基于C++的建筑能耗優(yōu)化軟件研究

唐偉峰 范爾盼 曹明月

【摘 要】本文對目前建筑節(jié)能的形勢進行了簡要分析，根據(jù)目前世界能源結(jié)構(gòu)的清潔化以及低碳化發(fā)展趨勢，并結(jié)合現(xiàn)如今計算機技術(shù)的快速發(fā)展，創(chuàng)造性地提出利用計算機技術(shù)來對建筑耗能進行優(yōu)化的設(shè)想，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】建筑；節(jié)能；計算機技術(shù)

一、概述

近年來，伴隨著全球經(jīng)濟的疲弱回暖及能源結(jié)構(gòu)的清潔化、低碳化發(fā)展趨勢，能源消費增長趨勢有所減緩。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前我國既有建筑面積約400億m2，且建筑面積正在按照每一年新建房屋接近20億m2的規(guī)模持續(xù)增長，高能耗建筑的占比約為95%，這必將導致嚴重的資源消耗。因此，建筑能耗綜合治理將成為我國節(jié)能減排事業(yè)的重要環(huán)節(jié)。全面的建筑節(jié)能需從選址設(shè)計、建造運行著手，合理規(guī)劃建筑圍護結(jié)構(gòu)，利用節(jié)能型材料和產(chǎn)品，嚴格執(zhí)行節(jié)能標準，加強運行設(shè)備管理，提高空調(diào)照明和通風給排水的效率。從建筑的方案設(shè)計階段就應該考慮建筑設(shè)計對建筑能耗、經(jīng)濟效益和其他方面的影響，盡量設(shè)計出更優(yōu)的生態(tài)節(jié)能建筑。生態(tài)節(jié)能建筑的設(shè)計有助于從源頭減少對空調(diào)系統(tǒng)的依賴，從而降低建筑能耗，避免了“末端治理”的問題。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

很多國家在意識到建筑能耗模擬分析的重要意義的同時，都開始并加緊了對建筑能耗的分析和預測工作。從20世紀60年代到今天，很多國家都相繼開發(fā)出了一些很好的建筑性能模擬軟件，這些模擬軟件可以很方便地對建筑物特性進行全年動態(tài)模擬。美國是開展建筑節(jié)能研究最早的國家之一，計算機技術(shù)在建筑節(jié)能工作中的應用也最為廣泛。當前在美國，與建筑節(jié)能標準相關(guān)的軟件有120多種。近些年來，美國能源部組織多個部門共同開發(fā)了新的建筑能耗模擬軟件EnergyPlus，以全面代替Doe-2。西歐國家通過近30年的努力，各國都開發(fā)了各自的建筑能耗模擬軟件。比如英國開發(fā)了ESP，并將其作為建筑節(jié)能設(shè)計與節(jié)能分析的基本工具，寫入相關(guān)的建筑節(jié)能標準或規(guī)范中。此外還有SRES/SUN，SERIRES，S3PAS，TRNSYS，TASE等。

美國在建筑能耗的優(yōu)化工作上投入大量經(jīng)費，開發(fā)出眾多建筑模擬優(yōu)化軟件，并將其推廣為建筑節(jié)能最有效的措施之一。美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)的優(yōu)化軟件GenOpt得到了廣泛應用。GenOpt可以與大多數(shù)的建筑模擬軟件例如EnergyPlus，Trnsys進行耦合，使用者只需要在它提供的平臺下，使用它的規(guī)范化語言進行編程，就可以完成它和其它軟件之間的鏈接。Asadi分析了葡萄牙某住宅建筑的外墻外保溫材料、屋面保溫材料、窗戶類型和太陽能集熱器類型并利用GenOpt對建筑的生命周期成本和熱舒適性對設(shè)計提出了優(yōu)化建議。Ferrara結(jié)合Trnsys和GenOpt對法國某住宅建筑120種圍護結(jié)構(gòu)的組合進行分析，從而確定最優(yōu)的設(shè)計方案。Peeters在文章中相信闡述了GenOpt和ESP-r的耦合方式，并利用一個簡單的優(yōu)化案例加以證明。為了更好的引導零能耗建筑的設(shè)計，美國國家能源部可再生能源實驗室開發(fā)了建筑能耗優(yōu)化軟件BeOpt。用戶可以選擇不同建筑元素組合，然后根據(jù)美國建筑節(jié)能標準或用戶定義的基本方案進行計算，最后輸出在不同的節(jié)能水平下的設(shè)計設(shè)計方案。Rhodes利用BeOpt指導奧斯丁5座零能耗建筑設(shè)計問題。

三、研究過程

本課題從建筑工程師的切身需要出發(fā)，分析目前優(yōu)化軟件的基本原理，改進目前優(yōu)化軟件的不足。我們把軟件共分為三個功能模塊：Matlab（優(yōu)化模塊），EnergyPlus（建筑仿真模塊）和交互模塊，示意圖如圖1所示。Matlab作為整個軟件的核心，驅(qū)動著整個優(yōu)化過程。每次迭代開始時，算法自動生成一組設(shè)計變量參數(shù)并存放在一個特定的文件中，緊接著交互模塊讀取這些參數(shù)并利用EnergyPlus模擬全年建筑能耗。交互模塊將EnergyPlus的輸出文件傳遞給Matlab對目標函數(shù)進行評估。如果方案滿足要求，輸出最終方案。否則更新設(shè)計變量為下次迭代做準備。最終通過多次迭代求出最優(yōu)方案?？v觀整個過程EnergyPlus和Matlab之間的交互模塊成為整個軟件的關(guān)鍵部分。通過本課題開發(fā)的交互模塊完成Matlab和EnergyPlus的耦合可以有效克服目前優(yōu)化軟件算法少、運行效率低、可擴展性差的不足。

圖1：軟件的原理結(jié)構(gòu)圖

四、研究成果

（1）目前已完成建筑建模和全年能耗的模擬工作，建筑模型示意圖如圖2所示。

（2）研究常用多目標優(yōu)化算法NSGA-Ⅱ的基本原理，并利用NSGA-Ⅱ算法中對簡單的測試函數(shù)進行優(yōu)化。測試函數(shù)：

五、結(jié)論

綜上利用計算機模擬建筑節(jié)能設(shè)計具有非常良好的可行性，與實際情況相符，對于未來的建筑設(shè)計有很好的指導意義，同時，隨著研究的不斷加入，上述優(yōu)化軟件的問題也開始暴露出來。MIT Design Advisor、Dest-h、BeOpt應用范圍較窄，只能用于特定優(yōu)化問題。GenOpt作為應用較廣、效率較高的優(yōu)化軟件之一，仍然存在某些不足之處。首先， GenOpt給使用者提供了一個接入其他算法的接口，但是必須基于Java平臺開發(fā)，算法可拓展性較低。第二，隨著優(yōu)化目標研究的不斷深入，越來越多的國家開始提出不同的建筑評價指標。這些指標有些相對復雜。GenOpt只提供了一些簡單的運算符號，導致很多指標只能被簡化，從而影響最后的優(yōu)化效果。第三，GenOpt的文件讀寫功能比較簡單而且效率較低。一旦輸入的模型文件過大，就會出現(xiàn)無法工作的情況。由此可見，建筑能耗優(yōu)化軟件仍存在一些問題有待改進。

【參考文獻】

[1] 張偉捷， 晉文， 盛曉康. 基于CFD建筑熱環(huán)境模擬的建筑方案優(yōu)化設(shè)計研究[J]. 暖通空調(diào)， 2010， 40（3）：93-97.