摘要:為了提升農(nóng)村住宅的采光、能耗和熱舒適性等性能,借助Grasshopper平臺,選用Honeybee、Ladybug、Octopus插件,提出一種基于樹狀高斯過程全局敏感性分析的農(nóng)村住宅性能優(yōu)化方法;通過構(gòu)建基準(zhǔn)建筑模型,綜合分析設(shè)計參數(shù)對農(nóng)村住宅性能的影響,并進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。結(jié)果表明:農(nóng)村住宅的建筑朝向與建筑高度為影響建筑采光、能耗和熱舒適性的關(guān)鍵因素;與基準(zhǔn)建筑模型相比,利用所提出方法優(yōu)化后農(nóng)村住宅的建筑全年平均有效天然光照度為35.62%,略有增大,建筑冬季采暖能源使用強(qiáng)度為25.30kW·h/m2,減小了10%,客廳冬季平均熱舒適預(yù)計不滿意百分比為14.28%,減小了5%。
關(guān)鍵詞:農(nóng)村住宅;性能優(yōu)化;多目標(biāo)優(yōu)化;全局敏感性分析
中圖分類號:TU24
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
Abstract:Toimproveperformanceofruralresidencesintermsofdaylighting,energyconsumption,andthermalcomfort,aperformanceoptimizationmethodofruralresidencesbasedonglobalsensitivityanalysisoftreedGaussianprocesswasproposedwiththehelpofGrasshopperplatformandusingpluginsofHoneybee,Ladybug,andOctopus.Byestablishingabenchmarkbuildingmodel,impactsofdesignparametersontheperformanceoftheruralresidenceswerecomprehensivelyanalyzed,andmultiobjectiveoptimizationwascarriedout.Theresultsshowthatbuildingorientationandbuildingheightarekeyfactorsaffectingbuildingdaylighting,energyconsumption,andthermalcomfort.Comparedwiththebenchmarkbuildingmodel,theannualaverageusefuldaylightilluminanceoftheruralresidenceoptimizedbyusingtheproposedmethodis35.62%whichhasaslightincrease.Theenergyuseintensityofbuildingheatinginwinteris25.30kW·h/m2withadecreaseof10%,andtheaveragepredictedpercentageofdissatisfiedoflivingroominwinteris14.28%withadecreaseof5%.
Keywords:ruralresidence;performanceoptimization;multiobjectiveoptimization;globalsensitivityanalysis
在我國碳中和、碳達(dá)峰的時代背景下,節(jié)能減排成為各行各業(yè)愈發(fā)關(guān)注的課題[1]。農(nóng)村住宅在全國住宅建筑中占據(jù)重要地位[2],如何對既有農(nóng)村住宅進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化,是實現(xiàn)建筑業(yè)碳中和、碳達(dá)峰的重要方面;另外,隨著人民生活水平的不斷提高,農(nóng)村居民對居住環(huán)境的改善也不斷有新的要求[3],如何實現(xiàn)節(jié)能、采光、熱舒適等性能的均衡提升成為當(dāng)今農(nóng)村住宅建筑從業(yè)者共同面臨的問題,而常規(guī)的模擬優(yōu)化設(shè)計方法耗時較長且工作量大,難以實現(xiàn)對優(yōu)化結(jié)果的窮舉,存在諸多局限性。
智能優(yōu)化算法在處理復(fù)雜性、約束性、非線性等問題時具有突出能力,因此吸引了建筑師將其運用于建筑性能優(yōu)化,解決了以往優(yōu)化過程繁瑣、耗時較長以及結(jié)果單一等問題[4]。近年來相關(guān)研究[5-6]也在逐步推進(jìn),目前關(guān)于智能優(yōu)化算法的建筑相關(guān)研究主要集中在應(yīng)用遺傳算法對建筑性能進(jìn)行的多目標(biāo)優(yōu)化[7],并且以SPEAII、NSGAII、HypE算法最為廣泛;常見的優(yōu)化工具為基于Grasshopper平臺的Octopus插件和數(shù)學(xué)軟件MATLAB,以O(shè)ctopus插件居多[8]。張少飛[9]以全年動態(tài)評價指標(biāo)空間自主采光閾、年日照時數(shù)、有效天然光照度(usefuldaylightilluminance,UDI)等自然采光指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù),利用Grasshopper平臺參數(shù)化工具并結(jié)合SPEAII算法,針對某養(yǎng)老機(jī)構(gòu)建筑的側(cè)向采光口形狀和角度進(jìn)行優(yōu)化研究。楊崴等[10]對中國華北地區(qū)某博物館建筑進(jìn)行案例分析,以建筑能耗、生命周期成本、一次能耗以及全球變暖潛勢為目標(biāo)函數(shù),基于Grasshopper平臺,結(jié)合HypE算法,比較了不同優(yōu)化流程目標(biāo)集和變量設(shè)置對最優(yōu)解集的影響。Chegari等[11]以能耗和熱舒適性為指標(biāo),利用MATLAB軟件,結(jié)合NSGAII算法對摩洛哥馬拉喀什地區(qū)的某住宅的墻體、窗口、遮陽設(shè)備、熱橋以及通風(fēng)的熱物性參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。以上研究的優(yōu)化指標(biāo)多具有偏向性,缺乏對能耗、采光以及熱舒適的綜合性考慮。孫澄等[12]以建筑能耗、熱不舒適時間比、自主采光閾、UDI為目標(biāo)函數(shù),研究了嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑的幾何尺寸、構(gòu)造和運行等建筑參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。Sun等[13]以能源使用強(qiáng)度(energyuseintensity,EUI)、空間自主采光閾、UDI和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)成本為目標(biāo)函數(shù),對長春市公共圖書館大樓進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化研究。孫澄等[12]、Sun等[13]將優(yōu)化研究目標(biāo)拓展到建筑能耗、熱舒適、采光3個方面,使多目標(biāo)研究范圍更廣泛,但是因以城市中辦公和公共建筑為研究對象而缺乏針對農(nóng)村住宅的探討。湯兵[14]以外窗類型與不同方向的窗墻比作為外窗性能與尺度設(shè)計變量,借助Grasshopper平臺中的Ladybug、Honeybee、Octopus插件生成典型建筑模型并對寧夏紅寺堡生態(tài)移民住房進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。Zhu等[15]利用Rhino-Grasshopper模型提取并建立3種鄉(xiāng)村旅游建筑的基準(zhǔn)模型,應(yīng)用基于Pareto理論的多目標(biāo)優(yōu)化工具Octopus插件,探討鄉(xiāng)村旅游建筑的形狀和窗墻比對能耗、室內(nèi)采光和熱舒適性等方面性能的影響?,F(xiàn)有研究雖然嘗試了將優(yōu)化算法與農(nóng)村住宅的性能優(yōu)化相結(jié)合,但是都主要關(guān)注于優(yōu)化目標(biāo),缺乏對設(shè)計參數(shù)影響關(guān)系的綜合研究。
篩選、提取影響建筑性能的關(guān)鍵參數(shù)可以有效改善和提高優(yōu)化設(shè)計的合理性與精確性,節(jié)省優(yōu)化時間和成本,然而各參數(shù)與建筑性能之間的作用關(guān)系非常復(fù)雜,利用全局敏感性分析方法確定關(guān)鍵參數(shù)可以有效解決設(shè)計參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)間的非線性復(fù)雜關(guān)系問題。何成[16]利用全局敏感性分析,定量研究了37個設(shè)計參數(shù)的能耗敏感性,并得出庭院式建筑性能的關(guān)鍵參數(shù),論證了全局敏感性分析在建筑能耗分析中的合理性。本文中提出一種農(nóng)村住宅性能多目標(biāo)優(yōu)化方法,基于Grasshopper平臺,借助Honeybee、Ladybug、Octopus插件,以及Python、R語言等工具建立建筑基準(zhǔn)模型,搭建性能優(yōu)化平臺;同時結(jié)合基于樹狀高斯過程(treedGaussianprocess,TGP)的全局敏感性分析方法,進(jìn)行農(nóng)村住宅性能敏感性分析,綜合分析設(shè)計參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)的影響,并篩選影響建筑性能的關(guān)鍵參數(shù);針對農(nóng)村住宅基準(zhǔn)模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,通過非支配解集篩選關(guān)鍵參數(shù)的推薦值或區(qū)間,并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評價。
濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第37卷
第3期姚勝,等:基于全局敏感性分析的農(nóng)村住宅性能優(yōu)化方法
1性能優(yōu)化方法
1.1性能優(yōu)化平臺
Grasshopper平臺作為Rhino軟件中的輔助設(shè)計插件[17],已被越來越多的設(shè)計師用于參數(shù)化設(shè)計。Ladybug、Honeybee插件是近年來興起的建筑性能模擬工具[18],高效整合了既有模擬軟件的內(nèi)核,通過該插件可實現(xiàn)建筑風(fēng)光熱以及能耗等性能的模擬,極大簡化了建筑性能模擬的過程。Octopus插件是由維也納應(yīng)用藝術(shù)大學(xué)開發(fā)的可用于多目標(biāo)優(yōu)化插件[19],內(nèi)置多種優(yōu)化算法,為Grasshopper平臺用戶提供了較便利的多目標(biāo)優(yōu)化模塊?;贕rasshopper平臺與全局敏感性分析的農(nóng)村住宅性能優(yōu)化流程框架如圖1所示。
1.2基于TGP的Sobol法
基于TGP的Sobol法是一種全局敏感性分析法,適用于非線性[20]和非靜態(tài)回歸模型[21]。相對于一般的基于方差的分析方法,TGP需要的模型少,計算量小,效率高[22],因此選擇該方法進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)對各設(shè)計參數(shù)的敏感性分析。主效應(yīng)和全效應(yīng)是設(shè)計參數(shù)敏感性分析結(jié)果的2個指標(biāo)。其中主效應(yīng)指當(dāng)參數(shù)單獨變化時對結(jié)果方差的貢獻(xiàn),并使用一階敏感性指數(shù)度量貢獻(xiàn)水平;全效應(yīng)則指各參數(shù)在與其他參數(shù)交互作用的情況下對結(jié)果方差的貢獻(xiàn),并使用全局敏感性指數(shù)度量貢獻(xiàn)水平。主效應(yīng)和全效應(yīng)的值均為[0,1],計算公式[16]分別為
2基準(zhǔn)模型搭建
2.1基準(zhǔn)建筑模型
以河北省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集DBJT02-183—2020《農(nóng)村住宅標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集(冀中分冊)》中的戶型(一)為基礎(chǔ),并結(jié)合實際調(diào)研情況,構(gòu)建基準(zhǔn)建筑模型[25],基準(zhǔn)建筑模型的效果圖與主要平面布局如圖2所示。
根據(jù)河北省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集DBJT02-183—2020《農(nóng)村住宅標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集(冀中分冊)》[25]與國家標(biāo)準(zhǔn)GB50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》[26],建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式及傳熱系數(shù)見表1。內(nèi)墻面與頂棚的內(nèi)表面材料設(shè)置為白色乳膠漆,可見光反射率為0.84;設(shè)置地面的表面材料為防滑地磚,可見光反射率為0.35[27]。
客廳、餐廳、臥室在冬、夏季的室內(nèi)設(shè)定溫度分別為20、26℃,衛(wèi)生間、廚房在冬季室內(nèi)的設(shè)定溫度分別為18、16℃,夏季無設(shè)置;基準(zhǔn)建筑模型中功能房間內(nèi)部負(fù)荷見表2[28];基準(zhǔn)建筑模型運行時刻表見表3。
采用Octopus運算器內(nèi)置的SPEAII算法作為優(yōu)化算法。該算法在收斂性、解集分布性等方面都有較大的優(yōu)勢,多目標(biāo)優(yōu)化算法的運行參數(shù)設(shè)置如表4所示。
2.2優(yōu)化平臺框架
選取建筑全年平均UDI評價農(nóng)村住宅采光性能。UDI是室內(nèi)水平工作面上采光照度滿足某范圍內(nèi)的時長占全年工作時長的比例。當(dāng)照度為100~2000lx時,認(rèn)為光環(huán)境符合正常視覺工作需求,可稱該照度區(qū)間為有效區(qū)間。UDI值越大,建筑采光性能越好[29]。
選取建筑冬季采暖EUI評價農(nóng)村住宅能耗性能,冀中地區(qū)屬于寒冷氣候區(qū),冬季采暖能耗大,而建筑冬季采暖的能耗強(qiáng)度能夠反映建筑單位面積的冬季采暖總能耗[30]。
選取客廳冬季平均預(yù)計不滿意百分比(predictedpercentageofdissatisfied,PPD)評價農(nóng)村住宅的熱舒適性能,預(yù)計熱感覺指數(shù)(PMV)及PPD是目前國際公認(rèn)的評價室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的較好方法,能有效反映建筑室內(nèi)的熱舒適情況[31]??蛷d作為使用頻率最高的房間,其PPD對于整個建筑而言更有代表性。
在選定建筑全年平均UDI、建筑冬季采暖EUI、客廳冬季平均PPD評價住宅各方面性能的基礎(chǔ)上,考慮到優(yōu)化引擎的優(yōu)化機(jī)制是尋求最小化目標(biāo)函數(shù)值,以-UDI、EUI、PPD作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化?;贕rasshopper平臺的農(nóng)村住宅性能優(yōu)化平臺框架如圖3所示。
3結(jié)果與分析
3.1敏感性分析
選取對建筑性能影響較大的幾何形體參數(shù)作為設(shè)計參數(shù),按照基本使用要求和相關(guān)規(guī)范對設(shè)計參數(shù)的取值范圍進(jìn)行界定,如表5所示。取建筑朝向的步長為1°,陽光間窗墻比的步長為0.01,其余參數(shù)的步長均為0.01m。
為了避免重復(fù)抽樣,聯(lián)合Python語言和Grasshopper平臺對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行拉丁超立方抽樣(Latinhypercubesampling,LHS)。按照一個參數(shù)至少變化10次的原則[32],抽樣得到150個輸入樣本,進(jìn)行建筑性能模擬。利用R語言收集輸入、輸出數(shù)據(jù),并運用Sensitivity、TGP軟件包,基于TGP的Sobol法進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。圖4—6分別為建筑全年平均UDI、建筑冬季采暖EUI、客廳冬季平均PPD的敏感性分析。從圖4(a)中可以看出:除了建筑高度以外,其余10個設(shè)計參數(shù)的主效應(yīng)都呈現(xiàn)單調(diào)增大或減小的變化趨勢;當(dāng)建筑高度在一定范圍內(nèi)增大時,全年平均UDI的主效應(yīng)增大較明顯;當(dāng)超過某臨界值后,出現(xiàn)局部減小的趨勢,整體增大的趨勢放緩。從圖5(a)、6(a)可以看出,除了建筑朝向、建筑高度以外,冬季采暖EUI和客廳冬季平均PPD的主效應(yīng)隨著其余9個設(shè)計參數(shù)的增大都呈現(xiàn)單調(diào)增大或減小的變化趨勢,隨著建筑朝向的增大而呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)再減小的變化趨勢,隨著建筑高度的增大而呈現(xiàn)先減小后增大的非單調(diào)變化趨勢。
從圖4(b)、5(b)、6(b)中可以得出11個設(shè)計參數(shù)對于3個目標(biāo)函數(shù)從大到小的一階敏感性指數(shù)排序。從圖4(b)中可以看出,建筑高度的敏感性明顯強(qiáng)于其他參數(shù)的敏感性;從圖5(b)、6(b)中可以看出,建筑朝向與建筑高度的敏感性明顯強(qiáng)于其他參數(shù)的敏感性。從圖4(c)、5(c)、6(c)中可以得出11個設(shè)計參數(shù)中對于3個目標(biāo)函數(shù)從大到小的全局敏感性指數(shù)排序。值得注意的是,11個設(shè)計參數(shù)的全效應(yīng)相對于主效應(yīng)增大較明顯,說明11個設(shè)計參數(shù)之間的相互作用對3個目標(biāo)函數(shù)的影響較大。
為了減少多目標(biāo)優(yōu)化的運算量,提升優(yōu)化的精準(zhǔn)度,根據(jù)一階敏感性指數(shù)與全局敏感性指數(shù)對11個設(shè)計參數(shù)進(jìn)行排序,基準(zhǔn)建筑模型的設(shè)計參數(shù)敏感性分析結(jié)果排序如表6所示。剔除同時位于3個指標(biāo)一階敏感性指數(shù)與全局敏感性指數(shù)排序后7位的設(shè)計參數(shù),主要包括餐廳進(jìn)深、臥室2寬度、客廳寬度、臥室3寬度4個設(shè)計參數(shù),最終篩選得到用于多目標(biāo)優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)為建筑朝向、臥室1寬度、臥室1進(jìn)深、廚房進(jìn)深、陽光間進(jìn)深、陽光間窗墻比、建筑高度7個參數(shù)。
3.2多目標(biāo)優(yōu)化及最優(yōu)解
表7所示為非支配解集關(guān)鍵參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)值。從表中可以看出:建筑朝向主要分布在南偏西40°到南偏東21°范圍內(nèi);臥室1寬度大部分解集中在4.80m附近;臥室1進(jìn)深主要集中在3.62~3.83m;廚房進(jìn)深主要分布在3.50~3.56m;陽光間進(jìn)深主要集中在1.50、1.64m附近;陽光間窗墻比主要分布在0.81~0.88;建筑高度所有解都集中在3.21m附近。綜上可得基準(zhǔn)建筑模型關(guān)鍵參數(shù)的推薦區(qū)間,如表8所示。
由于所有最優(yōu)解均無差別地統(tǒng)計在非支配解集中,需要對非支配解集進(jìn)行對比決策與優(yōu)選,因此將建筑全年平均UDI、建筑冬季采暖EUI和客廳冬季平均PPD作為評價解,利用TOPSIS綜合評價法計算各評價解的貼近系數(shù),按貼近系數(shù)的大小對非支配解進(jìn)行排序,選取貼近系數(shù)最大的解作為最優(yōu)解,基準(zhǔn)建筑模型關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)解如表8所示。相對于基準(zhǔn)模型,最優(yōu)解所對應(yīng)的建筑全年平均UDI為35.62%,略有增大;建筑冬季采暖EUI為25.30kW·h/m2,減小10%;客廳冬季平均PPD為14.28%,減小了5%。圖7所示為優(yōu)化后建筑中各房間的性能評價指標(biāo)的變化。從圖中可以看出:經(jīng)過優(yōu)化,臥室1、陽光間的平均UDI明顯增大,分別增大9%、31%;臥室1、臥室2、客廳、餐廳4個房間的冬季采暖EUI明顯減小,分別減小9%、9%、13%、14%;各房間冬季平均PPD均有所減小,以陽光間的減小幅度最大,冬季平均PPD減小了16%。
4結(jié)論
借助Grasshopper平臺,本文中提出了一種基于樹狀高斯過程全局敏感性分析的農(nóng)村住宅性能優(yōu)化方法,并選擇相關(guān)案例進(jìn)行優(yōu)化研究,得到以下主要結(jié)論:
1)建筑朝向與建筑高度對目標(biāo)函數(shù)的敏感性明顯高于其他設(shè)計參數(shù)的,并且都存在非單調(diào)變化趨勢。設(shè)計參數(shù)之間的相互作用對建筑全年平均UDI、建筑冬季采暖EUI以及客廳冬季平均PPD這3個目標(biāo)函數(shù)的影響較大。
2)冀中地區(qū)所選農(nóng)村住宅的關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)組合是建筑朝向為南偏東13°,臥室1寬度為4.80m,臥室1進(jìn)深為3.62m,廚房進(jìn)深為3.55m,陽光間進(jìn)深為1.64m,陽光間窗墻比為0.82,建筑高度為3.20m。
3)相對于基準(zhǔn)模型,經(jīng)過多目標(biāo)優(yōu)化,得到的最優(yōu)建筑關(guān)鍵參數(shù)組合對應(yīng)的農(nóng)村住宅全年平均UDI為35.62%,略有增大;建筑冬季采暖EUI為25.30kW·h/m2,減小10%;客廳冬季平均PPD為14.28%,減小5%。
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