基于電價(jià)波動(dòng)的綠色建筑增量成本與效益研究

武文靜 曹云忠 劉雪妤 周世杰 王新平

摘要：面對(duì)綠色建筑增量成本增加壓力，為適應(yīng)開發(fā)商對(duì)節(jié)能方案效益分析的需求，本文將電價(jià)波動(dòng)融入綠色建筑增量成本與效益研究。針對(duì)增量成本計(jì)算中靜態(tài)價(jià)格的不足，提出用動(dòng)態(tài)電價(jià)格代替靜態(tài)電價(jià)的方法。同時(shí)建立遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化模型，選取最優(yōu)組合節(jié)能方案。本文的研究結(jié)論對(duì)于開發(fā)商選擇施工節(jié)能方案與優(yōu)化投標(biāo)報(bào)價(jià)等決策提供可靠依據(jù)。

Abstract： Faced with the pressure of incremental cost of green buildings， this paper integrates the fluctuation of electricity price into the study of incremental cost and benefit of green buildings in order to meet the needs of developers for benefit analysis of energy-saving schemes. Aiming at the shortage of static price in the calculation of incremental cost， a method of replacing static price with dynamic price is proposed. At the same time， the multi-objective optimization model of genetic algorithm is established to select the optimal combination energy saving schemes. The conclusion of this paper provides a reliable basis for the developers to choose the construction energy saving schemes and optimize the bidding quotation.

關(guān)鍵詞：綠色建筑;節(jié)能方案;遺傳算法

Key words： green building;energy saving schemes;genetic algorithm

中圖分類號(hào)：TU201.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）15-0066-03

0 ?引言

為緩解建筑能耗過高，環(huán)境污染嚴(yán)重的問題，我國(guó)提出推進(jìn)建筑物節(jié)能減排，大力發(fā)展綠色建筑。為開發(fā)綠色建筑，開發(fā)商增加額外的一次性投入，建筑成本因此上升。同時(shí)成本上升會(huì)帶來(lái)更多功能和效益[1]，這種增量成本及效益的不確定性使開發(fā)商對(duì)綠色建筑持保守態(tài)度。目前綠色建筑的開發(fā)往往受制于一次性投資成本，這已是推廣綠色建筑的最大阻礙[2]。

綠色建筑增量成本與效益評(píng)價(jià)得到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。目前研究綠色建筑增量成本時(shí)，多考慮靜態(tài)電價(jià)，對(duì)因設(shè)備磨損老化及用電峰谷變化等因素導(dǎo)致的電價(jià)波動(dòng)研究甚少。本文基于電價(jià)波動(dòng)，研究綠色建筑一次性投資增量成本及增量效益，建立遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化模型，選取組合節(jié)能方案，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的低能耗低成本決策。

1 ?節(jié)能方案增量成本與效益評(píng)價(jià)模型

綠色建筑采取節(jié)能設(shè)計(jì)方案，相較于傳統(tǒng)建筑會(huì)產(chǎn)生額外一次性投資，即增量成本。但綠色建筑在運(yùn)維階段能帶來(lái)功能和效益。本文構(gòu)建增量成本和效益評(píng)價(jià)模型，對(duì)節(jié)能方案增量成本與效益進(jìn)行分析。

1.1 測(cè)算動(dòng)態(tài)電價(jià)

常規(guī)節(jié)能方案計(jì)算增量成本時(shí)，常取靜態(tài)用電情況。在建設(shè)過程中，建設(shè)期電價(jià)不會(huì)穩(wěn)定在同一數(shù)值，而是隨設(shè)備磨損及用電峰谷等因素產(chǎn)生變化。本文考慮建設(shè)期動(dòng)態(tài)用電情況，測(cè)算建設(shè)期電價(jià)，主要依據(jù)如下：一是確定施工過程中所需用電設(shè)備及功率，根據(jù)勞動(dòng)力計(jì)劃表計(jì)算各施工工藝產(chǎn)生的用電量。二是根據(jù)橫道圖確定施工階段每天和每月用電量。三是根據(jù)我國(guó)梯度電價(jià)政策計(jì)算當(dāng)月電費(fèi)和每月平均電價(jià)。該電價(jià)測(cè)算數(shù)據(jù)將用于下述增量成本測(cè)算。

1.2 增量成本評(píng)價(jià)

增量成本指設(shè)計(jì)建筑與參考建筑相比，應(yīng)用節(jié)能方案相關(guān)技術(shù)后所產(chǎn)生的額外成本，即設(shè)計(jì)建筑成本與參考建筑成本之差。

DeST軟件是做能耗模擬的常用軟件，它可以根據(jù)給定的參數(shù)，仿真模擬建筑材料、電氣設(shè)備等環(huán)境，計(jì)算建筑在各節(jié)能方案下的能耗。

增量成本的計(jì)算要依據(jù)DeST軟件模擬得出的工程量及已測(cè)算出的動(dòng)態(tài)電價(jià)，綜合考慮建筑成本人材機(jī)費(fèi)用，根據(jù)具體方案和市場(chǎng)價(jià)格套用定額組價(jià)，計(jì)算各方案增量成本。

增量成本計(jì)算公式：ΔC=CS-CC

ΔC：增量成本;CS：設(shè)計(jì)建筑成本;CC：參考建筑成本。

1.3 增量效益評(píng)價(jià)

為反映節(jié)能方案產(chǎn)生的增量效益，本文選取節(jié)能方案帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益三個(gè)維度指標(biāo)。增量經(jīng)濟(jì)效益ΔS1由空調(diào)系統(tǒng)、外墻結(jié)構(gòu)、外窗和屋頂節(jié)能四個(gè)方面組成。每部分經(jīng)濟(jì)效益值均為各結(jié)構(gòu)節(jié)能量與綜合電價(jià)之積。增量生態(tài)效益ΔS2指由節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)致的污染物排放減少量效益值，其值為節(jié)能量與減排綜合系數(shù)之積[3]。

增量社會(huì)效益ΔS3主要表現(xiàn)為電力投資減少，值為節(jié)電量與電力損失綜合系數(shù)值之積。

增量效益公式：ΔS=（ΔS1+ΔS2+ΔS3）P（ΔS1+ΔS2+ΔS3，i，n）。

i：基準(zhǔn)收益率;n：計(jì)算期年限。

2 ?遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化模型

根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)2019》，得各節(jié)能方案綠色建筑評(píng)分。約束函數(shù)為各節(jié)能方案綠色建筑評(píng)分之和不小于24。目標(biāo)函數(shù)為各方案增量成本之和最小、各方案增量效益最大。建立遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化模型，求節(jié)能方案Pareto最優(yōu)解域。

引入節(jié)能效率系數(shù)指標(biāo)δ=，用增量效益與增量成本之比反映節(jié)能方案單位增量成本所產(chǎn)生的增量效益。在Pareto最優(yōu)解域中選取節(jié)能效率指標(biāo)最高的節(jié)能方案作為最終節(jié)能方案，保證所選節(jié)能方案以最小投資獲取最大收益。

3 ?案例分析

3.1 工程概況

選取廣西某教學(xué)樓工程進(jìn)行案例分析，驗(yàn)證上述模型，詳細(xì)建筑信息如表1。

3.2 動(dòng)態(tài)電價(jià)測(cè)算

根據(jù)1.1節(jié)動(dòng)態(tài)電價(jià)測(cè)算方法，計(jì)算案例工程各月總電量，依據(jù)廣西省梯度電價(jià)，測(cè)算各月平均電價(jià)，如表2。

3.3 參考建筑節(jié)能技術(shù)方案

本文按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》最低標(biāo)準(zhǔn)對(duì)參考建筑進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)?？照{(diào)系統(tǒng)采用離心式電制冷機(jī);外墻維護(hù)結(jié)構(gòu)采用重砂漿粘土240mm+純石膏板10mm+聚苯乙烯泡沫塑料60mm+純石膏板8mm;外窗采用普通6mm單玻璃;屋頂采用水泥砂漿20mm+地瀝青混凝土70mm+煙灰加氣混凝土125mm+石灰砂漿15mm。

3.4 節(jié)能方案增量成本與效益測(cè)算

3.4.1 節(jié)能方案設(shè)計(jì)

本文選取空調(diào)系統(tǒng)、外墻維護(hù)結(jié)構(gòu)、外窗結(jié)構(gòu)、屋頂結(jié)構(gòu)節(jié)能指標(biāo)四個(gè)因素，提出16種節(jié)能技術(shù)方案，如表3。

3.4.2 能耗模擬

在DeST中輸入?yún)⒖技霸O(shè)計(jì)建筑的參數(shù)信息，輸出各方案建筑負(fù)荷量。通過對(duì)比設(shè)計(jì)建筑的負(fù)荷和成本與參考建筑的負(fù)荷和成本，得到增量成本和效益，如表4。增量效益測(cè)算中綜合減排系數(shù)為0.4169[4]，基準(zhǔn)收益率i為12%，計(jì)算期年限n為50。

3.5 遺傳算法求解及結(jié)果分析

對(duì)節(jié)能項(xiàng)目?jī)?yōu)化模型求解，選取Python3.5的Geatpy庫(kù)中帶精英策略的非支配排序遺傳算法（NSGAII）模板編寫遺傳算法程序。算法中交叉概率與突變概率采用模板默認(rèn)值，迭代次數(shù)為200，種群數(shù)量為20。

經(jīng)計(jì)算，該節(jié)能方案具有多組Pareto最優(yōu)組合，如表5。為得到最終優(yōu)化方案，本文采用“節(jié)能設(shè)計(jì)效率”進(jìn)行評(píng)價(jià)。由表5，節(jié)能設(shè)計(jì)效率最大的是序號(hào)6號(hào)組合方案，即空調(diào)系統(tǒng)采用活塞式電制冷機(jī)，外墻維護(hù)結(jié)構(gòu)采用水泥砂漿20mm+重砂漿粘土240mm+膨脹珍珠巖30mm+無(wú)水泥纖維板20mm，外窗結(jié)構(gòu)采用普通中空玻璃，屋頂結(jié)構(gòu)采用水泥砂漿20mm+多孔混凝土200mm+鋼筋混凝土130mm+水泥砂漿15mm，節(jié)能設(shè)計(jì)效率為16.09。意味著未來(lái)50年，該項(xiàng)目單位增量成本所帶來(lái)的增量效益現(xiàn)值為16.06元/m2。

4 ?結(jié)論

本文研究了動(dòng)態(tài)電價(jià)下增量成本與效益關(guān)系，建立遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化模型，根據(jù)節(jié)能效率系數(shù)在Pareto最優(yōu)解域中選取最優(yōu)組合節(jié)能方案。本文基于理論分析和案例實(shí)踐，對(duì)增量成本和效益進(jìn)行了全面分析、測(cè)算和評(píng)價(jià)，形成增量成本及效益評(píng)價(jià)模型。并基于遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化模型，以增量效益最大和增量成本最小為目標(biāo)函數(shù)，兼顧綠色建筑經(jīng)濟(jì)和能耗問題，求得最優(yōu)組合節(jié)能方案，為開發(fā)商提供選擇節(jié)能方案的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201810626131）。

作者簡(jiǎn)介：武文靜（1998-），女，山西晉中人，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生，研究方向?yàn)楣こ坦芾?曹云忠（通訊作者）（1970-），男，四川成都人，教授，博士，研究方向?yàn)楣こ坦芾怼?/p>