基于進(jìn)化算法的高層工業(yè)化住宅碳排放權(quán)衡分析

■ 郭 峰 GUO Feng 顏宏亮 YAN Hongliang

0 引言

在我國新型城鎮(zhèn)化及建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的過程中，住宅建筑碳排放造成的生態(tài)沖擊已經(jīng)成為不容忽視的環(huán)境問題。建筑碳排放的直接原因主要在于建設(shè)、生產(chǎn)及社會性活動中對化石及礦物燃料的不斷消耗[1]，建筑能耗在各行業(yè)中占比量大。據(jù)統(tǒng)計，2015年，我國建筑能源消耗占據(jù)了全國能源消耗量的20%[2]，因此，建筑能耗引起的碳排放量是低碳減排的重要控制因素。

工業(yè)化住宅相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅在低碳減排方面具有顯著的環(huán)境效益，傳統(tǒng)建造模式下的作業(yè)組織粗放松散，無法對勞動力和物料資源進(jìn)行集中高效利用，而工業(yè)化住宅通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化制造、機(jī)械化裝配等技術(shù)革新，使得建造流程的環(huán)境效益得以優(yōu)化，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)可使能耗更加集約，有益于減小住宅建筑產(chǎn)生的生態(tài)碳負(fù)荷。

1 高層工業(yè)化住宅碳排放分析

1.1 碳排放源

高層工業(yè)化住宅碳排放主要源于運(yùn)行階段和物化拆解階段的碳排放，主要為各類生產(chǎn)生活行為消耗電能、化石能源等所產(chǎn)生的溫室氣體排放。其中，運(yùn)行使用階段的碳排放主要源于住戶采用的各類采暖、制冷、供熱、照明等生活設(shè)施的能源消耗，而物化拆解階段的碳排放主要源于建造拆解過程中各類工藝活動的能源消耗。高層工業(yè)化住宅與傳統(tǒng)住宅在運(yùn)行階段的碳源類同，而其物化過程由于采取工業(yè)化生產(chǎn)方式，具有清晰的工藝流程，因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化工藝并結(jié)合BIM 信息模型便于整合碳源信息，提高工業(yè)化住宅碳排放核算的精確度。

1.2 碳排放邊界

住宅碳排放以全生命周期為計算邊界，涵蓋從建造、使用到拆解回收全生命周期的全部CO2排放量。在住宅全生命周期內(nèi)，運(yùn)行使用階段長達(dá)數(shù)十年，屬于長周期持續(xù)性排碳，物化拆解階段屬于短周期一次性排碳，運(yùn)行使用階段的碳排放總量往往占據(jù)全生命周期的大部分，因此，根據(jù)碳排放類型和比例可將其歸納為運(yùn)行周期碳足跡和物化周期碳足跡。以住宅的全生命周期為視角，可結(jié)合工藝流程，將碳排放邊界分為建材生產(chǎn)、集成制造、運(yùn)輸安裝、運(yùn)行維護(hù)、拆解回收等環(huán)節(jié)（圖1）。

圖1 高層工業(yè)化住宅全生命周期碳排放邊界示意圖

1.3 碳排放核算依據(jù)

在建筑碳排放研究領(lǐng)域，對于碳排放量的核算方法主要有實(shí)測法、質(zhì)量平衡法、排放系數(shù)法等計算方式，而排放系數(shù)法是建筑尺度下較為常用的核算方法[3]。根據(jù)排放系數(shù)法進(jìn)行計算，需要對碳排放活動及相應(yīng)的碳排放因子進(jìn)行合理統(tǒng)計。在本文中，碳排放因子的選擇以《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51366—2019）和國家發(fā)布的中國地區(qū)電網(wǎng)平均二氧化碳排放因子為核算依據(jù)[4-5]。

2 基于進(jìn)化算法的住宅低碳優(yōu)化設(shè)計

2.1 碳排放權(quán)衡分析

目前，在高層工業(yè)化住宅設(shè)計過程中，低碳減排的量化分析方法亟待與方案設(shè)計整合，使住宅方案設(shè)計與低碳設(shè)計建立更為直觀的聯(lián)系。在實(shí)際工程中，住宅設(shè)計需要考慮功能、造型、成本等各方面的制約因素，其經(jīng)驗(yàn)性的定性設(shè)計模式往往使得方案在低碳減排方面具有一定的優(yōu)化潛力，通過基于進(jìn)化算法的優(yōu)化模擬可對設(shè)計參數(shù)及相應(yīng)的碳排放量進(jìn)行量化分析，有益于對不同方案組合的節(jié)碳性權(quán)衡研判。

2.2 遺傳算法

進(jìn)化算法（Evolutionary Algorithm）是模擬生物自然進(jìn)化的全局優(yōu)化方法，在眾多行業(yè)領(lǐng)域具有廣泛適應(yīng)性，其中，NSGA Ⅱ遺傳算法是一種典型的進(jìn)化計算方法，在工程設(shè)計領(lǐng)域的多目標(biāo)優(yōu)化問題中應(yīng)用較為成熟。遺傳算法的出發(fā)點(diǎn)是模擬生物進(jìn)化優(yōu)勝劣汰的過程，通過對初始數(shù)據(jù)組合的優(yōu)化運(yùn)算，使得方案參數(shù)在歷代模擬中進(jìn)化。遺傳算法的核心思想是對優(yōu)化目標(biāo)的潛在可行性進(jìn)行全局搜索，利用進(jìn)化迭代的模擬計算，尋找符合多目標(biāo)優(yōu)化要求的最優(yōu)方案集合。優(yōu)化運(yùn)算時首先建立初始種群，通過選擇、交叉、變異等操作，對歷代計算數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和處理，選取適應(yīng)度高的個體，排除掉適應(yīng)度低的個體，從而保證優(yōu)勢基因的延續(xù)，直至收斂得到最優(yōu)解集。

研究以Wallacei 軟件作為優(yōu)化運(yùn)算平臺，Wallacei 是以遺傳算法為計算引擎的Grasshopper 插件，對參數(shù)化建筑設(shè)計和BIM 協(xié)同設(shè)計具有良好的兼容性，建筑師可通過建立優(yōu)化目標(biāo)、執(zhí)行進(jìn)化演算、權(quán)衡最優(yōu)解集來輸出可量化的參考依據(jù)（圖2）。

圖2 多目標(biāo)進(jìn)化運(yùn)算流程圖

由于通過進(jìn)化計算得出的Pareto最優(yōu)解是一組集合，在歷代進(jìn)化計算中屬于最貼近優(yōu)化目標(biāo)的結(jié)果，而住宅設(shè)計所面臨的問題包含眾多因素，在性能指標(biāo)導(dǎo)向外還需要考慮各類限制條件，因而在遺傳算法求出的其他可行解當(dāng)中，仍然可能存在相比Pareto 最優(yōu)解與項(xiàng)目現(xiàn)實(shí)條件更吻合的方案組合。因此，除了對最優(yōu)解篩選之外，通過對全局可行解的遍歷（依據(jù)搜索路徑，對全局計算結(jié)果逐一進(jìn)行信息訪問），或可提供更多的方案選擇。

3 案例應(yīng)用分析

3.1 案例概況

分析對象為上海某14 層工業(yè)化混凝土住宅，單體建筑面積為7 843 m2，住宅建筑高度為42.55 m，采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，預(yù)制率為40.1%（圖3）。預(yù)制外墻板采用A級自調(diào)溫相變蓄能材料內(nèi)保溫系統(tǒng)，集成外窗采用中透Low-E 玻璃，傳熱系數(shù)為2.2 W/（m2K）；預(yù)制凸窗采用高透Low-E 玻璃，傳熱系數(shù)為2.0 W/（m2K）。

圖3 工業(yè)化住宅設(shè)計參數(shù)示意圖（豎向預(yù)制圍護(hù)構(gòu)件布置）

3.2 優(yōu)化模型參數(shù)設(shè)置

優(yōu)化分析采用控制變量法，在原設(shè)計的基礎(chǔ)之上，以低碳為導(dǎo)向建立基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化模型，主要對工業(yè)化住宅預(yù)制外圍護(hù)構(gòu)件的幾何及性能參數(shù)作進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化計算結(jié)果調(diào)整相關(guān)設(shè)計參數(shù)，以篩選適宜的方案組合。

3.2.1 優(yōu)化目標(biāo)及方程

根據(jù)高層工業(yè)化住宅碳排放核算邊界，其全生命周期包含建材生產(chǎn)、集成制造、運(yùn)輸安裝、運(yùn)行維護(hù)、拆解回收等階段，其中，運(yùn)行周期碳排放占比最大，是低碳設(shè)計的重點(diǎn)；而在物化周期內(nèi)，集成制造階段在工廠內(nèi)批量生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件，在短周期內(nèi)產(chǎn)生大量的CO2氣體，集中而高密度的碳排放可能造成較大的生態(tài)環(huán)境負(fù)擔(dān)?；诖?，多目標(biāo)優(yōu)化分析中，將運(yùn)行階段和集成制造階段碳排放分別作為優(yōu)化目標(biāo)FO1 和FO2，將物化周期內(nèi)其他階段的碳排放作為優(yōu)化目標(biāo)FO3。

工業(yè)化住宅運(yùn)行階段，碳排放主要考慮計算單元的供熱能耗、制冷能耗、照明能耗和設(shè)備能耗等部分，通過Ladybug+Honeybee 模擬平臺計算，得到相應(yīng)的模擬能耗值，進(jìn)而結(jié)合碳排放因子核算運(yùn)行周期碳排放量。運(yùn)行階段目標(biāo)方程中的排放因子根據(jù)中國地區(qū)電網(wǎng)平均CO2排放因子取值[5]，計算采用單位面積的年均運(yùn)行碳排放值。

工業(yè)化住宅集成制造階段，碳排放主要依據(jù)構(gòu)件成型工藝，統(tǒng)計工藝活動中能源消耗，并結(jié)合碳排放因子計算碳排放量，優(yōu)化計算中將碳排放量均攤至單位面積。物化周期內(nèi)其他階段的核算原理與制造階段類同，目標(biāo)方程根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]中相應(yīng)的各階段計算方程。

3.2.2 優(yōu)化設(shè)計變量

優(yōu)化模型的設(shè)計變量選取預(yù)制外墻板傳熱系數(shù)、外窗傳熱系數(shù)、窗墻比、層高、朝向等參數(shù)（表1）。其中，預(yù)制外墻板傳熱系數(shù)受到保溫材料及厚度的影響，外窗傳熱系數(shù)主要由玻璃性能參數(shù)影響，窗墻比主要由外墻板和外窗洞口尺寸影響。模擬分析采用控制變量法，在控制其他參數(shù)的前提下，通過調(diào)整設(shè)計變量的取值來計算相應(yīng)的碳排放量。

表1 優(yōu)化設(shè)計變量

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化模型以Wallacei+Grasshopper作為運(yùn)算平臺，初始種群數(shù)量為50，迭代次數(shù)為100，交叉率為0.8，變異率0.1（CPU Intel Core i5-8300H 2.30GHz）。

優(yōu)化運(yùn)算過程的標(biāo)準(zhǔn)差和趨勢線如圖4 所示，反映了各目標(biāo)的進(jìn)化迭代趨勢。圖中左側(cè)表征各目標(biāo)在進(jìn)化計算中的標(biāo)準(zhǔn)差值分布態(tài)勢，紅色曲線表示初期結(jié)果，藍(lán)色曲線表示末期結(jié)果；圖中右側(cè)表征標(biāo)準(zhǔn)差對應(yīng)的趨勢線，反映了迭代過程的優(yōu)化計算趨勢。在本次優(yōu)化計算中：FO1 和FO2的標(biāo)準(zhǔn)差值隨進(jìn)化過程逐步降低，表明目標(biāo)在迭代過程中其參數(shù)質(zhì)量產(chǎn)生較為明顯的提升趨勢；FO3 在進(jìn)化計算初期，其標(biāo)準(zhǔn)差的峰值產(chǎn)生大幅下降，而在隨后的計算過程中又逐漸回升，該目標(biāo)的計算結(jié)果可能仍有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。

圖4 優(yōu)化過程的標(biāo)準(zhǔn)差和趨勢線

各目標(biāo)在進(jìn)化過程中得到了一定的優(yōu)化量，整體而言，運(yùn)行階段碳排放的下浮量較大，其他兩組目標(biāo)下浮量相對較少。同時，在末代優(yōu)化解中，其他兩個目標(biāo)的碳排放量仍然較高，說明存在有待進(jìn)一步優(yōu)化的方案，需要繼續(xù)篩選更適宜的優(yōu)化組合。

優(yōu)化模型通過對外墻保溫材料、外窗玻璃、窗墻比、朝向、層高等設(shè)計參數(shù)的調(diào)整，使得年運(yùn)行碳足跡可以維持在一定量值或?qū)崿F(xiàn)下浮。根據(jù)年運(yùn)行碳排放優(yōu)化量，外墻保溫構(gòu)造和外窗性能參數(shù)的影響作用較大，在CO2低于50.00 kg/ m2a 的方案中，預(yù)制外墻板保溫層厚度均達(dá)到45 mm以上，保溫材料傾向于選擇擠塑聚苯板和模塑聚苯板，外窗玻璃大多選擇了K值為1.0 W/（m2K）的窗B 和K值為0.9 W/（m2K）的窗C。由于預(yù)制外墻板和外窗在高層工業(yè)化住宅外表面積中占據(jù)大部分比例，其整體熱工性能的提高有益于運(yùn)行能耗的降低，從而使得年運(yùn)行碳排放量下降。而玻璃外窗作為住宅室內(nèi)外熱交換較為集中的界面，其傳熱系數(shù)往往可以影響外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的下限，在年運(yùn)行碳排放量最小的十組優(yōu)化解中，外窗均選擇了窗C。然而，在進(jìn)化過程的歷代優(yōu)化解中，同時也存在方案組合在選擇了較厚保溫材料和窗C 的情況下，其年運(yùn)行碳排放量仍然較高，究其原因，住宅運(yùn)行周期碳排放受到諸多因素的綜合影響，雖然某些方案采用了熱工性能良好的外表皮材料，但由于受到窗墻比、朝向、層高等因素的疊加作用，其碳排放優(yōu)化量仍然存在較大的下浮潛力，因而最終未進(jìn)入最優(yōu)解集合。

對于進(jìn)化計算結(jié)果的篩選，一方面，可以直接在最優(yōu)解區(qū)間篩選滿足設(shè)計需求的方案組合；另一方面，也可對歷代優(yōu)化解進(jìn)行遍歷搜索，從全局角度對更多的量化參考進(jìn)行權(quán)衡分析。以末代優(yōu)化解中的一組方案為例（圖5），根據(jù)遍歷結(jié)果：在設(shè)計變量方面，外墻保溫層選擇了50 mm厚擠塑聚苯板，外窗選擇了窗B，層高為2.95 m，南向窗墻比為0.45，北向窗墻比為0.40，西向窗墻比為0.04，朝向?yàn)槟掀珫|5°；相應(yīng)的年運(yùn)行碳排放量下浮。

圖5 優(yōu)化結(jié)果遍歷參數(shù)示意圖

4 結(jié)語

本研究以低碳減排為導(dǎo)向，對高層工業(yè)化住宅的碳排放源、核算邊界進(jìn)行了梳理，將Wallacei 多目標(biāo)優(yōu)化平臺（以進(jìn)化算法為計算引擎）和Ladybug+Honeybee 性能模擬平臺（以Energy-plus 為引擎）相結(jié)合，搭建了針對高層工業(yè)化住宅碳排放的“設(shè)計—模擬—優(yōu)化”權(quán)衡分析模型。優(yōu)化模型以高層工業(yè)化住宅生命周期不同階段的碳排放量為優(yōu)化目標(biāo)，通過迭代計算搜索最優(yōu)設(shè)計方案，并通過遍歷從全部可行解中檢索適宜的設(shè)計組合。根據(jù)模擬計算可知，預(yù)制外墻板保溫性能、外窗熱工性能、窗墻比、層高、朝向等因素對優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生綜合影響，通過對設(shè)計參數(shù)的定量分析，往往可以實(shí)現(xiàn)一定的節(jié)碳效益?；谶M(jìn)化算法的權(quán)衡分析，不僅可為工業(yè)化住宅低碳設(shè)計提供量化參考，通過參數(shù)化建模軟件搭載的Wallacei 插件，還可在建筑設(shè)計與低碳設(shè)計之間建立直觀的聯(lián)系，便于幫助建筑師在方案過程中進(jìn)行初步研判。