魯月紅，王盛衛(wèi)，黃志甲( .安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，馬鞍山 4303；.香港理工大學(xué) 屋宇設(shè)備工程系，香港 999077 )

一種零能耗建筑可再生能量系統(tǒng)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)法

魯月紅1，王盛衛(wèi)2，黃志甲1
( 1.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，馬鞍山 243032；2.香港理工大學(xué) 屋宇設(shè)備工程系，香港 999077 )

可再生能量系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)建筑零能耗目標(biāo)的關(guān)鍵因素，基于傳統(tǒng)的歷史平均參數(shù)或者典型氣候年的設(shè)計(jì)方案容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)的系統(tǒng)過(guò)大或不滿足性能要求。利用確定參數(shù)設(shè)計(jì)的零能耗建筑可再生能量系統(tǒng)在不同年份的運(yùn)行情況究竟如何？本研究提出了一種基于不確定性分析的零能耗建筑可再生能量系統(tǒng)的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以香港零碳建筑為案例進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，利用Monte Carlo抽樣得到500年的樣本參數(shù)。研究結(jié)果顯示：基于確定參數(shù)得到的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可靠度為54.4%。同時(shí)，當(dāng)設(shè)計(jì)方案的能量不匹配率高于30%時(shí)其實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)的可靠度為1?？煽慷扰c能量不匹配率的擬合公式可為設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段提供一種衡量設(shè)計(jì)方案可靠度的途徑。

零能耗建筑；優(yōu)化設(shè)計(jì)；Monte Carlo；可靠度

0 引言

1976年，丹麥技術(shù)大學(xué)的Torben V.Esbensen 等通過(guò)利用太陽(yáng)能為建筑物供暖的理論和實(shí)驗(yàn)研究，首次提出了“零能耗建筑”(zero energy house)[1]。在隨后的30余年，關(guān)于零耗建筑的研究逐漸增加[2-10]。2010年，歐洲建筑性能指南提出自2020年歐盟成員國(guó)所有新建建筑達(dá)到零能耗的目標(biāo)；美國(guó)于2008年提出至2030年新建建筑達(dá)到零能耗的目標(biāo)。此外，中國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)也制定了類似的推進(jìn)零能耗建筑發(fā)展的政策。如何實(shí)現(xiàn)建筑的零能耗目標(biāo)？主要通過(guò)以下三步[10-11]：

(1)建筑物被動(dòng)式設(shè)計(jì)(圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能、門窗的氣密性、遮陽(yáng)等)減少采暖制冷能耗；

(2)提高能源利用效率減少建筑物室內(nèi)設(shè)備(采暖、空調(diào)、照明等)的運(yùn)行期間能耗；

(3)利用可再生能源(太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物柴油等)為建筑物提供能源。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外紛紛推出了示范性質(zhì)的零能耗建筑項(xiàng)目，包括英國(guó)的貝丁頓零能耗社區(qū)，臺(tái)灣的“綠色魔法學(xué)?！?，上海建科院的“零能耗”示范性別墅，上海交通大學(xué)的“中意綠色能源樓”，天津生態(tài)城“零能耗”會(huì)所等，可見(jiàn)，零能耗建筑有望在不久的將來(lái)走進(jìn)尋常百姓的生活，為緩解全球性的能源和環(huán)境危機(jī)提供發(fā)展的方向。

零能耗建筑的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)的首要關(guān)鍵步驟，常規(guī)建筑包括零能耗建筑的設(shè)計(jì)?；诖_定性設(shè)計(jì)方法，其采用歷史氣候的平均參數(shù)或者典型代表年的氣候參數(shù)[15]。目前已有較多研究基于某一年的氣象參數(shù)或平均氣象參數(shù)模擬驗(yàn)證了零能耗建筑在不同地區(qū)的可行性。Eshraghi等[12]理論的驗(yàn)證了德黑蘭一戶典型獨(dú)立式住宅通過(guò)利用太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能光伏板可實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)。Guilherme Carriho等[13]證明了在溫和南歐氣候區(qū)域通過(guò)適度增加初始投資，一戶典型家庭住宅可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能零能耗建筑。Wang等[14]采用TRNSYS和EnegryPlus軟件理論分析了建筑通過(guò)利用可再生能源發(fā)電(太陽(yáng)能光伏板和風(fēng)能發(fā)電)、太陽(yáng)能熱水器及高效供熱系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)。Fong等[16]基于香港典型氣候年份的參數(shù)，利用TRNSYS模擬一戶三層建筑在典型亞熱帶氣候下能否實(shí)現(xiàn)零能耗指標(biāo)。Iqbal[17]利用HOMER軟件對(duì)紐芬蘭(Newfoundland)建筑中使用風(fēng)能發(fā)電進(jìn)行了模擬和優(yōu)化，該模擬采用了10年的平均氣象參數(shù)驗(yàn)證了風(fēng)能發(fā)電實(shí)現(xiàn)建筑零能耗目標(biāo)的可行性。Lu et al.基于香港零碳建筑及香港典型氣候年1987年氣象參數(shù)，分析了兩種優(yōu)化法(GA和NSGA-II)在低能耗/零能耗建筑中可再生能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化[18]。Sun et al.[19]提出一種基于不確定性及多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)的零能耗建筑系統(tǒng)的優(yōu)化方法，結(jié)果表明建筑的峰值冷負(fù)荷近似服從正態(tài)分布，峰值冷負(fù)荷的選取直接決定了HVAC系統(tǒng)選型，進(jìn)而也影響了可再生能源系統(tǒng)(RES)尺寸的選型。Zhang et al.[20]考慮了物性參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)三種類型的不確定性參數(shù)對(duì)零能耗建筑可再生能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，利用蒙特卡洛法研究了在不確定性參數(shù)影響下的每一年能量平衡情況，通過(guò)評(píng)估零能耗建筑的三個(gè)指標(biāo)的平均性能(初始投資、年能量平衡可靠性及電網(wǎng)壓力)確定RES系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

基于歷史氣候的平均參數(shù)或者典型代表年氣象參數(shù)的確定性設(shè)計(jì)方法具有一定的代表性，在實(shí)際運(yùn)行中，零能耗建筑的供能系統(tǒng)和耗能系統(tǒng)都受到眾多不確定參數(shù)的影響(如：太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、室外空氣的溫濕度、室內(nèi)溫度設(shè)定的高低、電燈的開(kāi)關(guān)、動(dòng)態(tài)電價(jià)等)。本文對(duì)幾個(gè)主要的不確定參數(shù)對(duì)零能耗建筑可再生能量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，量化其對(duì)可再生能量系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的影響，并給不確定性分析不同設(shè)計(jì)方案運(yùn)行500年的綜合性能指標(biāo)及可靠度，并利用窮舉搜索法尋找最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1 思路及方案

如圖1，對(duì)于常規(guī)建筑，基于確定性方法可在所有設(shè)計(jì)方案可行域A中搜索到最優(yōu)化的方案(O)。對(duì)于零能耗建筑，限于零能耗的目標(biāo)，所有滿足的設(shè)計(jì)方案可行域B必然小于常規(guī)建筑的設(shè)計(jì)方案可行域A，基于確定性方法和優(yōu)化搜索法可尋找其最優(yōu)化方案(O′)；考慮參數(shù)的不確定性影響時(shí)，滿足零能耗目標(biāo)的所有設(shè)計(jì)方案可行域C再次縮小，通過(guò)優(yōu)化搜索法可尋找其最優(yōu)化方案(O”)。

圖1 不同設(shè)計(jì)要求下最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案其中：A-常規(guī)建筑的所有設(shè)計(jì)方案；B-基于確定性方法零能耗建筑所有設(shè)計(jì)方案；C-基于穩(wěn)健方法的零能耗建筑所有設(shè)計(jì)方案；O/O′/O” -最優(yōu)設(shè)計(jì)方案.

1.1 基于不確定性分析的零能耗建筑可再生能量系統(tǒng)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法

零能耗建筑的設(shè)計(jì)受到眾多不確定性參數(shù)的影響，本研究擬采用Monte Carlo對(duì)不確定性參數(shù)進(jìn)行抽樣，利用窮舉搜索法對(duì)可再生能量系統(tǒng)的所有方案進(jìn)行比較，具體步驟如下：

(1)確定零能耗建筑的能量系統(tǒng)、尺寸搜索范圍、能量系統(tǒng)的參數(shù)及設(shè)計(jì)工況(如氣象參數(shù)、室內(nèi)人數(shù)、室內(nèi)空氣溫濕度設(shè)定值等)；

(2)建立零能耗建筑模型、能量系統(tǒng)模型及數(shù)學(xué)優(yōu)化模型；

(3)確定設(shè)計(jì)工況中不確定性參數(shù)(如氣象參數(shù)、室內(nèi)負(fù)荷等)及其分布，利用蒙特卡洛法對(duì)不確定性參數(shù)進(jìn)行抽樣得到樣本參數(shù)集；

(4)基于零能耗建筑能量系統(tǒng)模型及目標(biāo)函數(shù)，利用窮舉搜索法對(duì)系統(tǒng)尺寸進(jìn)行搜索計(jì)算，分

析每一組尺寸的能量不匹配率、可靠度及綜合性能指標(biāo)。最后根據(jù)綜合性能指標(biāo)進(jìn)行排序，獲得可再生能量系統(tǒng)的最優(yōu)尺寸方案。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及目標(biāo)函數(shù)

零能耗建筑不同方案的能量不匹配率(ε)及可靠度(γ)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別見(jiàn)公式(1)和(2)。能量不匹配率定義為該設(shè)計(jì)方案下建筑在一年中的產(chǎn)能與耗能差異的比率，ε>0表示產(chǎn)能大于耗能；ε<0表示產(chǎn)能小于耗能?？煽慷缺碚鹘ㄖ?shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)的概率大小，可靠度值越大表明實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)的可能性就越大，當(dāng)可靠度γ為1時(shí)，該設(shè)計(jì)方案可滿足所有年份的零能耗目標(biāo)。其中WPV，WWT，WBDG，分別為PV，WT及BDG發(fā)電量；Wec，Wpump，Wct，Wfan，Wother分別為制冷機(jī)、水泵、冷卻塔、風(fēng)機(jī)及其他負(fù)荷的耗電量。n為總的模擬年數(shù)，n′為滿足零能耗目標(biāo)的年數(shù)。

(1)

(2)

為了尋找可再生能量系統(tǒng)的最佳尺寸，目標(biāo)函數(shù)(即綜合性能指標(biāo))考慮三個(gè)子目標(biāo)：年成本(f1，i)，CO2排放(f2，i)及電網(wǎng)影響系數(shù)(f3，i)，見(jiàn)公式(3)。其中，矩陣X為設(shè)計(jì)變量，矩陣U為不確定性參數(shù)，f1，i，f2，i和f3，i分別為第i年的標(biāo)準(zhǔn)化的年成本，CO2排放及電網(wǎng)影響系數(shù)。

(3)

s.t. AX≤a

g1(X，U)≥0

g2(X，U)=0

圖2 基于不確定性分析的穩(wěn)健設(shè)計(jì)步驟

本研究中，太陽(yáng)輻射量(I)，風(fēng)速(vwind)，建筑冷負(fù)荷(Q)及其他負(fù)荷(Wother)為四種不確定性參數(shù)，即矩陣U。這些參數(shù)均假定服從均勻分布(見(jiàn)表2)，δ為各參數(shù)的波動(dòng)上下限。

2 應(yīng)用分析

2.1 香港零碳建筑簡(jiǎn)介

以香港零碳建筑為研究對(duì)象(圖3)，利用穩(wěn)健設(shè)計(jì)法對(duì)其可再生能量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。香港零碳建筑于2012年在香港建造業(yè)議會(huì)與特區(qū)政府發(fā)展局共同合作下落成啟用，該建筑充分應(yīng)用節(jié)能設(shè)計(jì)，包括地下預(yù)冷管、捕風(fēng)器、高流量低轉(zhuǎn)速吊扇、冷梁冷卻系統(tǒng)及除濕設(shè)計(jì)。建筑面向東南且在夏季較易獲得自然通風(fēng)，覆蓋占地面積約14700 m2，空調(diào)房間面積約995m2。建筑共有三層，包括兩間展覽廳，兩間環(huán)保辦公室，兩間會(huì)議室，一間多功能房間和一間生態(tài)環(huán)保屋?？照{(diào)房間室內(nèi)夏季設(shè)計(jì)溫度為24℃，相對(duì)濕度60%。建筑的設(shè)計(jì)峰值冷負(fù)荷為163kW，冷負(fù)荷由三臺(tái)電制冷機(jī)和一臺(tái)吸收式制冷機(jī)共同承擔(dān)。本研究中假定建筑的所有負(fù)荷由PV(光伏板)、WT(風(fēng)能發(fā)電機(jī))及BDG(生物柴油發(fā)電機(jī))提供，建筑及其能量系統(tǒng)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。建筑中HVAC系統(tǒng)(泵，風(fēng)機(jī)，電/吸收式制冷機(jī)，AHU)及可再生能量系統(tǒng)(PV，WT和BDG)采用Lu et al.在文獻(xiàn)[18]中的系統(tǒng)模型。

表1 建筑/能量系統(tǒng)的主要參數(shù)

參數(shù)類型規(guī)格建筑本體朝向東南方向建筑空調(diào)面積995m2窗墻比<10%～40%遮陽(yáng)45°墻U值<1.0W/m2/K屋頂U(kuò)值<1.0W/m2/K最大冷負(fù)荷(設(shè)計(jì)值)163kW系統(tǒng)PV1015m2生物油發(fā)電機(jī)BDG額定功率100kW電驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)70kW×3,COPN=4.2吸收式制冷機(jī)70×1熱回收效率0.8生物油發(fā)電機(jī)效率0.3吸收式制冷機(jī)COP0.7BDG(生物油發(fā)電機(jī))價(jià)格205.53USD/kWPV(光伏板)價(jià)格378.17USD/m2WT(風(fēng)能發(fā)電機(jī))價(jià)格714.29USD/kWBDG使用壽命40000hPV使用壽命20yearsWT使用壽命20years其他油價(jià)1.3USD/l電網(wǎng)供電CO2排放系數(shù)0.608生物油發(fā)電CO2排放系數(shù)0.552電網(wǎng)供電電價(jià)0.13USD/kWh余電補(bǔ)助價(jià)格0.065USD/kWh

圖3 香港零碳建筑鳥(niǎo)瞰圖

可再生能量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍分別是PV面積0～2000m2，每組間隔100m2，WT額定功率0～40kW，每組間隔5kW，BDG額定功率0～60kW，每組間隔5kW?？傇O(shè)計(jì)方案為2457個(gè)(21×9×13)?？紤]四種主要的不確定性參數(shù)，分別是太陽(yáng)能輻射，風(fēng)速，冷負(fù)荷及其他負(fù)荷(照明、電腦用電等負(fù)荷)，假定四個(gè)參數(shù)相互獨(dú)立并服從均勻分布，利用Monte Carlo進(jìn)行抽樣(樣本數(shù)為500)，具體參數(shù)特性見(jiàn)表2。四種主要參數(shù)在典型日的分布見(jiàn)圖4。

2.2 結(jié)果分析

本優(yōu)化設(shè)計(jì)總方案為2457個(gè)，每個(gè)方案評(píng)估其500年的平均性能，所有方案的性能如圖5所示，在尺寸搜索范圍內(nèi)其能量不匹配率波動(dòng)范圍為-100%～100%，覆蓋了合理可行的設(shè)計(jì)范圍。綜合性能指標(biāo)值(f＿ave)隨著能量不匹配率ε的增加先降低后增加。當(dāng)ε低于-20%時(shí)，零能耗建筑可靠度γ為0，意味著該設(shè)計(jì)方案不可能實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)。當(dāng)ε高于30%時(shí)，γ為1，意味著該設(shè)計(jì)方案在任何情況下均可實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)。

對(duì)于常規(guī)建筑，最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案為區(qū)域A中的O點(diǎn)(PV=700 m2，WT=40 kW，BDG=25 kW，f_ave=0.691，ε=-14.75%，γ=0.042)；對(duì)于設(shè)計(jì)要求為可靠度不低于0.5的零能耗建筑，最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案為區(qū)域B中的O′點(diǎn)(PV=900 m2，WT=40 kW，BDG=30 kW，f_ave=0.706，ε=1.46%，γ=0.544)。模擬結(jié)果顯示O′點(diǎn)即為基于典型年1987年所得優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，其可靠度為54.4%；對(duì)于設(shè)計(jì)要求可靠度為1的零能耗建筑，最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案為區(qū)域C中的O＂點(diǎn)(PV=1400 m2，WT=40 kW，BDG=30 kW，f_ave=0.772，ε=25.77%，γ=1)，滿足建筑運(yùn)行500年均實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)。

表2 參數(shù)的特性

參數(shù)范圍/條件備注設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍WT(kW)0∶5∶40BDG(kW)0∶5∶60PV(m2)0∶100∶2000總的設(shè)計(jì)方案(N):9×13×21=2457不確定性參數(shù)及其分布太陽(yáng)能輻射(Iirra)Uniform(δI=±0.2)風(fēng)速(vwind)Uniform(δvwind=±0.1)冷負(fù)荷(Qc)Uniform(δQ=±0.3)其他負(fù)荷(Wother)Uniform(δOther=±0.15)假定:四個(gè)參數(shù)互相獨(dú)立方法基于確定性分析的設(shè)計(jì)典型氣候年1987窮舉搜索法基于不確定性分析的設(shè)計(jì)n=500年MonteCarlo&窮舉搜索法

圖4 典型日的可再生能源及建筑負(fù)荷分布

在不同的可靠度要求下，可再生能量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如表3所示。WT的尺寸始終保持在最大值40kW，同時(shí)，PV和BDG的尺寸分別在25～35kW及700～1400m2之間波動(dòng)。高可靠度會(huì)降低建筑的綜合性能(綜合性能指標(biāo)越低表示性能越好)和較大的能量不匹配率(圖6所示)，設(shè)計(jì)者可根據(jù)可靠度的需求在設(shè)計(jì)階段選擇合適的方案。

一般來(lái)說(shuō)，一棟建筑能否實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)在很大程度上取決于可再生能量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。能量不匹配率可用來(lái)對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分類。圖5中顯示當(dāng)設(shè)計(jì)方案的能量不匹配率低于-20%時(shí)，可靠度保持在最小值為0；當(dāng)能量不匹配率高于30%時(shí)，可靠度保持在最大值為1。圖7顯示了設(shè)計(jì)方案的能量不匹配率在-20%～30%之間時(shí)，其可靠度的擬合關(guān)系，擬合公式為：y=-999.75x6+483.69x5+80.297x4-64.531x3-1.3263x2+4.2483x+0.4828(R2=1)。因此，利用該擬合公式可對(duì)零能耗建筑不同可再生能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可靠度進(jìn)行評(píng)估和比較。

圖5 不同設(shè)計(jì)方案的綜合性能指標(biāo)及可靠度

圖6 不同可靠度的建筑綜合性能指標(biāo)及能量不匹配率

表3 基于不確定性分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及其性能

限制條件優(yōu)化方案性能最低可靠度WT(kW)BDG(kW)PV(m2)f_aveεγ備注040257000.691-14.8%0.042O0.140258000.692-10.0%0.1240.240259000.696-5.3%0.270.340308000.699-3.4%0.3460.4402510000.703-0.5%0.4620.540309000.7061.5%0.544O'0.6402511000.7124.3%0.640.7403010000.7166.3%0.720.8402512000.7239.0%0.820.9403510000.73513.0%0.921403014000.77225.8%1O”

圖7 可靠度與能量不匹配率的擬合關(guān)系

3 結(jié)論

本文提出了一種基于不確定性分析的零能耗建筑可再生能量系統(tǒng)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，對(duì)香港零碳建筑的不同設(shè)計(jì)方案運(yùn)行500年的性能進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示基于確定性分析得到的優(yōu)化方案(O′)實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)的可靠度為54.4%。當(dāng)設(shè)計(jì)方案的能量不匹配率低于-20%時(shí)，實(shí)現(xiàn)零能耗的可靠性為0；高于30%時(shí)，可靠度為1；當(dāng)介于-20%和30%之間時(shí)，可用擬合公式近似獲得不同能量不匹配率下的可靠度?？煽慷雀叩脑O(shè)計(jì)方案其綜合性能較低且有較大的能量不匹配率。

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Robust Optimal Design of Renewable Energy System in Nearly/Net Zero Energy Buildings

LU Yuehong1，WANG Shengwei2，HUANG Zhijia1

( 1.Anhui University of Technology，Ma′anshan in Anhui，243032，China； 2.The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong，999077，China )

Renewable energy systems are one of the key factors for achieving nearly/net zero energy buildings.Most existing studies on design optimization of net zero energy building(nZEB)are conducted based on deterministic data/information.However，this method can easily cause an oversizing system or unsatisfactory performance facing different conditions.This study，therefore，proposed a robust design method for sizing renewable energy systems for nZEB concerning uncertainties in renewable resources and demand load.The proposed robust design method is applied to the planning of renewable energy system for the Hong Kong Zero Carbon Building.Monte Carlo simulation is used to generate 500 samples.Results show that the optimal design option obtained based on deterministic data has the reliability of 54.4%，and the reliability can achieve 1 when the mismatch ratios of design options are above 30%.It is meaningful to obtain a fitting function to identify the relationship between the probability to achieve annual zero energy balance and mismatch ratio within -20% to 30%.The proposed method provides flexibility to designers in selecting appropriate design options according to the reliability required to be nZEB during the design stage.

Zero energy building；Robust design；Monte Carlo simulation；Reliability

2016-9-24

魯月紅(1987-)，女，副教授，主要從事零能耗/零碳建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制研究。Email:luyuehongtuzi@163.com

ISSN1005-9180(2016)04-054-08

X382文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.010