經濟管理學院,北京 100029)

1 問題的提出與分析

綠色建筑概念是基于可持續發展理念提出的環保建筑,是當今建筑業發展的必然趨勢,國內外學者對綠色建筑開展了一系列的研究。目前,綠色建筑研究主要集中在以下方面:①綠色建筑評價指標體系研究。通過對指標的選取、指標權重的賦值進行科學縝密的分析論證,從不同角度構建了綠色建筑評價指標體系[1]。基于全壽命周期視角,將綠色建筑的效益研究分解為環境效益、經濟效益、社會效益等,并納入到綠色建筑評價指標體系中。通過構建綜合效益評價模型,對綠色建筑進行經濟性分析和

研究,為綠色建筑的相關決策者提供參考[1]。②綠色建筑評價方法研究。為了促進綠色建筑評價的定量化發展,眾多學者將數學模型運用到綠色建筑的評價中,使綠色建筑評價的結果數量化。目前廣泛采用的數學模型有綜合評價法[3]、模糊層次分析法[4]、聚類評價法、BP神經網絡評價法[5]等。③綠色建筑的經濟性研究。通過對統計數據的分析研究,得出不同建筑設計等級下綠色建筑每平方米所增加的成本,采用節能措施是導致產生增量成本的主要原因。因此，可基于影響因素和激勵機制的多角度,進行與綠色建筑相關方的經濟效益研究,積極推廣綠色建筑[6]。

綜上所述,目前有關綠色建筑增量效益的研究鮮見,建筑節能項目的增量成本是綠色建筑成本的主要構成部分,是控制成本的關鍵,而單位增量成本所產生的增量效益最大化是最重要的內容。因此,本文擬選擇綠色建筑的節能方案,分析綠色建筑節能項目的綜合效益,構建多模型,采用遺傳算法進行實證研究,為綠色建筑節能方案提供具有重要參考價值的依據。

2 綠色建筑節能項目綜合效益構成與測算

相對于傳統建筑,綠色建筑設計在規劃設計階段會產生增量設計成本,在項目移交后會產生維護成本等。綠色建筑節能設計的增量成本包括準備決策階段和建設階段,影響建筑能耗的關鍵因素包括外墻圍護結構、照明、空調、可再生能源系統、屋頂綠化5個方面。綠色建筑增量效益主要產生于運營階段各種能源消耗量的減少，如電力消耗減少,則運營成本降低,同時減少碳排放和電力設施投資。因此,增量效益主要表現為綠色建筑節能的經濟效益、環境效益和社會效益。綠色建筑節能項目全壽命周期綜合效益是增量效益與增量成本之差,見圖1。

2.1 增量成本測算

增量成本是指綠色建筑與普通建筑相比,由于采用節能技術而產生的額外投資[7]。綠色建筑節能項目的增量成本產生于建設階段的初始增量成本,即是建設階段的增量成本,包括圍護結構、照明、空調、可再生能源系統、屋頂綠化5方面的技術成本,以及未來運營階段的增量成本,即是運營成本,包括可再生能源、高效用能系統成本。

2.2 增量效益測算

增量效益是指與普通建筑相比,綠色建筑在運行過程中所減少的運營成本、電力投資、電荒損失和減排價值。由于數據的可獲得性,本文只考慮運營階段的增量效益。經濟效益主要來源于終端節電效益,其他方面的經濟效益忽略不計;環境效益主要涉及能源消耗減少產生的CO2、SO2、NOX和煙粉塵減排價值,以及屋頂綠化釋放O2所產生的經濟效益;社會效益主要考慮節電綜合效益。從全壽命周期來看,綠色建筑在節能方面突出表現為節約大量電能,減少國家對電力的投資和避免因為缺電引起的經濟損失。本文選取S1經濟、S2環境和S3社會效益中的節電綜合效益為S(元/a),則:

S=S1+S2+S3…………………………

(1)

(2)

式中,S1j為采用第j種技術的節能量;P為當地電價。

(3)

式中,S2j為采用第j種技術節能量;δ為電能轉化為標準煤的系數,一般取值0.04%;ε為污染物減排價值,取值為1042.3,以及CO2、SO2、NOX和粉塵的綜合處理[8]。

社會效益為:S3=ΔQ×P3…………………………

(4)

式中,ΔQ為節電量(kW·h/m2·a);P3為節約電力投資和缺電損失額(元/kW·h)。

3 綠色建筑節能增量效益最大化優化模型構建

3.1 節能項目全壽命周期增量效益和增量成本

本文定量化分析節能項目的增量效益和增量成本,構建目標函數。通過優化模型,采用遺傳算法,找到項目的最優解域,從中選取最優的節能方案,最優方案構建流程見圖2。

圖2 綠色建筑節能最優方案構建流程

增量效益最大是比較設計方案和基準方案得到設計方案的節能量(節電量)，包括節電產生的直接經濟效益、減排帶來的環境效益、減少電力投資和電荒損失帶來的社會效益。增量成本最小是進行有無對比分析,增量成本包括初始決策和建設過程的咨詢成本和技術成本。節能設計效率是單位增量成本所產生的增量效益,取得值高的方案。

本文綜合考慮節能投入和節能效果兩方面,通過將兩者定量化,建立投入最小化和節能效果最大化兩個多目標。通過構建模型假設、目標函數和約束函數,形成節能優化模型,并采用遺傳算法進行求解。即單位增量成本所取得的增量效益最大化,并將其作為目標函數解域的評價指標,以得出最優節能方案。

3.2 假設條件和約束條件

假設條件:①開發商在投資決策時,基于綠色建筑全壽命周期的視角,優先考慮整個社會的綜合效益,包括消費者節能、污染物減排、社會發電綜合效益的節約。②物業部分由開發商自持。為了方便成本利潤的計算,項目建成后由此產生的運行維護成本由開發商自己承擔。

約束條件:①規劃選擇的設計方案,必須選擇節能技術。依據《綠色建筑評價標準2014》中節能項目的評價指標,選取和控制綠色建筑節能技術的選取數量。②建筑圍護結構的構造和節能情況,本文選擇外墻外窗和屋頂節能兩部分內容。

3.3 目標函數構建

在上述假設條件和目標約束條件的基礎上,構建目標函數。

增量效益最大:將每種節能技術下的節能方案的節能量進行匯總,得到每一年的節能量(節電量),由此得到年增量效益；對各年的增量效益折現,得到增量效益現值。增量效益maxZ1(元/m2),公式為:

(5)

式中,ΔS為計算期內增量效益,即節能經濟效益、環境效益和社會效益(元/m2);ΔQij為第i種技術第j種節能方案所產生的節能量(kW·h/m2·a);xi為第i個建設階段;xij為第i個建設階段采用的第j個節能方案;P2為決策期咨詢費用,一般在造價的0.1%左右,電價P2取值0.88元/kW·h,按照所選案例地區的電價選取;P(ΔSa,i0,n)為增量效益的折現系數,表示每年的增量效益為ΔSa、基準收益率為i0、代表企業對項目投資所期望的利益回報,一般取值區間為2%—12%；計算期為n,根據建筑的使用壽命和實際情況確定。

增量成本最小:增量minZ2表示增量成本(元/m2),公式為:

(6)

式中,ΔCd、ΔCc分別為決策期、建設期增量成本(元/m2);P1為工程所在地的用電價格(元/kW·h),取值3.2元/m2;ΔCij為第i種技術第j種節能方案所產生的增量成本(元/m2),是決策者為節能技術i所選的第j種節能方案;nj為節能技術i所選的節能方案數。

節能設計效率,即單位增量成本產生的增量效益最大化:開發商基于效益整體考慮做出決策,決定最終的設計方案,可用以下公式表示[10]:

(7)

式中,fZ1(Z1,Z2)、fZ2(Z1,Z2)分別表示一組Pareto最優解f(Z1,Z2)的增量效益和增量成本。通過對Pareto最優解域中每一組解的增量效益和增量成本的比值,得到單位增量成本取得增量效益最大的解,將其作為最終的節能方案。

3.4 工具方法的選擇——遺傳算法

遺傳算法的基本原理是基于數次逐代疊加,得到最優的計算結果。特點是可同時進行多個搜索點工作,且僅使用目標函數值進行搜索,具有搜索效率高、方法靈活、對目標函數要求不高、計算速度快等優點。本文結合綠色建筑節能方案優化模型及其特點,選擇模型求解。

4 實證研究

以某辦公建筑為研究對象進行實證,首先對該辦公建筑分別設定基準方案和設計方案;其次,通過DeST能耗模擬和定額估算,得到每種設計方案與基準方案相比產生的節能量和增量成本;第三,基于獲取的節能量和增量成本數據,使用遺傳算法對節能優化模型進行求解。采用“節能設計效率"對Pareto最優解域進行選擇,得到綠色建筑節能增量效益最優方案。

4.1 案例選取和相關參數的設定

本文選擇夏熱冬冷地區的4層高辦公樓為研究對象,高20m,建筑面積約為8000m2,空調面積為6500m2,占地面積為55km2,預計使用年限為50年。按照《公共建筑節能設計標準》,設定建筑的最低室內參數作為基準,夏天溫度<26℃,冬天溫度<20℃,相對濕度%<70。

4.2 節能方案設計

本文基于圍護結構、照明、空調系統、可再生能源、屋頂節能5個指標,結合市場調研和資料分析,圍護結構有6種方案,照明有2種方案,空調有4種方案,可再生能源有1種方案,屋頂綠化有5種方案。在實際應用中,可任意組合節能技術方案,其中同類型項目之間為互斥方案,異類型項目之間為獨立方案。

4.3 DeST能耗模擬各項技術使用的能耗值

本文采用DeST模型,對整體建筑進行能耗模擬。圍護結構、空調系統、照明、可再生能源、屋頂節能5個指標,采用DeST軟件進行能耗模擬。經過有無對比分析,得到該建筑各分項技術使用的能耗值和初始投資的值,見表1。

表1 各分項技術使用的能耗值

采用控制變量法,對各個設計方案和參考建筑的基準方案在建筑能耗、初始投資等方面進行比較分析,得到各個設計方案的節能量和增量成本。如在求解外墻圍護結構各個設計方案的節能量時,必須保持照明、空調、屋頂等變量不變,采用基準方案中的參數,經過比較計算得出結果。主要是:①圍護結構共選擇有6個設計方案,主要為中空玻璃,其他為砂漿、混凝土泡沫等不同厚度組合:一是20mm石灰砂漿、20mm水泥砂漿、30cm膨脹珍珠巖混凝土;二是20mm水泥砂漿、37cm重砂漿混凝土、25mm水泥纖維版、40mm聚氨酯泡沫塑料;三是30mm石灰砂漿、30mm水泥砂漿、38cm混凝土、10cm聚苯乙烯泡沫;四是20mm石灰砂漿、20mm水泥砂漿、24cm重砂漿粘土、19cm膨脹珍珠巖混凝土;五是30mm水泥砂漿、30mm石灰砂漿、38cm混凝土、30cm聚苯乙烯泡沫;六是方案5換成10cm聚苯乙烯泡沫[9]。通過能耗模擬得出各設計方案的節能量及增量成本,結果見表2。②照明系統2種技術的節能量和增量成本,本文選取參考建筑的照明光源為金屬鹵化物燈,設定為T8三基色熒光燈和LED節能燈兩個方案,結果見表2。③空調系統按輸送介質、冷熱源形式、主機驅動能源等進行分類。本文設置直燃式溴化鋰機組,加離心式、活塞式、直燃式、螺桿式電制冷機4種方式,結果見表2。④可再生能源選取太陽能熱水器作為可再生能源節能技術的設計方案。節能量為3.8kW·h/m2·a,增量成本1.44元/m2,結果見表2。⑤屋頂節能有5個設計方案,其中方案1—4都有20mm水泥砂漿,并有上下50%的波動。其他為珍珠巖、混凝土、泡沫等不同比例,只有方案5最具特色。各個方案為:一是20cm膨脹珍珠巖、12cm鋼筋混凝土;二是20cm重砂漿粘土、40mm酚醛泡沫塑料;三是20mm膨脹珍珠巖、15cm泡沫混凝土、40mm聚氨酯泡沫塑料；四是20cm多孔混凝土、13cm鋼筋混凝土、20mm聚氨酯泡沫塑料；五是2mm鋁、10cm玻璃棉、40mm茅草、20mm粘土[9]。通過能耗模擬得出各設計方案的節能量和增量成本,結果見表2。由于能耗模擬的結果受多種因素影響,因此模擬結果具有一定的誤差性。本文共進行50次模擬,誤差在6.25%以下,在可控范圍內,因此模擬結果具有可靠性。

表2 五種技術方案的節能量和增量成本

4.4 最優解與結果分析

在不考慮資金條件的限制,僅考慮目標函數,設基準收益率取12%,計算期為建筑設計使用年限50年。參數設置為:交叉概率為0.4、突變概率為0.2、迭代次數為1000、種群數量為100。經計算,單位增量成本所產生的增量效益最大化值為24.98。

Pareto最優解組合方案為:空調采暖系統采用螺桿式電制冷機+直燃式溴化鋰機組，照明系統采用LED節能燈，屋頂節能采用20+15mm水泥砂漿、20cm膨脹珍珠巖、12cm鋼筋混凝土,表明未來50年該項目單位增量成本所帶來的增量效益現值為24.98元/m2。

結果分析:①最優組合是多種節能技術的合理選擇，這與其約束條件和目標函數密切相關,同時從側面說明本文所建優化模型的可靠性。②理想的增量效益來自于合理有效的技術組合,可為決策者提供決策支持。增量成本的增加通常來自對節能技術的使用,增量效益的增加會伴隨著增量成本的增加。在一定的增量成本范圍內,通過技術的最優組合,達到增量效益最大化，但增量成本的增加不一定帶來增量效益的最大化。③單位增量成本所產生的增量效益與節能項目有關,其排序是:空調系統>照明系統>圍護結構和屋頂節能,可再生能源貢獻最小。④增量效益受基準收益率的影響,兩者呈反比。

5 結論

本文選取實際的建筑工程,設定綠色建筑節能功能項目綜合效益構成,構建多目標優化模型;選擇遺傳算法,通過DeST能耗模擬軟件,運用控制變量法得到各個綠色建筑節能設計方案與參考方案的能耗量和定額估算的增量成本。單位增量成本產生的增量效益最大化值為24.98元/m2。

結果表明:①理想的增量效益來自合理有效的技術組合,可供決策者根據自身條件進行選擇；②能為決策者呈現出最優的節能技術組合;③單位增量成本所產生的增量效益與技術有關;④基準收益率的選擇會直接影響節能方案的優化結果。