烏魯木齊城鎮(zhèn)辦公建筑節(jié)能優(yōu)化研究

韓飛，夏博，趙敬源，陶冶

（長(zhǎng)安大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 研究對(duì)象

我國(guó)城鎮(zhèn)建成的公共建筑面積約占城鎮(zhèn)民用建筑總面積的14%[1]，公共建筑的平均電耗約為全國(guó)居住建筑的2.5～3.5倍，因而在研究領(lǐng)域方面，本文選擇公共建筑中最常用的2萬(wàn)m2以下城鎮(zhèn)中小型辦公建筑進(jìn)行研究。烏魯木齊地區(qū)屬于嚴(yán)寒地區(qū)，能耗較高，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)烏魯木齊地區(qū)辦公建筑能耗的研究較少[2]，因而在研究地域范圍方面，本文以新疆烏魯木齊地區(qū)城鎮(zhèn)中小型辦公建筑作為研究對(duì)象。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 能耗概況

烏魯木齊公共建筑多為框架結(jié)構(gòu)，以輕集料混凝土砌塊作為內(nèi)、外填充墻，外窗多采用鋁合金窗或塑鋼窗。屋頂保溫多采用加氣混凝土塊；樓地面墊層多采用輕集料混凝土；外門(mén)多采用鋁合金門(mén)[3]。

根據(jù)XJJ034—2017《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，烏魯木齊為嚴(yán)寒C區(qū)?！稙豸斈君R國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)分析報(bào)告》中對(duì)烏魯木齊24棟公共建筑能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中21棟始建時(shí)間在2005年之前，沒(méi)有按照GB50189—2019《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計(jì)，22棟為框架結(jié)構(gòu)，23棟做了保溫，監(jiān)測(cè)的建筑具有相似性。統(tǒng)計(jì)可知，22棟辦公建筑單位面積用熱能耗平均值達(dá)到95.80 kW·h/（m2·a），單位面積總能耗平均值為123.66 kW·h/（m2·a）。

2.2 問(wèn)題分析

目前，烏魯木齊辦公建筑能耗較高，需要改善和優(yōu)化。圍護(hù)結(jié)構(gòu)是供暖能耗熱損失占比最大的部分，不同部分的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能差異性對(duì)建筑節(jié)能效果也帶來(lái)了非常復(fù)雜的影響。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位對(duì)建筑全年能耗影響的程度不一，而集中使用節(jié)能性能優(yōu)良的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料與結(jié)構(gòu)形式又會(huì)大幅度增加節(jié)能投資，提高建設(shè)成本，降低了建筑節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間也存在相互的影響，這種影響往往使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最佳效果方案并不是設(shè)計(jì)最低值，一味地使用高性能?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能材料只會(huì)造成過(guò)度的成本增量。如何在保證建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)有效性的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確的定量評(píng)估建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能各因素的最優(yōu)組合并具有經(jīng)濟(jì)的可行性，成為了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)和投資決策的關(guān)鍵[4]。在此背景下節(jié)能設(shè)計(jì)中的多目標(biāo)優(yōu)化方法相較于傳統(tǒng)的單因素優(yōu)化方法，可以更加直觀地反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)各因子和建筑節(jié)能與經(jīng)濟(jì)影響的聯(lián)系。該方法具有可體現(xiàn)各因素影響程度相關(guān)性的優(yōu)點(diǎn)，有效減小對(duì)單因素的過(guò)度優(yōu)化。對(duì)新疆烏魯木齊辦公建筑的多目標(biāo)優(yōu)化研究，將成為烏魯木齊辦公建筑節(jié)能和成本控制的關(guān)鍵。

3 新疆烏魯木齊辦公建筑多目標(biāo)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 多目標(biāo)尋優(yōu)方法的選擇

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)受多因素影響，當(dāng)今學(xué)者開(kāi)始使用多目標(biāo)尋優(yōu)的方式解決建筑節(jié)能各因素對(duì)能耗造成的影響。在建筑節(jié)能領(lǐng)域中比較常用的多目標(biāo)尋優(yōu)方法為轉(zhuǎn)化法、正交實(shí)驗(yàn)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是目前最常用的建筑節(jié)能優(yōu)化多目標(biāo)尋優(yōu)方式，通過(guò)建立各因素的垂直與水平正交表，以隨機(jī)因子組合的方式進(jìn)行試驗(yàn)，從而在試驗(yàn)中找出各因子的影響權(quán)重和最優(yōu)解。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在本質(zhì)上是遺傳算法中隨機(jī)組合的部分隨機(jī)性選取，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法通過(guò)設(shè)計(jì)正交表[5]，使正交選取的因子相互隨機(jī)組合，進(jìn)行定向計(jì)算，其結(jié)果為遺傳算法的初代個(gè)體的隨機(jī)組合一代進(jìn)化結(jié)果。遺傳算法在試驗(yàn)次數(shù)上遠(yuǎn)超過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，且因存在個(gè)體進(jìn)化后的迭代計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果要優(yōu)于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法產(chǎn)生的解。清華大學(xué)徐衛(wèi)國(guó)教授在綠色建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)研宄中提出遺傳算法被當(dāng)今學(xué)者視作解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的有效方法。因此，本文選用遺傳算法的方式進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)多目標(biāo)尋優(yōu)，通過(guò)使用英國(guó)謝菲爾德大學(xué)開(kāi)發(fā)的遺傳算法工具箱[6]，以Matlab計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)，從而通過(guò)Matlab實(shí)現(xiàn)遺傳算法，進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)[7]。

3.2 基準(zhǔn)模型建立

本文對(duì)算例城市烏魯木齊所有建筑信息通過(guò)Python進(jìn)行建筑信息數(shù)據(jù)爬取。對(duì)所有建筑大數(shù)據(jù)中的面積2萬(wàn)m2以?xún)?nèi)的辦公建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，最終在169個(gè)辦公建筑中得到42個(gè)符合要求的建筑信息，得到算例城市的辦公建筑外輪廓多以長(zhǎng)方形為主，建筑長(zhǎng)度40～60 m，建筑進(jìn)深14～18 m，建筑高度5層。結(jié)合實(shí)際調(diào)研，得到建筑體型系數(shù)應(yīng)小于0.3；朝向在實(shí)際能耗計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮使用當(dāng)?shù)赝扑]的最佳朝向；通過(guò)對(duì)辦公建筑平面進(jìn)行優(yōu)化，嚴(yán)寒地區(qū)建筑模型初步確定模型為40 m×14 m×18 m體塊，單層面積為480 m2，層高3.6 m，5層，根據(jù)GB 50189—2019的規(guī)定，通過(guò)不同區(qū)域傳熱系數(shù)遴選材料與構(gòu)造形式確定理論原型窗墻比，設(shè)定四側(cè)墻體北方向窗墻比為0.35，東西方向窗墻比為0.10。南側(cè)窗墻比根據(jù)規(guī)范外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)依照節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。根據(jù)以上調(diào)研數(shù)據(jù)建立嚴(yán)寒辦公建筑基準(zhǔn)模型見(jiàn)圖1。

圖1 嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑模型平面

3.3 多目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

對(duì)于公共建筑，由于GB 50189—2019中并未明確規(guī)定公共建筑設(shè)計(jì)建筑的耗熱量指標(biāo)，只需要設(shè)計(jì)建筑的相應(yīng)數(shù)值滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范限值即認(rèn)為達(dá)到公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，按照J(rèn)GJ26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》確定建筑耗熱量指標(biāo)計(jì)算公式[8]：

由建筑耗熱量公式qH與圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K之間的函數(shù)關(guān)系，記為Energy（K），本文研究針對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的建筑外墻、建筑外窗、建筑屋面，其成本計(jì)算均為面積乘以單價(jià)。因此，本研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)的成本公式為：

式中：Eqi——東、西、南、北方向外墻工程造價(jià)；

由式（2）和式（3）建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)成本E與圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K之間的函數(shù)關(guān)系，記為Fcost（K）?；谶z傳算法及建筑節(jié)能、熱工等相關(guān)理論，選擇外墻及外窗的傳熱系數(shù)作為優(yōu)化變量[10]，建立子目標(biāo)模型。根據(jù)式（1）～式（3），可分別建立建筑能耗及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)成本關(guān)于外墻和外窗的傳熱系數(shù)的2個(gè)子目標(biāo)函數(shù)為FEnergy（K）、Fcost（K）。在遺傳算法中，這2個(gè)子目標(biāo)函數(shù)視作2個(gè)平等個(gè)體進(jìn)行迭代分析，因此子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重分別各占50%，得出目標(biāo)函數(shù)設(shè)為F（K），如式（4）所示：

3.4 優(yōu)化參數(shù)選擇及設(shè)置

對(duì)于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的屋面、外墻、外窗、門(mén)構(gòu)成，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)也會(huì)受到窗墻比的影響。因此，需要通過(guò)一種方式找出對(duì)能耗影響程度較大的因素作為主要優(yōu)化方向，通過(guò)定量分析的方式進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)的選擇。通常情況下，門(mén)在辦公建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的面積比例較小，建筑門(mén)對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響較小，因此本文選擇屋面、外墻、外窗、窗墻比這4個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素作定量分析，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)基準(zhǔn)建筑在烏魯木齊的氣候條件下進(jìn)行20組不同屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、不同外墻傳熱系數(shù)、不同外窗傳熱系數(shù)、不同窗墻比的組合能耗模擬，找出基于烏魯木齊氣候條件下各因素的影響程度，確定尋優(yōu)方向。

正交實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果中的極差R，表明因子對(duì)結(jié)果的影響程度[10]。在烏魯木齊辦公建筑模型中，對(duì)建筑能耗最大的影響因素為分別為：外墻（1049.33）＞外窗（1001.88）＞屋面（873.28）＞窗墻比（294.33）。由于窗墻比的R值與外墻、屋面、外窗的R值差距過(guò)大，因此在遺傳算法中，重點(diǎn)針對(duì)外墻、外窗、屋面進(jìn)行優(yōu)化。

3.5 遺傳算法求解過(guò)程

根據(jù)XJJ034—2017要求的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)范值，進(jìn)行遺傳適應(yīng)度的約束。夏季室內(nèi)計(jì)算溫度26℃，冬季室內(nèi)計(jì)算溫度20℃，每人新風(fēng)量30 m3/h，每間辦公室2人，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間：周一～周五09：00～18：00及雙休日關(guān)閉，計(jì)算關(guān)閉了照明能耗計(jì)算模塊。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研情況及規(guī)范的推薦選擇塑料窗框以及中空玻璃為窗的材料；墻體保溫材料選擇聚苯乙烯薄膜塑料板（EPS板）；建筑屋面保溫材料選擇EPS板[11]；建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選取當(dāng)前烏魯木齊常見(jiàn)的典型構(gòu)造做法作為基準(zhǔn)，傳熱系數(shù)規(guī)范要求的區(qū)間就是遺傳算法的約束值函數(shù)，由于烏魯木齊的熱工分區(qū)屬于嚴(yán)寒C區(qū)，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)約束條件分別為：外墻傳熱系數(shù)K1≤0.43 W/（m2·K）；外窗傳熱系數(shù)K2≤2.3 W/（m2·K）；屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K3為≤0.35 W/（m2·K）。

尋優(yōu)計(jì)算將種群規(guī)模設(shè)置為100，總代數(shù)為100，停滯代數(shù)為100，采用軟件模擬的可用最大默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。遺傳算法的總代數(shù)可以理解為遺傳到多少代時(shí)停止遺傳的運(yùn)行，停滯的代數(shù)則是當(dāng)連續(xù)遺傳迭代后適應(yīng)度函數(shù)的加權(quán)平均值變化小于適應(yīng)度函數(shù)值偏差時(shí)停止運(yùn)算，其他默認(rèn)設(shè)置不做修改[12]。

遺傳算法工具運(yùn)行后圖形顯示見(jiàn)圖2。圖中的圓形離散點(diǎn)為最佳適應(yīng)度，即當(dāng)前代數(shù)中最佳值；方形離散點(diǎn)為平均適應(yīng)度，代表當(dāng)前代數(shù)中所有參數(shù)的平均適應(yīng)度能力，即當(dāng)前代數(shù)中，建筑結(jié)構(gòu)各參數(shù)與最佳值的差距。

圖2 仿真模擬遺傳最佳適應(yīng)度值和平均適應(yīng)度值

由圖2可見(jiàn)，迭代停止在第100次，由于此時(shí)得出的最優(yōu)值已經(jīng)滿足停止迭代的條件。該計(jì)算結(jié)果表明，在第100代中平均適應(yīng)度值和最佳適應(yīng)度值重合。進(jìn)入遺傳算法的停止計(jì)算流程，當(dāng)種群個(gè)體間平均差異與期望值接近0時(shí)，說(shuō)明計(jì)算的種群個(gè)體沒(méi)有差異性，但系統(tǒng)仍進(jìn)行計(jì)算，說(shuō)明在約束值范圍內(nèi)可能存在更優(yōu)的參數(shù)，該參數(shù)超出了建筑參數(shù)的設(shè)置值要求。烏魯木齊的建筑節(jié)能仿真實(shí)驗(yàn)中最佳適應(yīng)度值的下降速度還是相對(duì)穩(wěn)定的，且最終下降到0附近，也就是說(shuō)在設(shè)置的適應(yīng)度函數(shù)最小時(shí)，達(dá)到了需求，故本次實(shí)驗(yàn)是有效的。隨著時(shí)間的推移，個(gè)體間的平均距離不斷減小，且期望值越來(lái)越接近于0，最后收斂于遺傳代數(shù)第86代。該結(jié)果表明，在設(shè)置的遺傳總代數(shù)100中，至86代達(dá)到了進(jìn)化的極限，此時(shí)的各因子為最佳值，本代的參數(shù)即為最優(yōu)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最優(yōu)傳熱系數(shù)。

3.6 遺傳算法計(jì)算結(jié)果分析

遺傳因子的適應(yīng)度最大最小值如圖3所示。

圖3 遺傳因子的適應(yīng)度最大最小平均值

由圖3可見(jiàn)，遺傳因子的適應(yīng)度最大最小平均值在不斷進(jìn)行類(lèi)似于梯度下降的迭代且最終基本重合，代表遺傳因子的適應(yīng)度值已達(dá)到要求。在遺傳算法中，當(dāng)進(jìn)化的前后代沒(méi)有差異性時(shí)，代表計(jì)算結(jié)果進(jìn)入穩(wěn)態(tài)遺傳，該結(jié)果表明，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的3個(gè)參數(shù)與增量成本在此時(shí)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。后續(xù)10代的計(jì)算均以本代適應(yīng)度為基準(zhǔn)，未出現(xiàn)其他情況。

圖4為對(duì)每一代貢獻(xiàn)的父代及停止標(biāo)準(zhǔn)的水平。

圖4 每一代貢獻(xiàn)的水平

由圖4可以看到每一次選取的父代均繼承了上一次的優(yōu)點(diǎn)且逐漸趨近于穩(wěn)定，而停止標(biāo)準(zhǔn)的水平也是隨著迭代次數(shù)的增加而逐漸滿足停止迭代的條件。

遺傳因子結(jié)果輸出如圖5所示。

圖5 遺傳因子結(jié)果輸出

根據(jù)圖5的輸出結(jié)果，經(jīng)過(guò)100次迭代運(yùn)算后建筑外墻、外窗、屋面最終的最優(yōu)值為0.43、1.05、0.13。通過(guò)將建筑模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整為最優(yōu)值，結(jié)果外墻外保溫傳熱系數(shù)K=0.43 W/（m2·K），外窗傳熱系數(shù)K=1.05 W/（m2·K），建筑屋面外保溫傳熱系數(shù)K=0.13 W/（m2·K），此時(shí)辦公建筑模型的非供暖建筑耗電量為46.11 kW·h/（m2·a）。根據(jù)基準(zhǔn)模型的平均耗電量57.84 kW·h/（m2·a）計(jì)算，其節(jié)能率達(dá)到了基準(zhǔn)建筑的15%，在只進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的條件下，最高可使圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗負(fù)荷降低20.3%。

4 烏魯木齊辦公建筑遺傳尋優(yōu)結(jié)果推薦構(gòu)造

4.1 外墻

根據(jù)遺傳算法所得到烏魯木齊當(dāng)?shù)剡m宜的外墻傳熱系數(shù)K=0.43 W/（m2·K），推薦適宜的構(gòu)造形式。在原有模型的EPS外墻外保溫層80 mm厚的情況下，傳熱系數(shù)已經(jīng)到達(dá)尋優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，因而在滿足熱工要求的同時(shí)，成本較低的構(gòu)造形式為20 mm室內(nèi)抹混合砂漿+200 mm加氣混凝土砌塊+20 mm水泥砂漿找平+80 mmEPS外墻保溫（見(jiàn)表1）。

表1 外墻保溫參數(shù)

4.2 外窗

根據(jù)遺傳算法尋優(yōu)結(jié)果，外窗傳熱系數(shù)K=1.0W/（m2·K）。目前使用的常規(guī)塑鋼窗無(wú)法達(dá)到理論計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)生建筑能耗提高的原因之一。模型原型使用的窗戶(hù)為5白玻+12A+5白玻的雙層中空玻璃窗。外窗熱工參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 外窗熱工參數(shù)

由表2可知，隨著中空玻璃層數(shù)的增加及玻璃材質(zhì)的優(yōu)化，外窗玻璃的傳熱系數(shù)降低[13]。根據(jù)遺傳算法所得出的最優(yōu)結(jié)論，外窗傳熱系數(shù)K值為1.05 W/（m2·K）時(shí)最優(yōu)。根據(jù)目前外窗研究發(fā)展現(xiàn)狀，傳熱系數(shù)達(dá)到1.05 W/（m2·K）的外窗國(guó)內(nèi)少見(jiàn)且僅用于少量試驗(yàn)性建筑。因此對(duì)于烏魯木齊地區(qū)既滿足熱工要求又較低成本的推薦構(gòu)造形式為6白玻+12A+6Low-E或者6Sun-E+12A+6白玻的雙層中空玻璃。

4.3 屋面

建筑屋面保溫隔熱性能不僅會(huì)影響頂層房間的能耗，而且會(huì)影響頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境[14]。因此，屋頂應(yīng)設(shè)置保溫層。尋優(yōu)結(jié)果表明，屋面外保溫傳熱系數(shù)需要達(dá)到0.13 W/（m2·K），原有屋面保溫厚度60 mm需要加厚到240 mm才可以滿足。因此對(duì)于烏魯木齊地區(qū)滿足熱工要求及最低成本的屋面構(gòu)造推薦使用240 mmEPS外保溫。

5 結(jié)論

研究表明，基于遺傳算法的多目標(biāo)尋優(yōu)方法多用于理論性研究，可達(dá)到節(jié)能優(yōu)化的設(shè)計(jì)需求，并有效控制設(shè)計(jì)成本。

在原有模型基礎(chǔ)上，烏魯木齊辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)仍有優(yōu)化空間，尋優(yōu)結(jié)果為建筑外墻傳熱系數(shù)K=0.43 W/（m2·K），現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)即可滿足需要；建筑外窗傳熱系數(shù)K=1.05 W/（m2·K），根據(jù)目前外窗研究發(fā)展現(xiàn)狀，推薦構(gòu)造形式為6白玻+12A+6Low-E或者6Sun-E+12A+6白玻的雙層中空玻璃；建筑屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K=0.13 W/（m2·K），屋面保溫厚度需達(dá)到240 mm。

經(jīng)計(jì)算后，建筑模型的全年綜合非供暖能耗下降至46.11 kW·h/（m2·a）。根據(jù)基準(zhǔn)模型的平均耗電量57.84kW·h/（m2·a）計(jì)算，其節(jié)能率達(dá)到了基準(zhǔn)建筑的20.3%，在只進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的條件下，最高可使圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗負(fù)荷降低20.3%。