基于C++的建筑能耗優(yōu)化軟件開發(fā)

黃大鵬 張晨 劉超

摘 要：分析了國內(nèi)外建筑能耗優(yōu)化軟件開發(fā)情況，探討了基于C++的建筑能耗優(yōu)化軟件開發(fā)，給出了研究思路與軟件開發(fā)的原理結(jié)構(gòu)圖，介紹了建筑建模和全年能耗的模擬工作以及優(yōu)化結(jié)果。

關(guān)鍵詞：建筑能耗模擬 能耗優(yōu)化 軟件設計 設計原理

前 言

目前，建筑能耗模擬軟件在建筑節(jié)能領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于建筑的物理特性復雜，熱濕過程的計算量巨大，只能采用計算機在短時間內(nèi)完成復雜的運算。因此，在進行建筑能耗分析計算時，能耗模擬軟件發(fā)揮著巨大作用。建筑能耗模擬主要包括建筑負荷和能耗的模擬，為后續(xù)的節(jié)能設計、節(jié)能評估、節(jié)能審計以及節(jié)能措施的制定提供參考；通過不同工況的模擬，進行圍護結(jié)構(gòu)、設備、暖通空調(diào)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和控制策略等的優(yōu)化，通過經(jīng)濟性分析得出最佳方案；設備與系統(tǒng)各種運行狀況的預測，在內(nèi)外擾動等復雜因素的作用下，系統(tǒng)中參數(shù)的變化很復雜。通過建筑能耗模擬軟件，能比較方便地預測各種工況下的系統(tǒng)參數(shù)，為節(jié)能標準和規(guī)范的制定、實施提供輔助作用。

1.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。其中包括比較著名的美國自 20 世紀 70 年代起就持續(xù)開發(fā)的建筑能耗模擬軟件 Doe-2。它曾是北美在建筑節(jié)能領(lǐng)域應用最廣泛的軟件，對美國建筑節(jié)能的推動起到了重要作用。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[1]。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[2]。我國從上世紀 70 年代中期開始介紹國外在建筑能耗計算機模擬方面的發(fā)展情況，很多科學技術(shù)人員做了大量的工作。Dest是建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬的軟件平臺，該平臺以清華大學建筑技術(shù)科學系環(huán)境與設備研究所十余年的科研成果為理論基礎(chǔ)，將現(xiàn)代模擬技術(shù)和獨特的模擬思想運用到建筑環(huán)境的模擬和HVAC系統(tǒng)的模擬中去，為建筑環(huán)境的相關(guān)研究和建筑環(huán)境的模擬預測、性能評估提供了方便實用可靠的軟件工具，為建筑設計及HVAC系統(tǒng)的相關(guān)研究和系統(tǒng)的模擬預測、性能優(yōu)化提供了一流的軟件工具[3]。

國內(nèi)眾多學者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優(yōu)化工作。西安建筑科技大學的金苗苗提出應在建筑設計階段就開始貫穿進行建筑能耗模擬分析，更好地使能耗模擬與建筑設計相結(jié)合，并為建筑設計提供更加行之有效的節(jié)能設計方法[4]。臺灣學者Leon 研究開發(fā)了網(wǎng)絡在線的計算程序MIT Design Advisor，可對單面墻或房間進行快速計算，輸入簡單，并可對圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化分析[5]。常靜分析了我國居住建筑圍護結(jié)構(gòu)耗熱量的基礎(chǔ)上，闡述了外窗熱工特性的復雜性。針對濟南市某居住建筑，分析了四種朝向的窗墻面積比對供暖能耗的影響，得出了在不同外窗傳熱系數(shù)的條件下窗墻面積比與供暖能耗的關(guān)系曲線[6]。魏彩欣利用清華大學開發(fā)的建筑熱環(huán)境設計模擬工具包（Dest-h），針對夏熱冬冷地區(qū)，上海、南京、合肥三個具有代表性城市的住宅圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對建筑能耗及室內(nèi)熱環(huán)境的影響進行了研究，分析了外墻材料、窗戶材料和窗墻比、外窗遮陽、建筑朝向等圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對建筑能耗及室內(nèi)熱環(huán)境狀況的影響程度，提出了其綜合節(jié)能優(yōu)化方案[7]。目前我國大陸學者的研究大多局限于考察某一個建筑設計因素對建筑熱性能的影響，往往把影響建筑熱性能的其它設計因素固定，而僅把考察的那個設計因素控制在幾個不同的水平[8]。

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計提出了優(yōu)化建議[9]。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)的設計方案[10]。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[11]。為了更好的引導零能耗建筑的設計，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)能水平下的設計設計方案[12]。Rhodes利用BeOpt指導奧斯丁5座零能耗建筑設計問題[13]。

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[14]。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[15]。由此可見，建筑能耗優(yōu)化軟件仍存在一些問題有待改進。

2.研究思路

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?？偨Y(jié)之后，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。通過軟件開發(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。因此可見，該軟件確實能有效解決建筑能耗優(yōu)化問題。

3.研究成果

指導老師在前期研究中曾利用Matlab和Airpak實現(xiàn)了建筑室內(nèi)熱環(huán)境的綜合優(yōu)化[16]，并在建筑能耗預測和優(yōu)化方面展開了深入研究；開發(fā)者們共同完成了一款建筑電能耗預測軟件。

已有研究成果：

（1）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。優(yōu)化結(jié)果圖如3所示。

4.結(jié)束語

在分析國內(nèi)外建筑能耗優(yōu)化軟件開發(fā)情況的基礎(chǔ)上，探討了基于C++的建筑能耗優(yōu)化軟件開發(fā)的研究思路與軟件開發(fā)的原理結(jié)構(gòu)圖，介紹了已完成的建筑建模和全年能耗的模擬工作以及優(yōu)化結(jié)果。

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