基于Octopus+Honeybee的天津鄉村住宅被動式節能設計多目標優化技術框架

高 源, 池婧祎, 羅書龍, 胡 可， 袁景玉, 岳曉鵬

(1.河北工業大學 建筑與藝術設計學院， 天津 300130；2. 河北工業大學 河北省健康人居環境重點實驗室， 天津 300130)

我國鄉村住宅建筑面積約229億m2，生活用能總量3.11億tce，占全國建筑總能耗的28.53%[1]。但長久以來，北方鄉村住宅以粗放式自籌自建為主，盲目追求高大氣派和對建筑節能的忽視，導致供暖能耗熱損失大、采暖季室溫偏低，能源浪費嚴重[2-3]。為實現舒適節能型鄉村住宅建設目標，2017年，住建部將“積極推進鄉村住宅節能”正式列入《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》。

目前，鄉村住宅節能研究主要圍繞評價標準[4-5]、改造策略[6-8]、技術措施[9-11]、可再生能源利用[12]等方面展開，而建筑方案階段最為關鍵的被動式節能設計研究僅占文獻總量的3.9%，且多見于對單一或組合設計參數節能效果的單視角分析[13-14]。上述研究雖具有一定的指導意義，但均未從鄉村住宅節能與室內熱舒適提升的雙重視角，對被動式節能設計進行綜合評價。

綜合評價被動式節能設計參數對鄉村住宅能耗與室內熱舒適的雙重影響，本質上是多目標優化問題。近年來，相關研究逐步推進，如Fabrizio等[15]以一次能源消耗和熱不舒適小時數為目標，對地中海居住建筑圍護結構的墻體熱惰性、保溫材料厚度、外窗透射率等熱性能參數進行優化。吳迪等[16]以冬季采暖負荷和夏季熱不舒適小時數為目標，對寒冷地區高層住宅圍護結構的保溫層厚度、外窗類型、氣密性等級等技術方案進行優選。余鎮雨等[17]以經濟成本和能耗為目標，對近零能耗高層居住建筑的圍護結構傳熱系數和空調全熱回收效率進行了參數優化。然而，上述研究均圍繞建筑圍護結構、設備系統等參數開展討論，對建筑方案階段尤為重要的規劃和單體參數鮮有研究。Shi等[18]從建筑師視角指出：建筑節能設計既包括圍護結構熱工性能等非幾何參數，也包括建筑形體幾何參數，既往研究多以暖通或能源工程師為主導，其專業特性及工作內容的差異使得建筑形體幾何參數的優化研究難以開展，因而導致了其研究成果多適用于既有建筑節能改造而非新建建筑方案階段的被動式節能設計。隨后，Camporeale等[19]從節能視角對城鎮居住建筑形體參數進行了多目標優化研究，但相關研究結論具有明顯的局限性，其研究對象、優化目標及優化結果均無法應用于節能與熱舒適目標下的天津鄉村住宅被動式節能設計。因此，本文采用Rhino+Grasshopper可視化編程平臺搭載的SPEA2優化算法，以設計階段建筑形體參數為優化變量，構建節能和熱舒適目標下的天津鄉村住宅被動式節能設計多目標優化技術框架。

1 研究方法

1.1 多目標優化算法及帕累托解集

多目標優化算法常用于解決影響因素相互矛盾的復雜決策問題，通過最小化或最大化特定目標來尋求約束條件的最佳解決方案。對于多目標優化問題，一個解對于某個目標來說可能是較好的，但對于其他目標來說可能是較差的。因此，存在一個折衷的集合，稱為帕累托解集[20-21]。

1.2 天津鄉村住宅被動式節能設計多目標優化技術框架

隨著智能優化算法及軟件技術的不斷發展，建筑被動式節能設計多目標優化技術框架的構建方法大致可分為通用編程平臺(Matlab、GenOpt、CAMOS等)[22]、通用編程-建筑性能模擬聯動平臺(Matlab-EnergyPlus、GenOpt-DOE-2等)[23]、建筑可視化編程平臺(Rhino+Grasshopper、Revit+Dynamo)[24]三類。前兩種方法門檻高、交互性差，難以在建筑師主導的方案階段推廣。因此，本文采用建筑界主流的Rhino+Grasshopper可視化編程平臺，以Honeybee為建筑性能模擬引擎，Octopus為優化算法運行載體，結合實際調研數據，構建天津鄉村住宅被動式節能設計多目標優化技術框架，如圖1所示，包括：①基準建筑模型生成；②被動式節能設計參數篩選；③優化目標函數設定；④最終方案決策。

圖1 天津鄉村住宅被動式節能設計多目標優化技術框架Fig.1 Multi-objective optimization framework of passive energy-saving design for Tianjin rural houses

Honeybee運算器可直接調用EnergyPlus計算內核完成建筑全年8 760小時的冷熱負荷、動態能耗等模擬分析。Octopus運算器內置的SPEA2相較于其他多目標優化算法，在基于近鄰規則環境選擇中得出的解的分布均勻性方面具有較大優勢，可以較好地避免陷入局部最優[25]，其個體適應度函數為：

F(i)=R(i)+D(i)

(1)

式中：R(i)為個體i在外部種群和進化種群中的個體支配信息；D(i)代表個體i到它緊鄰的第k個個體之間的距離擁擠度。

2 實例研究

2.1 基準建筑模型生成

天津市遠期規劃共保留村莊2 383個，94%集中在武清、靜海、寶坻、薊州、寧河5個遠郊涉農區縣[26]。采用Robert等[27]提出的代表性樣本量計算公式(見式(2))對上述區縣分層抽樣，設自由度為1、置信度0.75、統計誤差不超過15%，計算得到代表性樣本量S為15。據此，本次調研村莊樣本數及鄉村住宅分布如表1所示。

表1 調研村莊樣本數及鄉村住宅分布

(2)

式中：S為建議樣本量；χ2為預設置信度下1個自由度代表的卡方值；N為樣本總量；ME為設計誤差范圍，%；p為種群比例，一般取50%來最大化代表樣本量。

2.1.1基準建筑初始形體參數

天津鄉村住宅調研數據(見圖2)顯示:

圖2 天津鄉村住宅形體參數統計(單位：m)Fig.2 Shape parameter statistics of rural houses in Tianjin (unit: m)

1) 宅基地面積以200～400 m2為主，坐北朝南，平面布局多為L型和U型;

2) 正房為主要采暖空間，常設客廳、臥室、廚房等功能,面寬同宅基地，多為12.5～15.5 m,進深4.5～5.5 m,檐口高3.0～3.5 m、室內吊頂高2.8～3.1 m;

3) 廂房基本無采暖，常設廚房、廁所及儲藏功能,面寬多為8.0～12.0 m,進深3.5～4.7 m,檐口高2.6～3.3 m,室內吊頂高2.4～3.0 m,與正房間距2.2～4.7 m。

由于天津2000年之后的新建鄉村住宅均為原址翻建，無新增宅基地發放，因此，本文以調研數據中位數作為基準建筑的初始形體參數，其平面布局及尺度如圖3所示。

圖3 基準建筑初始形體參數(單位：mm)Fig.3 Shape parameters of reference building (unit: mm)

2.1.2基準建筑構造做法

調研發現，天津新建鄉村住宅的主體結構仍以磚木為主。結合GB/T 50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》及實測數據，基準建筑圍護結構構造做法及傳熱系數設定如表2所示。

表2 基準建筑圍護結構構造做法及傳熱系數

2.1.3基準建筑運行信息

截至目前，天津鄉村住宅已基本完成清潔取暖改造，供暖設備以空氣源熱泵和燃氣壁掛爐為主。隨著“3060雙碳”目標的推進，用能電氣化已成為鄉村住宅供暖新趨勢。因此，本文基準建筑供暖設備選擇空氣源熱泵(海爾RFC140RXSAVA，能效比3.2)，末端形式為散熱片，采暖期為11月15日至次年3月15日。此外，在城鎮化和老齡化背景下，被調研農戶常駐人口多為2～4人，60歲以上的老年人占半數以上，全天居家。課題組2021年1月8日～12日對鄉村住宅室內環境的連續監測顯示，24小時平均室溫僅為6.57 ℃，濕度30%～45%，室內風速95%低于0.15 m/s；居民著裝以毛衣、棉衣為主，服裝熱阻1.15～2.09clo。對居民發放平均熱感覺投票問卷，86.1%的居民希望采暖季室溫提升至15.9℃～17.6 ℃。照明逐時使用率、換氣次數按GB/T 50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》及JGJ26—2018《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》選取，即：5∶00至8∶00設50%、17∶00至18∶00設50%、19∶00至22∶00設80%；換氣次數0.5 h-1。基準建筑運行信息如表3所示。

表3 基準建筑運行信息Tab.3 Operation information on reference building

2.2 被動式節能設計參數篩選

對基準建筑的被動式節能設計參數進行分類研究，從規劃和單體層面篩選優化變量。

各優化變量的取值范圍以2000年之后翻建農宅實測數據為基礎，兼顧鄉村經濟技術限制、建設習慣、采光節能等功能需求及鄉村住宅設計規范要求。

各變量名稱、含義、類別、取值范圍及步長如圖4及表4所示。

圖4 天津鄉村住宅被動式節能設計參數優化變量Fig.4 Optimization variable of rural houses passive energy-saving design in Tianjin

表4 優化變量設定Tab.4 Specifications of the decision variables

2.3 優化目標函數設定

本文以鄉村住宅冬季采暖能耗和全年熱不舒適小時數作為優化目標，多目標優化問題的數學表達式為：

min{f1(x1,x2, …,xn),f2(x1,x2, …,xn)}

(3)

式中：f1(x1,x2, …,xn)為單位建筑面積采暖能耗，(kW·h)/m2；f2(x1,x2, …,xn)為全年熱不舒適小時數，h；x1,x2, …,xn為優化變量參數。

2.3.1單位建筑面積采暖能耗

調研數據顯示，天津鄉村居民夏季及過渡季室內環境以自然通風為主，白天人員在室率較低，空調使用頻率極低；冬季為農閑時節，人員在室率及熱舒適需求較高。

因此，基準建筑年能耗以冬季采暖為主，故以單位建筑面積采暖能耗作為優化目標之一。

通過Honeybee調用EnergyPlus對鄉村住宅冬季采暖能耗進行模擬，氣象參數采用EnergyPlus官網下載的天津市典型氣象年數據，其余工況參數如2.1.3節所述。根據模擬結果，單位建筑面積采暖能耗計算公式為：

(4)

式中：Qci為各房間的采暖能耗，kW·h；Ai為各房間面積，m2。

2.3.2全年熱不舒適小時數

由于城鄉經濟條件和生活習慣的差異，GB/T 50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》中指出，我國寒冷地區80%以上的農戶認為冬季室溫13 ℃～16 ℃、夏季不高于30 ℃即為舒適。

因此，本文以采暖季室溫14 ℃(GB/T 50824冬季室溫設計值)、夏季室溫30 ℃為基準建筑室內熱舒適臨界值。根據模擬結果，全年熱不舒適小時數計算公式為：

(5)

式中：MSi和MWi分別表示第i個房間夏季和冬季的熱不舒適小時數，h；n為房間數量。

2.4 最終方案決策

在多目標優化算法中，所有最優解均無差別地統計在帕累托解集中， 某個最優解并不比其他最優解更好。

因此，如何在這些可行的最優方案中確定最終解決方案，需要決策過程。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)綜合評價法是一種有效的決策方法，即對有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序，又稱優劣距離法。計算公式為：

(6)

3 優化結果及分析

對基準建筑初始形體參數進行冬季采暖能耗和全年熱不舒適小時數性能模擬，計算結果如表5所示。

表5 基準建筑初始形體參數及熱環境性能Tab.5 Shape parameters and thermal performance of reference building

在基準建筑初始性能基礎上，基于SPEA2算法，以最小化冬季采暖能耗和全年熱不舒適小時數為目標，優化表3中的形體參數變量。在優化計算中設置種群數量40個，迭代50次，突變率為0.5，交叉率為0.8。最終得到L及U型鄉村住宅的帕累托前沿，如圖5～6所示。其中，L型鄉村住宅的帕累托解集中共有25個解，U型鄉村住宅的帕累托解集中共有28個解。

從圖5～6中可以看出：①所有落在帕累托前沿的最優解其冬季采暖能耗均優于基準建筑；②由于東側廂房的遮擋，U型鄉村住宅比L型住宅的單位面積采暖能耗更高；③冬季采暖能耗與全年熱不舒適小時數變化趨勢相反，即兩個優化目標相互約束，無法同時達到最優。

圖5 L型鄉村住宅帕累托解集 Fig.5 Pareto set of L-shaped rural house

應用TOPSIS綜合評價法給兩個目標函數(冬季采暖能耗、全年熱不舒適小時數)賦權，得到不同權重下的最優方案，如圖7～8所示。兩個目標函數的權重和為1，圖中實線和虛線分別代表了不同權重方案下，帕累托解集中最優方案所對應的建筑采暖能耗及全年熱不舒適小時數值。需要注意的是，TOPSIS綜合評價法僅作用于帕累托前沿的最優解上，當權重為0或1時，目標函數最優解并不等同于單目標優化結果。

圖6 U型鄉村住宅帕累托解集Fig.6 Pareto set of U-shaped rural house

圖7 L型鄉村住宅不同權重下的最優方案 Fig.7 Optimal scheme of L-shaped rural house

圖8 U型鄉村住宅不同權重下的最優方案Fig.8 Optimal scheme of U-shaped rural house

3.1 L型鄉村住宅多目標優化結果及方案評估

表6顯示了L型鄉村住宅不同權重下最優方案的詳細信息。按照采暖能耗權重的變化區間，L型鄉村住宅最優解可分為熱舒適優先、多目標均衡和采暖能耗優先三類：①室內熱舒適性最佳的方案其全年熱不舒適小時數為2 480.2 h，相較于基準建筑改善8.0%，此時冬季采暖能耗為10.47 (kW·h)/m2，節能率4.7%；②最節能方案的冬季采暖能耗為8.48 (kW·h)/m2，相較于基準建筑節能22.8%，此時全年熱不舒適小時數為2 660.2 h，改善率1.3%；③在權重為0.5的均衡選擇下，該最優解的冬季采暖能耗為9.16 (kW·h)/m2，節能率16.5%，熱不舒適小時數為2 551.6 h，改善率5.3%。

表6 不同權重下L型鄉村住宅最優方案Tab.6 Optimal plan of L-shaped rural house under different weights

3.2 U型鄉村住宅多目標優化結果及方案評估

表7顯示了U型鄉村住宅不同權重下最優方案的詳細信息。與3.1節類似，U型鄉村住宅三類最優解方案如下：①室內熱舒適性最佳的方案其全年熱不舒適小時數為2 484.4 h，相較于基準建筑改善8.8%，此時冬季采暖能耗為10.49 (kW·h)/m2，節能率6.1%；②最節能方案的冬季采暖能耗為9.35 (kW·h)/m2，相較于基準建筑節能16.3%，此時全年熱不舒適小時數為2 543.4 h，改善率6.7%；③在權重為0.5的均衡選擇下，該最優解的冬季采暖能耗為9.47 (kW·h)/m2，節能率15.3%，熱不舒適小時數為2 530.4h，改善率7.1%。

表7 不同權重下U型鄉村住宅最優方案Tab.7 Optimal plan of U-shaped rural house under different weights

3.3 優化結果整體分析

整體分析兩類鄉村住宅的優化結果(見表6～7)。

規劃層面：①由于東側廂房的加入會遮擋正房，且增加建筑體形系數，故U型鄉村住宅的采暖碳排放表現整體劣于L型住宅；熱舒適優先及多目標均衡情況下，兩類農宅的熱舒適表現差異較小，采暖能耗優先時U型鄉村住宅的室內熱舒適性更佳；②基于節能與熱舒適考慮，天津地區鄉村住宅最佳朝向并非正南向，L型鄉村住宅最佳朝向為-2.9°～15°，U型鄉村住宅最佳朝向為-1.9°～12.8°。

單體層面：①正房的最佳進深均為取值下限4 m，與GB/T 50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》中的建議值基本吻合；窗墻比落在取值范圍之上限0.45，故在鄉村住宅設計中適當增加正房開窗面積并不會導致能耗的提高；正房檐口高度，L型農宅較低，為3.5～4.8 m，U型農宅較高，為4.3～4.9 m；門廊最佳進深均為0.8～1.0 m；②L型鄉村住宅廂房與正房的最佳間距為5.0～5.6 m，U型農宅因遮擋更為嚴重，最佳間距為5.8～6.0 m；廂房最佳進深分別為3.5～4.5 m(L型)、3.6～3.7 m(U型)；最佳窗墻比均為取值范圍及節能標準之下限0.25；廂房檐口高度整體低于正房檐口，L型為2.7～2.8 m，U型為2.5～2.6 m。入戶調研顯示，天津地區鄉村住宅廂房主要為廚房、衛生間、儲藏間等輔助功能，因此在不影響基本功能的前提下，應盡量降低廂房高度、減小廂房窗墻比。

4 結 論

基于采暖能耗與室內熱舒適雙目標優化的新建農宅，與基準建筑相比，L型鄉村住宅采暖節能率為4.7%～22.8%，室內熱舒適改善率為1.3%～8.0%；U型鄉村住宅的采暖節能率為6.1%～16.3%，室內熱舒適改善率為6.7%～8.8%。

1) 熱舒適最優情況下，L型鄉村住宅最佳朝向為南偏東15°，正房進深4.0 m、檐口高4.8 m、窗墻比0.45、門廊進深1.0 m，廂房進深3.5 m、檐口高2.7 m、窗墻比0.25、距正房5.0 m；U型鄉村住宅最佳朝向為南偏東12.8°，正房進深4.0 m、檐口高4.9 m、窗墻比0.45、門廊進深1.0 m，廂房進深3.6 m、檐口高2.6 m、窗墻比0.25、距正房5.8 m。

2) 多目標均衡情況下，L型鄉村住宅最佳朝向為南偏東13°，正房進深4.0 m、檐口高3.5 m、窗墻比0.45、門廊進深0.8 m，廂房進深3.6 m、檐口高2.7 m、窗墻比0.25、距正房5.5 m；U型鄉村住宅最佳朝向為南偏東10.9°，正房進深4.0 m、檐口高4.3 m、窗墻比0.45、門廊進深0.9 m，廂房進深3.6 m、檐口高2.5 m、窗墻比0.25、距正房5.8 m。

3) 采暖能耗最優情況下，L型鄉村住宅最佳朝向為南偏西2.9°，正房進深4.0 m、檐口高3.5 m、窗墻比0.45、門廊進深1.0 m，廂房進深4.5 m、檐口高2.8 m、窗墻比0.25、距正房5.6 m；U型鄉村住宅最佳朝向為南偏西1.9°，正房進深4.0 m、檐口高4.3 m、窗墻比0.45、門廊進深0.8 m，廂房進深3.6 m、檐口高2.6 m、窗墻比0.25、距正房6.0 m。