夏熱冬冷地區(qū)近零能耗住宅圍護結構性能優(yōu)化方法研究

白 揚，潘毅群

(同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804)

1 引言

當今能源問題已經(jīng)成為每個國家的重中之重，而我國人口眾多、人均礦物資源更是有限，節(jié)約能源更是實現(xiàn)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措。前瞻產業(yè)研究院發(fā)布的《2013—2017年中國智能建筑行業(yè)市場前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》顯示，我國建筑能源消耗總量逐年上升，在能源總消費量中所占比例近30%，節(jié)約建筑能耗迫在眉睫。近些年我國在大力建設和推進節(jié)能建筑、綠色建筑的同時，也正積極引導和推動超低能耗、近零能耗建筑的建設，在一些地區(qū)和城市建立了超低能耗和近零能耗建筑試點工程，并頒布和實施了一系列與節(jié)能降耗相關的國家及地方標準。2015年10月住建部制定《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》(居住建筑)；2016年4月頒布《民用建筑能耗標準》；2016年10月，北京市發(fā)布《北京市推動超低能耗建筑發(fā)展行動計劃(2016-2018年)》[1]；2019年1月，住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《近零能耗建筑技術標準》并自2019年9月1日起實施，其配套標準《近零能耗建筑檢測評價標準》(征求意見稿)也隨之發(fā)布。從建筑節(jié)能設計標準再到近零能耗或超低能耗技術標準，表明建筑節(jié)能工作已從“過程控制”向“目標效果導向”轉變，在建筑精細化管理的基礎上，建筑運行能耗實行總量控制，設立明確節(jié)能目標，用實際能源消耗來引導和評價建筑節(jié)能工作。

近零能耗建筑是在提供舒適室內環(huán)境的前提下最大限度的節(jié)約能源，通過被動式建筑設計最大幅度地降低建筑供暖空調照明需求，通過主動式技術措施最大幅度提高建筑設備與系統(tǒng)效率，再以可再生能源作為補充達到近零能耗標準。通過被動式建筑設計，如提高圍護結構性能，從源頭降低建筑能源需求是降低建筑能耗最有效的措施之一。趙群等[2]通過正交實驗法對上海地區(qū)超低能耗建筑圍護結構優(yōu)化方案進行了研究分析。申肖肖[3]對夏熱冬冷地區(qū)近零能耗居住建筑圍護結構單項指標進行了技術敏感度分析以及經(jīng)濟性分析。本文通過建立低密度住宅建筑基準模型，利用Grasshopper參數(shù)化平臺建模和分析，通過模型輸出的結果，評價圍護結構性能的變化對夏熱冬冷地區(qū)低密度住宅建筑能源需求的影響。

2 夏熱冬冷地區(qū)近零能耗建筑圍護結構性能設定

以能源需求最低為目標，參照《近零能耗建筑技術標準》GB/T51350-2019標準中建筑主要熱工性能參數(shù)的建議值，包含外墻傳熱系數(shù)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、外窗傳熱系數(shù)、外窗得熱系數(shù)。此外，建筑各個朝向的窗墻比對建筑負荷的影響也是不可忽視的，這里參照《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》JGJ 134-2010中窗墻比的相關規(guī)定。各圍護結構參數(shù)具體取值范圍和取值數(shù)量參照其中的第3.4節(jié)。

3 模型設定

3.1 基準模型確定

本文研究對象為低密度住宅，即限高18 m，容積率在1.5以下的住宅建筑，包括聯(lián)排別墅、獨立別墅、多層住宅等。選取低層獨立別墅的簡化模型作為建筑設計基準模型。對于普通民用建筑而言，其主要形狀為長方體，而長方體的組成尺寸分別為長、寬、高。本研究模型長12 m，寬9 m，單層層高3 m，共3層，總建筑面積324 m2，體型系數(shù)0.5。建筑朝向為正南。建筑平面和整體模型效果見圖1。

3.2 室內參數(shù)和空調系統(tǒng)設定

建筑室內的負荷以及空調系統(tǒng)設計參照《近零能耗建筑技術標準》GBT 51350-2019中相關建議值。房間照明、設備、人員設定以及新風量設計見表1。

圖1 建筑模型

表1 模型室內負荷參數(shù)

項目數(shù)值開啟時間/(h/月)照明功率/(W/m2)6180設備功率/(W/m2)6 180人員 /人4 -

建筑室內環(huán)境參數(shù)見表2。

表2 模型室內環(huán)境參數(shù)

4 模擬方法

對于圍護結構性能優(yōu)化問題，也就是在建筑能源需求即負荷最低時，尋求圍護結構各參數(shù)的最優(yōu)解的過程。傳統(tǒng)的尋求最優(yōu)解的方法主要有3種：枚舉法、啟發(fā)式算法和搜索算法[4]。枚舉法是枚舉出可行解集合內的所有可行解，以求出精確最優(yōu)解。該方法要求先對其進行離散化處理，這種方法是有可能產生離散誤差而得不到最優(yōu)解的情況。而且對于本文要求解的問題，枚舉空間也比較大，求解效率不高。而啟發(fā)式算法是尋求一種能產生可行解的啟發(fā)式規(guī)則，從而找到一個最優(yōu)解或者近似最優(yōu)解。對于本文需要求解的問題，顯然這種啟發(fā)式規(guī)則并不適用。由于枚舉法和啟發(fā)式算法對本研究均存在一定的特定性和不適用性，本研究使用搜索算法或者說全局優(yōu)化搜索算法，即遺傳算法。因此，在基于參數(shù)化設計平臺建模和進行參數(shù)設定后，使用更適合本研究課題的遺傳算法來進行圍護結構性能最優(yōu)方案的分析研究。以下就參數(shù)化設計和遺傳算法進行簡單介紹。

4.1 參數(shù)化設計

參數(shù)化設計其實就是參變量化設計，即設計是受參變量控制的。每個參變量控制或表明設計結果的某種重要性質，改變參變量的值會改變設計結果。參數(shù)化設計廣泛應用于城市建設、建筑單體設計、室內設計、工業(yè)產品設計等領域。而在建筑單體設計中，參數(shù)化設計也可以用于不同的方向，例如對已有形體的參數(shù)化控制，對構造節(jié)點的參數(shù)化設計，建筑表皮參數(shù)化研究等。

在參數(shù)化設計中，影響設計的主要因素作為參變量，將設計看成為參數(shù)，然后通過一定的規(guī)則(算法)構建成函數(shù)關系，最后用計算機語言描述上述參數(shù)關系，在軟件中構造出擬定的參數(shù)模型。也就是說，在計算機語言環(huán)境中，輸入的參變量信息以及給出一定算法就可以生成目標，得到初步設計方案。

本文的設計基礎就是基于參數(shù)化設計的方法，使用參數(shù)化設計平臺Grasshopper (簡稱GH)建立模型并輸入?yún)⒆兞啃畔ⅲ⑶医⒁欢ǖ乃惴ê瘮?shù)，即可生成最終的目標結果。而在建立算法函數(shù)的過程中，進一步尋優(yōu)的過程，即是說圍護結構的組合設計方案有N種，而怎樣的圍護結構設計組合才是需求的最優(yōu)方案，也是建筑達到負荷最低的前提條件，這個尋優(yōu)過程就需要應用到遺傳算法(圖2)。

圖2 Grasshopper 界面

4.2 遺傳算法

遺傳算法(Genetic Algorithms，GA)是一種以Darwin的進化論和Mendel的遺傳學說為基本思想的隨機搜索與優(yōu)化算法，由密執(zhí)安大學教授Holland及其學生創(chuàng)建于1975年。生物種群經(jīng)過激烈的生存斗爭后，適者生存，也就是說經(jīng)過變異之后，種群中那些對環(huán)境適應有利的個體得以保留，并淘汰掉那些不具備有力變異的個體。而生存下來的個體就會有更大的幾率把優(yōu)良的基因傳給下一代。然后新一代的群體繼續(xù)發(fā)生競爭，變異，從而不斷的進化。遺傳算法是將數(shù)據(jù)用簡單的編碼方式表示，然后以簡單編碼方式為運算載體對數(shù)據(jù)進行運算。在運算過程中，遵循“適者生存”的遺傳進化特點，培育較優(yōu)的個體，篩選掉較差的個體[4]。遺傳算法在工業(yè)設計、經(jīng)濟管理、交通運輸?shù)阮I域都有很好的應用。本文以遺傳算法的邏輯秉承生物學中的“優(yōu)勝劣汰，適者生存”遺傳學原理，在設定的目標值進行后篩選搜索出最優(yōu)解(圖3)。

4.3 遺傳算法的實現(xiàn)

遺傳算法是通過Grasshopper(簡稱GH)平臺的Galapagos模塊來實現(xiàn)，GH是一款可視化編程語言，它基于Rhino平臺運行，是目前數(shù)據(jù)化設計方向的主流軟件之一，同時與交互設計也有重疊的區(qū)域。而Galapagos模塊是其應用非常廣泛的模塊之一，Galapagos模塊計算的特點是操作簡單，收斂速度快。其計算原理簡單說來，即設立一個目標值及需要判定或衡量的自變量，給定每個自變量取值范圍以及迭代次數(shù)，通常將前一次計算的最優(yōu)解設置為本次計算的初始值，經(jīng)過不斷的交叉變異操作，得到全局最優(yōu)解(圖4)。

5 基于遺傳算法的圍護結構參變量設定

為探究圍護結構性能對建筑能耗的影響，建筑負荷和采暖負荷最低作為本次研究的優(yōu)化目標，擬進行優(yōu)化的圍護結構參數(shù)為模擬的參變量，即建筑4個朝向窗墻比、外墻傳熱系數(shù)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、外窗傳熱系數(shù)、外窗得熱系數(shù)。參照《近零能耗建筑技術標準》GBT 51350-2019和《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》JGJ 134-2010，參變量的取值范圍見表3。然后給定計算程序一定的變化步長和迭代次數(shù)。其中迭代次數(shù)即運算步驟重復執(zhí)行的次數(shù)。根據(jù)研究目的確定決定變量數(shù)量，參考以往研究各代個體數(shù)為決定變量數(shù)量的4倍，迭代次數(shù)設為50代[5]。進而得到建筑需求達最低值時所有參變量的最優(yōu)解(圖5)。

圖3 遺傳算法流程

圖4 Galapagos運算器

表3 圍護結構參數(shù)變量取值

6 模擬結果

通過遺傳算法計算得出夏熱冬冷地區(qū)代表城市典型低層獨立式建筑以零能耗為目標的優(yōu)化設計解集，見表4，其中Y為建筑總能源需求即建筑總負荷(kW·h/(m2·a))。以建筑總能源需求最低為目標的優(yōu)化解集有32個設計方案(表4)。

圖5 圍護結構參變量設定展示

續(xù)表4

名稱YX1X2X3X4X5X6X7X8總能源需求kW·h/(m2/a)窗墻比-東/%窗墻比-南/%窗墻比-西/%窗墻比-北/%外墻-kW/(m2/K)屋頂-kW/(m2/K)外窗-kW/(m2/K)SHGC2733.440.20.300.10.150.150.60.42833.9700.40.10.20.150.160.60.492934.7100.40.20.10.150.160.60.43035.070.10.50.10.10.150.150.60.483135.130.10.50.10.10.150.150.70.443234.20.10.40.10.10.150.150.60.43

7 結論

本文通過建立夏熱冬冷地區(qū)低密度住宅建筑的基準模型，參照近零能耗技術標準關于圍護結構參數(shù)取值范圍，基于Grasshopper參數(shù)化設計方法模擬計算建筑圍護結構變量或影響因子對建筑能源需求的影響，從而得到建筑能源需求最低時，夏熱冬冷地區(qū)圍護結構性能的優(yōu)化解集，相關設計人員可以從模擬結果中選取圍護結構的優(yōu)化組合來降低建筑能源需求。

以建筑全年能源需求最低為目標的前提下,結論如下。

(1)夏熱冬冷地區(qū)近零能低密度住宅建筑外墻最佳傳熱系數(shù)限值以0. 15～0.17 W/( m2·K) 為宜。

(2)夏熱冬冷地區(qū)近零能低密度住宅建筑屋面最佳傳熱系數(shù)限值以0. 15～0.17 W/( m2·K)為宜。

(3)夏熱冬冷地區(qū)近零能耗低密度住宅外窗最佳傳熱系數(shù)為0.8 W/( m2·K) ，太陽得熱系數(shù)( SHGC) 在0.4～0.5之間。最佳南向外窗的窗墻比在0.2～0.5之間，且滿足日照、天然采光和自然通風的條件下對各使用房間限值的基礎上應盡量降低北向外窗和東、西向外窗的窗墻比設置。

住宅以建筑能源消耗最低為目標建筑外圍護結構性能的優(yōu)化設計方法如上文。對于其他類型住宅建筑或公共建筑的圍護結構性能的優(yōu)化設計，此研究方法同樣適用。