基于遺傳算法的綠色建筑節(jié)能的增量效益實(shí)證研究

任繼勤,楊思佳,祁士偉,殷 悅

(北京化工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)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(dāng)今建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究。通過對(duì)指標(biāo)的選取、指標(biāo)權(quán)重的賦值進(jìn)行科學(xué)縝密的分析論證,從不同角度構(gòu)建了綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jì)效益、社會(huì)效益等,并納入到綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中。通過構(gòu)建綜合效益評(píng)價(jià)模型,對(duì)綠色建筑進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析和

研究,為綠色建筑的相關(guān)決策者提供參考[1]。②綠色建筑評(píng)價(jià)方法研究。為了促進(jìn)綠色建筑評(píng)價(jià)的定量化發(fā)展,眾多學(xué)者將數(shù)學(xué)模型運(yùn)用到綠色建筑的評(píng)價(jià)中,使綠色建筑評(píng)價(jià)的結(jié)果數(shù)量化。目前廣泛采用的數(shù)學(xué)模型有綜合評(píng)價(jià)法[3]、模糊層次分析法[4]、聚類評(píng)價(jià)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[5]等。③綠色建筑的經(jīng)濟(jì)性研究。通過對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析研究,得出不同建筑設(shè)計(jì)等級(jí)下綠色建筑每平方米所增加的成本,采用節(jié)能措施是導(dǎo)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(lì)機(jī)制的多角度,進(jìn)行與綠色建筑相關(guān)方的經(jīng)濟(jì)效益研究,積極推廣綠色建筑[6]。

綜上所述,目前有關(guān)綠色建筑增量效益的研究鮮見,建筑節(jié)能項(xiàng)目的增量成本是綠色建筑成本的主要構(gòu)成部分,是控制成本的關(guān)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(xiàng)目的綜合效益,構(gòu)建多模型,采用遺傳算法進(jìn)行實(shí)證研究,為綠色建筑節(jié)能方案提供具有重要參考價(jià)值的依據(jù)。

2 綠色建筑節(jié)能項(xiàng)目綜合效益構(gòu)成與測算

相對(duì)于傳統(tǒng)建筑,綠色建筑設(shè)計(jì)在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段會(huì)產(chǎn)生增量設(shè)計(jì)成本,在項(xiàng)目移交后會(huì)產(chǎn)生維護(hù)成本等。綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的增量成本包括準(zhǔn)備決策階段和建設(shè)階段,影響建筑能耗的關(guān)鍵因素包括外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)、照明、空調(diào)、可再生能源系統(tǒng)、屋頂綠化5個(gè)方面。綠色建筑增量效益主要產(chǎn)生于運(yùn)營階段各種能源消耗量的減少，如電力消耗減少,則運(yùn)營成本降低,同時(shí)減少碳排放和電力設(shè)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(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。綠色建筑節(jié)能項(xiàng)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(shù)而產(chǎn)生的額外投資[7]。綠色建筑節(jié)能項(xiàng)目的增量成本產(chǎn)生于建設(shè)階段的初始增量成本,即是建設(shè)階段的增量成本,包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、照明、空調(diào)、可再生能源系統(tǒng)、屋頂綠化5方面的技術(shù)成本,以及未來運(yùn)營階段的增量成本,即是運(yùn)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(yùn)行過程中所減少的運(yùn)營成本、電力投資、電荒損失和減排價(jià)值。由于數(shù)據(jù)的可獲得性,本文只考慮運(yùn)營階段的增量效益。經(jīng)濟(jì)效益主要來源于終端節(jié)電效益,其他方面的經(jīng)濟(jì)效益忽略不計(jì);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(jià)值,以及屋頂綠化釋放O2所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益;社會(huì)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(duì)電力的投資和避免因?yàn)槿彪娨鸬慕?jīng)濟(jì)損失。本文選取S1經(jīng)濟(jì)、S2環(huán)境和S3社會(huì)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(shù)的節(jié)能量;P為當(dāng)?shù)仉妰r(jià)。

(3)

式中,S2j為采用第j種技術(shù)節(jié)能量;δ為電能轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤的系數(shù),一般取值0.04%;ε為污染物減排價(jià)值,取值為1042.3,以及CO2、SO2、NOX和粉塵的綜合處理[8]。

社會(huì)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(gòu)建

3.1 節(jié)能項(xiàng)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(xiàng)目的增量效益和增量成本,構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。通過優(yōu)化模型,采用遺傳算法,找到項(xiàng)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(gòu)建流程見圖2。

圖2 綠色建筑節(jié)能最優(yōu)方案構(gòu)建流程

增量效益最大是比較設(shè)計(jì)方案和基準(zhǔn)方案得到設(shè)計(jì)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(jì)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(huì)效益。增量成本最小是進(jìn)行有無對(duì)比分析,增量成本包括初始決策和建設(shè)過程的咨詢成本和技術(shù)成本。節(jié)能設(shè)計(jì)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(gè)多目標(biāo)。通過構(gòu)建模型假設(shè)、目標(biāo)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(jìn)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(biāo)函數(shù)解域的評(píng)價(jià)指標(biāo),以得出最優(yōu)節(jié)能方案。

3.2 假設(shè)條件和約束條件

假設(shè)條件:①開發(fā)商在投資決策時(shí),基于綠色建筑全壽命周期的視角,優(yōu)先考慮整個(gè)社會(huì)的綜合效益,包括消費(fèi)者節(jié)能、污染物減排、社會(huì)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(jì)算,項(xiàng)目建成后由此產(chǎn)生的運(yùn)行維護(hù)成本由開發(fā)商自己承擔(dān)。

約束條件:①規(guī)劃選擇的設(shè)計(jì)方案,必須選擇節(jié)能技術(shù)。依據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)2014》中節(jié)能項(xiàng)目的評(píng)價(jià)指標(biāo),選取和控制綠色建筑節(jié)能技術(shù)的選取數(shù)量。②建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(biāo)函數(shù)構(gòu)建

在上述假設(shè)條件和目標(biāo)約束條件的基礎(chǔ)上,構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。

增量效益最大:將每種節(jié)能技術(shù)下的節(jié)能方案的節(jié)能量進(jìn)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(duì)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(jì)算期內(nèi)增量效益,即節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益(元/m2);ΔQij為第i種技術(shù)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(gè)建設(shè)階段;xij為第i個(gè)建設(shè)階段采用的第j個(gè)節(jié)能方案;P2為決策期咨詢費(fèi)用,一般在造價(jià)的0.1%左右,電價(jià)P2取值0.88元/kW·h,按照所選案例地區(qū)的電價(jià)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(zhǔn)收益率為i0、代表企業(yè)對(duì)項(xiàng)目投資所期望的利益回報(bào),一般取值區(qū)間為2%—12%；計(jì)算期為n,根據(jù)建筑的使用壽命和實(shí)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(shè)期增量成本(元/m2);P1為工程所在地的用電價(jià)格(元/kW·h),取值3.2元/m2;ΔCij為第i種技術(shù)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(shù)i所選的第j種節(jié)能方案;nj為節(jié)能技術(shù)i所選的節(jié)能方案數(shù)。

節(jié)能設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(duì)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(jì)算結(jié)果。特點(diǎn)是可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)搜索點(diǎn)工作,且僅使用目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行搜索,具有搜索效率高、方法靈活、對(duì)目標(biāo)函數(shù)要求不高、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合綠色建筑節(jié)能方案優(yōu)化模型及其特點(diǎn),選擇模型求解。

4 實(shí)證研究

以某辦公建筑為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)證,首先對(duì)該辦公建筑分別設(shè)定基準(zhǔn)方案和設(shè)計(jì)方案;其次,通過DeST能耗模擬和定額估算,得到每種設(shè)計(jì)方案與基準(zhǔn)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(duì)節(jié)能優(yōu)化模型進(jìn)行求解。采用“節(jié)能設(shè)計(jì)效率"對(duì)Pareto最優(yōu)解域進(jìn)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(guān)參數(shù)的設(shè)定

本文選擇夏熱冬冷地區(qū)的4層高辦公樓為研究對(duì)象,高20m,建筑面積約為8000m2,空調(diào)面積為6500m2,占地面積為55km2,預(yù)計(jì)使用年限為50年。按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,設(shè)定建筑的最低室內(nèi)參數(shù)作為基準(zhǔn),夏天溫度<26℃,冬天溫度<20℃,相對(duì)濕度%<70。

4.2 節(jié)能方案設(shè)計(jì)

本文基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)、照明、空調(diào)系統(tǒng)、可再生能源、屋頂節(jié)能5個(gè)指標(biāo),結(jié)合市場調(diào)研和資料分析,圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shí)際應(yīng)用中,可任意組合節(jié)能技術(shù)方案,其中同類型項(xiàng)目之間為互斥方案,異類型項(xiàng)目之間為獨(dú)立方案。

4.3 DeST能耗模擬各項(xiàng)技術(shù)使用的能耗值

本文采用DeST模型,對(duì)整體建筑進(jìn)行能耗模擬。圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、照明、可再生能源、屋頂節(jié)能5個(gè)指標(biāo),采用DeST軟件進(jìn)行能耗模擬。經(jīng)過有無對(duì)比分析,得到該建筑各分項(xiàng)技術(shù)使用的能耗值和初始投資的值,見表1。

表1 各分項(xiàng)技術(shù)使用的能耗值

采用控制變量法,對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)方案和參考建筑的基準(zhǔn)方案在建筑能耗、初始投資等方面進(jìn)行比較分析,得到各個(gè)設(shè)計(jì)方案的節(jié)能量和增量成本。如在求解外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)各個(gè)設(shè)計(jì)方案的節(jié)能量時(shí),必須保持照明、空調(diào)、屋頂?shù)茸兞坎蛔?采用基準(zhǔn)方案中的參數(shù),經(jīng)過比較計(jì)算得出結(jié)果。主要是:①圍護(hù)結(jié)構(gòu)共選擇有6個(gè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案的節(jié)能量及增量成本,結(jié)果見表2。②照明系統(tǒng)2種技術(shù)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(shè)定為T8三基色熒光燈和LED節(jié)能燈兩個(gè)方案,結(jié)果見表2。③空調(diào)系統(tǒng)按輸送介質(zhì)、冷熱源形式、主機(jī)驅(qū)動(dòng)能源等進(jìn)行分類。本文設(shè)置直燃式溴化鋰機(jī)組,加離心式、活塞式、直燃式、螺桿式電制冷機(jī)4種方式,結(jié)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(shù)的設(shè)計(jì)方案。節(jié)能量為3.8kW·h/m2·a,增量成本1.44元/m2,結(jié)果見表2。⑤屋頂節(jié)能有5個(gè)設(shè)計(jì)方案,其中方案1—4都有20mm水泥砂漿,并有上下50%的波動(dòng)。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(gè)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(shè)計(jì)方案的節(jié)能量和增量成本,結(jié)果見表2。由于能耗模擬的結(jié)果受多種因素影響,因此模擬結(jié)果具有一定的誤差性。本文共進(jìn)行50次模擬,誤差在6.25%以下,在可控范圍內(nèi),因此模擬結(jié)果具有可靠性。

表2 五種技術(shù)方案的節(jié)能量和增量成本

4.4 最優(yōu)解與結(jié)果分析

在不考慮資金條件的限制,僅考慮目標(biāo)函數(shù),設(shè)基準(zhǔn)收益率取12%,計(jì)算期為建筑設(shè)計(jì)使用年限50年。參數(shù)設(shè)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(jì)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(jī)+直燃式溴化鋰機(jī)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(xiàng)目單位增量成本所帶來的增量效益現(xiàn)值為24.98元/m2。

結(jié)果分析:①最優(yōu)組合是多種節(jié)能技術(shù)的合理選擇，這與其約束條件和目標(biāo)函數(shù)密切相關(guān),同時(shí)從側(cè)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(shù)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(duì)節(jié)能技術(shù)的使用,增量效益的增加會(huì)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(shù)的最優(yōu)組合,達(dá)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(xiàng)目有關(guān),其排序是:空調(diào)系統(tǒng)>照明系統(tǒng)>圍護(hù)結(jié)構(gòu)和屋頂節(jié)能,可再生能源貢獻(xiàn)最小。④增量效益受基準(zhǔn)收益率的影響,兩者呈反比。

5 結(jié)論

本文選取實(shí)際的建筑工程,設(shè)定綠色建筑節(jié)能功能項(xiàng)目綜合效益構(gòu)成,構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型;選擇遺傳算法,通過DeST能耗模擬軟件,運(yùn)用控制變量法得到各個(gè)綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)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(jié)果表明:①理想的增量效益來自合理有效的技術(shù)組合,可供決策者根據(jù)自身?xiàng)l件進(jìn)行選擇；②能為決策者呈現(xiàn)出最優(yōu)的節(jié)能技術(shù)組合;③單位增量成本所產(chǎn)生的增量效益與技術(shù)有關(guān);④基準(zhǔn)收益率的選擇會(huì)直接影響節(jié)能方案的優(yōu)化結(jié)果。