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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計影響最大的問題，是現(xiàn)有辦公建筑在設(shè)計過程中，簡單地以滿足評價標準而設(shè)計，將建筑節(jié)能設(shè)計錯誤的理解為建筑節(jié)能技術(shù)的集成，造成過度的成本增量，并且在設(shè)計過程中對建筑圍護結(jié)構(gòu)之間相互影響的關(guān)系關(guān)注不足。從多種建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能組合的設(shè)計方案中比選出圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計的最優(yōu)方案，是建筑節(jié)能設(shè)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(gòu)造，以期為銀川地區(qū)辦公建筑節(jié)能設(shè)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(jié)構(gòu)最優(yōu)組合的基礎(chǔ)上找到與建筑節(jié)能設(shè)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(diào)查法：從建筑節(jié)能多目標優(yōu)化方面進行文獻的調(diào)研梳理、分析，整理現(xiàn)階段建筑節(jié)能設(shè)計的優(yōu)化方向與策略，為多目標尋優(yōu)結(jié)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(jié)構(gòu)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(nèi)最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)組合，為實際建筑節(jié)能設(shè)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(jié)果進行對比驗證。

2 銀川辦公建筑多目標節(jié)能優(yōu)化設(shè)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(jié)合GB50016—2014《建筑設(shè)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(guān)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(nèi)計算溫度26℃，冬季室內(nèi)計算溫度20℃，新風量每人30 m3/h，每1間辦公室設(shè)置2人，系統(tǒng)運營時間：每周一到周五09：00～18：00（雙休日關(guān)閉），計算關(guān)閉了照明能耗計算模塊。根據(jù)文獻調(diào)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(jié)構(gòu)選取當前銀川常見的典型構(gòu)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(shè)計受多因素影響，正交試驗設(shè)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(quán)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(shè)計法，且因為存在個體進化后的迭代計算，其計算結(jié)果要優(yōu)于正交試驗設(shè)計法產(chǎn)生的解。因此，在正交試驗的基礎(chǔ)上，本文選用遺傳算法的方式進行建筑節(jié)能設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行銀川地區(qū)辦公建筑建筑節(jié)能設(shè)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(shè)計規(guī)范》給出的參數(shù)進行設(shè)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(shè)置，能耗模擬結(jié)果均在A類辦公建筑的約束值55～65 kW·h/（m2·a）之內(nèi)，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(gòu)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(shè)計的耗熱量指標，只需要設(shè)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(shè)計標準要求。GJ26—2018《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》中有明確的建筑耗熱量指標計算公式[7]，結(jié)合建筑耗熱量公式，得到本文針對建筑圍護結(jié)構(gòu)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(quán)重各占50%，得出目標函數(shù)設(shè)為F（K），如式（1）所示：

2.4 遺傳算法參數(shù)設(shè)置

上文中構(gòu)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(jié)果的轉(zhuǎn)換。根據(jù)建筑圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)選取當前銀川常見的典型構(gòu)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(jié)果。圖中圓形離散點為銀川辦公建筑外圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)各參數(shù)當次優(yōu)化的最佳結(jié)果和每次優(yōu)化計算平均結(jié)果的差距大小。當2個結(jié)果重合時，代表當前優(yōu)化最佳值達到了外圍護結(jié)構(gòu)平均能耗和經(jīng)濟最優(yōu)的水平。這一次計算的結(jié)果就是最終的尋優(yōu)結(jié)果。其輸出結(jié)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(jié)果

銀川建筑圍護結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果表明，在設(shè)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(jié)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(jié)果即得出外墻、屋面及外窗傳熱系數(shù)的設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)果驗證

根據(jù)上述輸出結(jié)果，通過將建筑模型的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)調(diào)整為最優(yōu)值結(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的條件下，最高可使圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)遺傳算法優(yōu)化結(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

3.1 外墻

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

圖2 外墻推薦構(gòu)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(jié)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(jié)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(chǔ)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(jié)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(jié)果表明，屋面圍護結(jié)構(gòu)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(gòu)造做法上，增加EPS保溫板厚度，不同厚度EPS屋面圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)見表3。

表3 不同厚度EPS屋面圍護結(jié)構(gòu)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(jié)果的計算要求。

4 結(jié)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(shè)置，采用正交試驗設(shè)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(jié)果表明，在原有模型基礎(chǔ)上，銀川辦公建筑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)仍有優(yōu)化空間，根據(jù)遺傳算法的尋優(yōu)結(jié)果為建筑外墻傳熱系數(shù)0.385 W/（m2·K），現(xiàn)有規(guī)范設(shè)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(gòu)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(jié)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(shè)計需求，并有效控制設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的條件下，最高可使圍護結(jié)構(gòu)能耗負荷降低15%。