銀川城鎮(zhèn)辦公建筑多目標節(jié)能優(yōu)化設計研究

康宇，夏博，張建新

（長安大學 建筑學院，陜西 西安 710064）

0 引言

根據(jù)《中國建筑能耗研究報告（2018年）》的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，公共建筑的碳排放強度遠超其他居住建筑強度水平，而在公共建筑中，辦公建筑的占比最大，辦公建筑的圍護結構仍然是辦公建筑供暖能耗熱損失占比最大的部位，不同部位的建筑圍護結構性能差異性對建筑節(jié)能效果也帶來了非常復雜的影響[1-2]。對辦公建筑節(jié)能設計影響最大的問題，是現(xiàn)有辦公建筑在設計過程中，簡單地以滿足評價標準而設計，將建筑節(jié)能設計錯誤的理解為建筑節(jié)能技術的集成，造成過度的成本增量，并且在設計過程中對建筑圍護結構之間相互影響的關系關注不足。從多種建筑圍護結構節(jié)能組合的設計方案中比選出圍護結構節(jié)能設計的最優(yōu)方案，是建筑節(jié)能設計優(yōu)化的前提。

銀川市屬于嚴寒地區(qū)，能耗較大，是我國實施節(jié)能的重點地區(qū)之一，本文就目前銀川辦公建筑存在的問題，基于遺傳算法的運用，確定所有組合中的最節(jié)能且經(jīng)濟的組合，并提出相應的尋優(yōu)推薦構造，以期為銀川地區(qū)辦公建筑節(jié)能設計提供參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究范圍

我國城鎮(zhèn)建成的公共建筑面積約占城鎮(zhèn)民用建筑總面積的14%[3]，公共建筑能耗是全國居住建筑平均電耗的2.5～3.5倍。本文選擇公共建筑中最常用的2萬m2以下城鎮(zhèn)中小型辦公建筑進行研究。

根據(jù)2019年國家統(tǒng)計局辦公建筑落成量數(shù)據(jù)顯示，2018年為35 842.23萬m2，而2019年1～7月辦公樓施工面積為34 416.34萬m2，其中的72.3%位于各省的省會城市，而寧夏辦公建筑落成量306.01萬m2，有85.3%位于銀川。因此，本文以銀川辦公建筑作為研究對象。

1.2 研究方法

本研究需要在建筑圍護結構最優(yōu)組合的基礎上找到與建筑節(jié)能設計因素最優(yōu)條件下的組合，使用的研究方法如下：

（1）文獻調查法：從建筑節(jié)能多目標優(yōu)化方面進行文獻的調研梳理、分析，整理現(xiàn)階段建筑節(jié)能設計的優(yōu)化方向與策略，為多目標尋優(yōu)結果的驗證做準備工作。

（2）遺傳算法：通過遺傳算法對選取建筑圍護結構因子進行迭代計算和生存適應性分析，最終得出在約束條件內最優(yōu)的設計參數(shù)組合，為實際建筑節(jié)能設計提供參考。

（3）軟件模擬法：使用模擬軟件得出優(yōu)化前后的建筑全年能耗值，便于與建筑節(jié)能優(yōu)化結果進行對比驗證。

2 銀川辦公建筑多目標節(jié)能優(yōu)化設計

2.1 建立基準模型

對算例城市所有建筑信息Python進行建筑坐標、建筑長度、寬度、高度、面積、地址及名稱信息進行數(shù)據(jù)獲取，得到建筑外輪廓以長方形為主，建筑長度40～60 m，建筑寬度14～18 m，建筑高度5層。結合GB50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》及《建筑師資料集》，確定嚴寒地區(qū)建筑模型為40 m×14 m×18 m體塊，單層面積為480 m2，層高3.6 m，5層。

根據(jù)相關節(jié)能標準規(guī)定，銀川的供熱期為當年11月1日至次年3月31日。夏季室內計算溫度26℃，冬季室內計算溫度20℃，新風量每人30 m3/h，每1間辦公室設置2人，系統(tǒng)運營時間：每周一到周五09：00～18：00（雙休日關閉），計算關閉了照明能耗計算模塊。根據(jù)文獻調研情況及規(guī)范推薦的選擇塑料窗框以及中空玻璃為窗的材料；墻體材料選擇加氣混凝土砌塊，建筑屋面保溫材料選擇聚苯乙烯泡沫板（EPS板）[4]；建筑圍護結構選取當前銀川常見的典型構造做法作為基準。

2.2 多目標優(yōu)尋優(yōu)方法

建筑節(jié)能設計受多因素影響，正交試驗設計法是目前最常用的建筑節(jié)能優(yōu)化多目標尋優(yōu)方式，通過建立各因素的垂直與水平正交表[5]，以隨機因子組合的方式進行試驗，從而在試驗中找出各因子的影響權重和最優(yōu)解。遺傳算法在試驗次數(shù)上遠超過正交試驗設計法，且因為存在個體進化后的迭代計算，其計算結果要優(yōu)于正交試驗設計法產生的解。因此，在正交試驗的基礎上，本文選用遺傳算法的方式進行建筑節(jié)能設計進一步優(yōu)化計算，使用謝菲爾德大學研發(fā)的遺傳算法工具箱[6]，通過Matlab實現(xiàn)遺傳算法，實現(xiàn)尋優(yōu)[7]。

根據(jù)我國嚴寒及寒冷地區(qū)建筑耗熱量組成分析，在嚴寒及寒冷地區(qū)建筑圍護結構占比最大的3個部分為外墻、窗戶、屋面。而空氣滲透耗熱量需要通過提高門窗氣密性指標來減少能耗。本文針對建筑圍護結構進行銀川地區(qū)辦公建筑建筑節(jié)能設計研究，因此選取了建筑圍護耗熱量指標最大的5個因素作為主要的研究對象。

根據(jù)GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》辦公建筑能耗約束值，A類辦公建筑的約束值為55～65 kW·h/（m2·a）。建筑模型通過GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計規(guī)范》給出的參數(shù)進行設置。對銀川氣候條件下建筑的組合通過正交試驗進行25組能耗模擬，建筑模型通過GB 50189—2015給出的參數(shù)進行設置，能耗模擬結果均在A類辦公建筑的約束值55～65 kW·h/（m2·a）之內，基準建筑的平均能耗為57.31 kW·h/（m2·a）。

根據(jù)正交試驗的極差R，在銀川建筑模型中對建筑能耗的影響因素大小為：外墻（1036.27）＞外窗（977.28）＞屋面（782.33）＞朝向（532.17）＞窗墻比（267.35）。因此重點針對外墻、外窗、屋面進行優(yōu)化，并通過Design Builder模擬軟件建立典型模型進行能耗模擬分析。

2.3 多目標函數(shù)的構建

對于公共建筑，由于在GB 50189—2015中并未明確規(guī)定公共建筑設計的耗熱量指標，只需要設計建筑的相應數(shù)值滿足規(guī)范限值即認為達到公共建筑節(jié)能設計標準要求。GJ26—2018《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》中有明確的建筑耗熱量指標計算公式[7]，結合建筑耗熱量公式，得到本文針對建筑圍護結構的成本公式。最后在遺傳算法中，這2個子目標函數(shù)視作2個平等個體進行迭代分析，因此2個子目標函數(shù)的權重各占50%，得出目標函數(shù)設為F（K），如式（1）所示：

2.4 遺傳算法參數(shù)設置

上文中構建了遺傳算法需要的目標函數(shù)，通過Design Builder建筑能耗軟件實現(xiàn)了建筑耗熱量與建筑耗電量計算結果的轉換。根據(jù)建筑圍護結構熱損失占比情況，確定遺傳因子，根據(jù)GB50189—2015要求的建筑圍護結構規(guī)范值進行遺傳適應度的約束。由建立的建筑模型計算可得，建筑體型系數(shù)約為0.28，根據(jù)GB50189—2015要求，體型系數(shù)≤0.3時，建筑屋面、外墻、外窗的傳熱系數(shù)K取值分別為：屋面≤0.45 W/（m2·K）、外墻≤0.50W/（m2·K）、單一立面外窗為1.0～3.0 W/（m2·K）。傳熱系數(shù)規(guī)范要求的區(qū)間就是遺傳算法的約束值函數(shù)。

根據(jù)相關節(jié)能標準規(guī)定及規(guī)范推薦，選擇塑料窗框以及中空玻璃為窗的材料；墻體保溫材料采用加氣混凝土砌塊；建筑屋面保溫材料采用EPS板；建筑圍護結構選取當前銀川常見的典型構造做法作為基準。

2.5 遺傳算法計算過程

給出所有目標函數(shù)需要的參數(shù)后，經(jīng)過105 h不間斷的計算機模擬，圖1為遺傳算法每一代的最佳適應度和平均適應度結果。圖中圓形離散點為銀川辦公建筑外圍護結構優(yōu)化參數(shù)的最佳適應度，即當前代數(shù)中最佳值；方形離散點為銀川辦公建筑外圍護結構優(yōu)化參數(shù)平均適應度，代表當前代數(shù)中所有參數(shù)的平均優(yōu)化結果解集。

圖1 銀川仿真模擬遺傳最佳適應度和平均適應度

在每一次的計算過程中，建筑圍護結構各參數(shù)當次優(yōu)化的最佳結果和每次優(yōu)化計算平均結果的差距大小。當2個結果重合時，代表當前優(yōu)化最佳值達到了外圍護結構平均能耗和經(jīng)濟最優(yōu)的水平。這一次計算的結果就是最終的尋優(yōu)結果。其輸出結果為在能耗最優(yōu)、經(jīng)濟最優(yōu)條件下的外墻傳熱系數(shù)、外窗傳熱系數(shù)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

2.6 遺傳算法計算結果

銀川建筑圍護結構的計算結果表明，在設置的遺傳總代數(shù)100中，計算至81代達到了進化的極限，于81代停止運算，有效計算次數(shù)81次。計算結果的個體差異距離與期望值重合時，遺傳計算的各因子為最佳值，本代的參數(shù)結果即得出外墻、屋面及外窗傳熱系數(shù)的設計最優(yōu)值。根據(jù)遺傳算法，建筑外墻、建筑外窗、建筑屋面圍護結構最優(yōu)的傳熱系數(shù)分別為0.385、1.21、0.158 W/（m2·K）。

2.7 優(yōu)化結果驗證

根據(jù)上述輸出結果，通過將建筑模型的圍護結構設計參數(shù)調整為最優(yōu)值結果：外墻傳熱系數(shù)0.38 W/（m2·K）、外窗傳熱系數(shù)1.2 W/（m2·K）、建筑屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.16 W/（m2·K），此時辦公建筑模型的建筑耗電量為47.58 kW·h/（m2·a）。根據(jù)基準模型的平均耗電量為57.84 kW·h/（m2·a）計算，其節(jié)能率達到了基準建筑的15.1%，在只進行圍護結構優(yōu)化的條件下，最高可使圍護結構能耗負荷降低15%，使建筑達到低能耗辦公建筑標準。

3 銀川辦公建筑外圍護結構優(yōu)化設計

根據(jù)遺傳算法優(yōu)化結果并且滿足傳熱系數(shù)要求的情況下，綜合成本和節(jié)能雙重目標，推薦以下外圍護結構優(yōu)化設計。

3.1 外墻

據(jù)調研當?shù)赝扑]建筑圖集可知，銀川公共建筑外墻結構多采用外墻外保溫技術，結合當?shù)亟ㄖ皻夂蛱攸c，選取常見構造做法如圖2所示。

圖2 外墻推薦構造做法

根據(jù)遺傳算法所得到當?shù)刈钸m宜的外墻傳熱系數(shù)，提出可推薦適宜的保溫材料及保溫層厚度見表1。

表1 銀川外墻外保溫參數(shù)

隨著外保溫層厚度的增加，外墻傳熱系數(shù)逐漸減小，當保溫層厚度取90 mm時最接近遺傳算法所得出的最優(yōu)結論，此時外墻傳熱系數(shù)為0.385 W/（m2·K）。因此，對于寧夏地區(qū)外墻外保溫材料推薦EPS板，材料厚度推薦90 mm厚。

3.2 外窗

根據(jù)遺傳算法尋優(yōu)結果，外窗傳熱系數(shù)為1.0W/（m2·K），模型原型使用的窗戶為5白玻+12A空氣+5白玻的雙層中空玻璃窗，為滿足外窗傳熱系數(shù)尋優(yōu)要求，需要在原有基礎上由雙層中空玻璃窗變?yōu)?層中空玻璃窗。不同空氣層厚度對外窗傳熱系數(shù)的影響見表2。

表2 空氣層厚度對外窗傳熱系數(shù)的影響

通過表2可知，隨著中空玻璃的層數(shù)及空氣層厚度的增加，外窗的傳熱系數(shù)降低。根據(jù)遺傳算法所得出的最優(yōu)結論，外窗傳熱系數(shù)為1.21 W（m2·K）時最優(yōu)，因此對于銀川地區(qū)推薦塑料窗框以及空氣層厚度為12 mm+16 mm的3層中空玻璃。

3.3 屋面

遺傳算法尋優(yōu)結果表明，屋面圍護結構外保溫傳熱系數(shù)需要達到0.158 W（m2·K）。在原有模型的建筑構造做法上，增加EPS保溫板厚度，不同厚度EPS屋面圍護結構的傳熱系數(shù)見表3。

表3 不同厚度EPS屋面圍護結構的傳熱系數(shù)

根據(jù)表3可知，原有屋面保溫層厚度為60 mm，需要加厚到220 mm才可以滿足尋優(yōu)結果的計算要求。

4 結論

（1）通過銀川辦公建筑模型的建立，對模型的建筑參數(shù)進行設置，采用正交試驗設計法的隨機試驗模擬了模型能耗情況，利用遺傳算法對模型的建筑參數(shù)進行多目標的尋優(yōu)。結果表明，在原有模型基礎上，銀川辦公建筑圍護結構的設計參數(shù)仍有優(yōu)化空間，根據(jù)遺傳算法的尋優(yōu)結果為建筑外墻傳熱系數(shù)0.385 W/（m2·K），現(xiàn)有規(guī)范設計即可滿足需要；建筑外窗傳熱系數(shù)1.21 W/（m2·K），需要使用3層中空玻璃，推薦塑料窗框以及空氣間層厚度為12 mm+16 mm；在原有模型的建筑構造做法上，進行EPS保溫板厚度的增加。屋面需要加厚到220 mm才可以滿足尋優(yōu)結果的計算要求。

（2）基于遺傳算法的多目標尋優(yōu)方法，可達到節(jié)能優(yōu)化的設計需求，并有效控制設計成本。經(jīng)計算，建筑模型的全年綜合非供暖能耗下降至47.58 kW·h/（m2·a），相較于根據(jù)基準模型的平均耗電量57.84 kW·h/（m2·a），在只進行圍護結構優(yōu)化的條件下，最高可使圍護結構能耗負荷降低15%。