任繼勤,楊思佳,祁士偉,殷 悅

(北京化工大學 經(jīng)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(xù)發(fā)展理念提出的環(huán)保建筑,是當今建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢,國內(nèi)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]?；谌珘勖芷谝暯?將綠色建筑的效益研究分解為環(huán)境效益、經(jīng)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(jīng)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(fā)展,眾多學者將數(shù)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(shù)量化。目前廣泛采用的數(shù)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(jīng)網(wǎng)絡評價法[5]等。③綠色建筑的經(jīng)濟性研究。通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(jié)能措施是導致產(chǎn)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(jīng)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(jié)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(chǎn)生的增量效益最大化是最重要的內(nèi)容。因此,本文擬選擇綠色建筑的節(jié)能方案,分析綠色建筑節(jié)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(jié)能方案提供具有重要參考價值的依據(jù)。

2 綠色建筑節(jié)能項目綜合效益構成與測算

相對于傳統(tǒng)建筑,綠色建筑設計在規(guī)劃設計階段會產(chǎn)生增量設計成本,在項目移交后會產(chǎn)生維護成本等。綠色建筑節(jié)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(diào)、可再生能源系統(tǒng)、屋頂綠化5個方面。綠色建筑增量效益主要產(chǎn)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(xiàn)為綠色建筑節(jié)能的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。綠色建筑節(jié)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(jié)能技術而產(chǎn)生的額外投資[7]。綠色建筑節(jié)能項目的增量成本產(chǎn)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(diào)、可再生能源系統(tǒng)、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(tǒng)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(shù)據(jù)的可獲得性,本文只考慮運營階段的增量效益。經(jīng)濟效益主要來源于終端節(jié)電效益,其他方面的經(jīng)濟效益忽略不計;環(huán)境效益主要涉及能源消耗減少產(chǎn)生的CO2、SO2、NOX和煙粉塵減排價值,以及屋頂綠化釋放O2所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益;社會效益主要考慮節(jié)電綜合效益。從全壽命周期來看,綠色建筑在節(jié)能方面突出表現(xiàn)為節(jié)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(jīng)濟損失。本文選取S1經(jīng)濟、S2環(huán)境和S3社會效益中的節(jié)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(jié)能量;P為當?shù)仉妰r。

(3)

式中,S2j為采用第j種技術節(jié)能量;δ為電能轉化為標準煤的系數(shù),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(jié)電量(kW·h/m2·a);P3為節(jié)約電力投資和缺電損失額(元/kW·h)。

3 綠色建筑節(jié)能增量效益最大化優(yōu)化模型構建

3.1 節(jié)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(jié)能項目的增量效益和增量成本,構建目標函數(shù)。通過優(yōu)化模型,采用遺傳算法,找到項目的最優(yōu)解域,從中選取最優(yōu)的節(jié)能方案,最優(yōu)方案構建流程見圖2。

圖2 綠色建筑節(jié)能最優(yōu)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(jié)能量(節(jié)電量)，包括節(jié)電產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益、減排帶來的環(huán)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(jié)能設計效率是單位增量成本所產(chǎn)生的增量效益,取得值高的方案。

本文綜合考慮節(jié)能投入和節(jié)能效果兩方面,通過將兩者定量化,建立投入最小化和節(jié)能效果最大化兩個多目標。通過構建模型假設、目標函數(shù)和約束函數(shù),形成節(jié)能優(yōu)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(shù)解域的評價指標,以得出最優(yōu)節(jié)能方案。

3.2 假設條件和約束條件

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

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

3.3 目標函數(shù)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(shù)。

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

(5)

式中,ΔS為計算期內(nèi)增量效益,即節(jié)能經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益(元/m2);ΔQij為第i種技術第j種節(jié)能方案所產(chǎn)生的節(jié)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(jié)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(qū)的電價選取;P(ΔSa,i0,n)為增量效益的折現(xiàn)系數(shù),表示每年的增量效益為ΔSa、基準收益率為i0、代表企業(yè)對項目投資所期望的利益回報,一般取值區(qū)間為2%—12%；計算期為n,根據(jù)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(jié)能方案所產(chǎn)生的增量成本(元/m2),是決策者為節(jié)能技術i所選的第j種節(jié)能方案;nj為節(jié)能技術i所選的節(jié)能方案數(shù)。

節(jié)能設計效率,即單位增量成本產(chǎn)生的增量效益最大化:開發(fā)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(yōu)解f(Z1,Z2)的增量效益和增量成本。通過對Pareto最優(yōu)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(jié)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(shù)次逐代疊加,得到最優(yōu)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(shù)值進行搜索,具有搜索效率高、方法靈活、對目標函數(shù)要求不高、計算速度快等優(yōu)點。本文結合綠色建筑節(jié)能方案優(yōu)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(chǎn)生的節(jié)能量和增量成本;第三,基于獲取的節(jié)能量和增量成本數(shù)據(jù),使用遺傳算法對節(jié)能優(yōu)化模型進行求解。采用“節(jié)能設計效率"對Pareto最優(yōu)解域進行選擇,得到綠色建筑節(jié)能增量效益最優(yōu)方案。

4.1 案例選取和相關參數(shù)的設定

本文選擇夏熱冬冷地區(qū)的4層高辦公樓為研究對象,高20m,建筑面積約為8000m2,空調(diào)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(jié)能設計標準》,設定建筑的最低室內(nèi)參數(shù)作為基準,夏天溫度<26℃,冬天溫度<20℃,相對濕度%<70。

4.2 節(jié)能方案設計

本文基于圍護結構、照明、空調(diào)系統(tǒng)、可再生能源、屋頂節(jié)能5個指標,結合市場調(diào)研和資料分析,圍護結構有6種方案,照明有2種方案,空調(diào)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(jié)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(diào)系統(tǒng)、照明、可再生能源、屋頂節(jié)能5個指標,采用DeST軟件進行能耗模擬。經(jīng)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(jié)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(jié)能量時,必須保持照明、空調(diào)、屋頂?shù)茸兞坎蛔?采用基準方案中的參數(shù),經(jīng)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(jié)能量及增量成本,結果見表2。②照明系統(tǒng)2種技術的節(jié)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(jié)能燈兩個方案,結果見表2。③空調(diào)系統(tǒng)按輸送介質(zhì)、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(jié)能技術的設計方案。節(jié)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(jié)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(jié)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(nèi),因此模擬結果具有可靠性。

表2 五種技術方案的節(jié)能量和增量成本

4.4 最優(yōu)解與結果分析

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

Pareto最優(yōu)解組合方案為:空調(diào)采暖系統(tǒng)采用螺桿式電制冷機+直燃式溴化鋰機組，照明系統(tǒng)采用LED節(jié)能燈，屋頂節(jié)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(xiàn)值為24.98元/m2。

結果分析:①最優(yōu)組合是多種節(jié)能技術的合理選擇，這與其約束條件和目標函數(shù)密切相關,同時從側面說明本文所建優(yōu)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(jié)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(nèi),通過技術的最優(yōu)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(chǎn)生的增量效益與節(jié)能項目有關,其排序是:空調(diào)系統(tǒng)>照明系統(tǒng)>圍護結構和屋頂節(jié)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(jié)能功能項目綜合效益構成,構建多目標優(yōu)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(jié)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(chǎn)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(jù)自身條件進行選擇；②能為決策者呈現(xiàn)出最優(yōu)的節(jié)能技術組合;③單位增量成本所產(chǎn)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(jié)能方案的優(yōu)化結果。