基于改進(jìn)遺傳算法的建筑外墻導(dǎo)熱性能智能評(píng)估方法

李靖，張?chǎng)?，周炎，楊澤?/p>

（中建二局第一建筑工程有限公司）

1 引言

在建筑維護(hù)體系結(jié)構(gòu)當(dāng)中，墻體的耗能占比最大，可達(dá)到四成，因此，通過改善墻體的熱工性能，可以進(jìn)一步促進(jìn)建筑行業(yè)整體節(jié)能減排發(fā)展速度的提升。作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)重要的組成部分，建筑外墻結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能評(píng)價(jià)一直存在一定技術(shù)難題，合理的建筑外墻材料選擇能夠?qū)ㄖw實(shí)施更加有效的隔熱保護(hù)[1]。建筑外墻的導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)價(jià)其隔熱、導(dǎo)熱性能的重要指標(biāo)，對(duì)外墻結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)于保證建筑外墻結(jié)構(gòu)的安全服役具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。雖然當(dāng)前針對(duì)建筑外墻結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量和評(píng)估方法較多，但大部分評(píng)估方法仍然存在一定問題。例如，傳統(tǒng)熱流計(jì)測(cè)試方法在對(duì)建筑外墻結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能評(píng)估時(shí)，評(píng)估得出的數(shù)據(jù)常常與實(shí)際相差較大，并且操作相對(duì)復(fù)雜。傳統(tǒng)熱箱法的理論研究十分成熟，但若想利用該方法實(shí)現(xiàn)實(shí)踐評(píng)估仍然無法解決熱橋部分局限性的問題[2]。因此，針對(duì)上述傳統(tǒng)評(píng)估方法在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，本文開展基于改進(jìn)遺傳算法的建筑外墻導(dǎo)熱性能智能評(píng)估方法研究。

2 基于改進(jìn)遺傳算法的建筑外墻導(dǎo)熱性能智能評(píng)估方法設(shè)計(jì)

2.1 基于可見光圖像探測(cè)器的外墻紅外圖像智能采集

為實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑外墻結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能智能化評(píng)估，本文首先引入現(xiàn)代探測(cè)設(shè)備，利用可見光圖像探測(cè)器對(duì)外墻結(jié)構(gòu)的紅外圖像進(jìn)行智能采集。選用ZDM86-540 型號(hào)雙波段可見光圖像探測(cè)器[3]。利用該探測(cè)器采集外墻紅外圖像，再進(jìn)行從圖像到圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[4]。利用探測(cè)器傳出的同步控制信號(hào)，得到待評(píng)估建筑外墻的紅外圖像；再利用圖像分割算法，將待評(píng)估的建筑外墻紅外圖像中不同表面組成材質(zhì)進(jìn)行合理劃分，并根據(jù)其真實(shí)溫度的計(jì)算公式以及紅外圖像上各個(gè)像素點(diǎn)所在區(qū)域的紅外發(fā)射頻率，對(duì)圖像當(dāng)中各個(gè)像素點(diǎn)的建筑外墻表面溫度進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

式（1）中：T為紅外圖像上建筑外墻各個(gè)像素點(diǎn)代表的表面溫度；ε為建筑外墻表面紅外發(fā)射率，數(shù)值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器的實(shí)際標(biāo)定頻率設(shè)定；τ為大氣光譜透射率；T'為發(fā)射頻率為黑體發(fā)射情況下利用探測(cè)器探測(cè)得出的指定位置上的表面溫度，其數(shù)值根據(jù)黑體標(biāo)定值得出；n為探測(cè)器在探測(cè)過程中的工作波段編號(hào)。按照上述公式（1），完成對(duì)可見光圖像探測(cè)器探測(cè)到的外墻紅外圖像的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)，將從紅外圖像上采集到的所有圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，以此為后續(xù)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 基于改進(jìn)遺傳算法的導(dǎo)熱性能評(píng)估模型構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑外墻導(dǎo)熱性能的評(píng)估，在上述基于可見光圖像探測(cè)器采集到的外墻紅外圖像及圖像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)遺傳算法對(duì)導(dǎo)熱性能評(píng)估模型進(jìn)行構(gòu)建。針對(duì)建筑外墻結(jié)構(gòu)的移位穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本控制方程為：

式（2）中：T1為建筑外墻結(jié)構(gòu)的實(shí)際溫度；λ為建筑外墻結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)。由于建筑外墻受到的外界環(huán)境影響較大，因此采用上述控制方程得出的計(jì)算結(jié)果很難滿足高精度評(píng)估要求[5]。針對(duì)這一問題，本文引入改進(jìn)后的遺傳算法，利用該算法當(dāng)中的相關(guān)性配對(duì)方法在避免出現(xiàn)近親繁殖的情況下，利用交叉算子，對(duì)下一代種群進(jìn)行擇優(yōu)錄取，并以此實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)估結(jié)果的不斷優(yōu)化。在選擇個(gè)體時(shí)，首先利用公式（3）對(duì)種群當(dāng)中所有不相關(guān)性指數(shù)剔除：

式（3）中：X和Y分別為種群當(dāng)中的兩個(gè)個(gè)體；r(X,Y)為X和Y之間不相同基因的數(shù)量，同時(shí)，在計(jì)算的過程中，若xi⊕yi取值為0，則說明xi=yi；若xi⊕yi取值為1，則說明xi≠yi。由公式（3）可知，r(X,Y)數(shù)值越大，則X和Y之間的相關(guān)性越小。完成對(duì)不相關(guān)指數(shù)的剔除后，將所有相關(guān)性系數(shù)較高的指標(biāo)帶入到如下公式當(dāng)中，完成對(duì)導(dǎo)熱性能評(píng)估模型的構(gòu)建：

式（4）中：f為導(dǎo)熱性能評(píng)估模型當(dāng)中各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的適應(yīng)度；Tic為某一組提取到的圖像數(shù)據(jù)當(dāng)中導(dǎo)熱性能參數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)中第i點(diǎn)的取值；Ti為待評(píng)估建筑外墻溫度場(chǎng)當(dāng)中某一像素點(diǎn)i的具體數(shù)值。

①在實(shí)際計(jì)算過程中，對(duì)待求解的建筑外墻導(dǎo)熱性能參數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制編碼，并產(chǎn)生相應(yīng)的遺傳初始種群，對(duì)種群的適應(yīng)度進(jìn)行求解[6]。②判斷該種群的適應(yīng)度是否滿足終止遺傳迭代的條件。若滿足，則終止遺傳迭代，將得出的數(shù)值作為輸出結(jié)果；若不滿足，則進(jìn)入到下一步驟當(dāng)中。③選擇個(gè)體相關(guān)性進(jìn)行配對(duì)，并在有效區(qū)域范圍內(nèi)完成一多點(diǎn)交叉多重均勻變異。④在產(chǎn)生的子代種群當(dāng)中，再利用上述公式對(duì)種群的適應(yīng)度進(jìn)行計(jì)算，并引入父子競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制產(chǎn)生新的種群，直到計(jì)算得出的種群適應(yīng)度滿足設(shè)定為止，將結(jié)果輸出。

2.3 選擇建筑外墻導(dǎo)熱性能評(píng)估指標(biāo)

將上述基于改進(jìn)遺傳算法構(gòu)建的導(dǎo)熱性能評(píng)估模型作為基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑外墻導(dǎo)熱性能的評(píng)估，還需要明確對(duì)其產(chǎn)生影響的各項(xiàng)因素。根據(jù)建筑外墻導(dǎo)熱性能影響因素，對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行選擇，包括材料密度、材料濕度等。其中材料密度主要受到材料內(nèi)部孔隙數(shù)量和大小的影響[7]。在評(píng)估過程中，可將材料密度看作是組成建筑外墻結(jié)構(gòu)的材料質(zhì)量。材料密度越大，材料上的孔隙越多，孔隙傳熱的影響比率也會(huì)隨之增加，最終整個(gè)骨架部分作用力呈對(duì)應(yīng)減小趨勢(shì)。同時(shí)，外墻施工材料的導(dǎo)熱系數(shù)也將降低。綜合上述分析可知，建筑外墻導(dǎo)熱材料的密度與孔隙率兩者之間存在直接關(guān)聯(lián)性，可將建筑外墻導(dǎo)熱材料的孔隙定義為孔隙與材料整體體積的比例。材料整體密度越小，導(dǎo)熱系數(shù)越小。綜合市場(chǎng)上常用的保溫材料可知，超過八成的建筑商在進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)時(shí)，選擇的保溫材料為泡沫制品材料[8]。而綜合對(duì)泡沫制品材料性能的研究中發(fā)現(xiàn)，此種材料在實(shí)際應(yīng)用中，吸水性能較差，因此，也可以將吸水性能作為建筑外墻導(dǎo)熱性能的評(píng)估指標(biāo)。

2.4 建筑外墻非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程數(shù)值模擬動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

由于建筑外墻導(dǎo)熱性能受各種因素影響，不斷發(fā)生改變，因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)其的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，對(duì)建筑外墻非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。在進(jìn)行數(shù)值模擬的過程中，首先需要對(duì)待評(píng)估建筑外墻的主體材料導(dǎo)熱參數(shù)、外表面換熱參數(shù)以及內(nèi)表面換熱參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。其中，主體材料導(dǎo)熱參數(shù)為理論參數(shù)值，其他兩個(gè)參數(shù)均為實(shí)際測(cè)量得出的數(shù)據(jù)。利用FLUENT軟件對(duì)整個(gè)建筑外墻導(dǎo)熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。在分析前，為了確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，需要將通過FLUENT 軟件得出的建筑外墻表面溫度模擬數(shù)值與實(shí)際測(cè)量數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，若其變化趨勢(shì)保持一致，則說明模擬得出的數(shù)據(jù)變化符合實(shí)際待評(píng)估建筑外墻的導(dǎo)熱性能變化。通過對(duì)不同時(shí)刻下，待評(píng)估建筑外墻表面的熱流密度值，計(jì)算得出建筑外墻上圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱熱阻，并將其作為建筑外墻非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程數(shù)值模擬的邊界條件。當(dāng)輸入的邊界條件與實(shí)際測(cè)量得到的熱阻數(shù)值越接近時(shí)，則越能夠準(zhǔn)確對(duì)建筑外墻非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的數(shù)值進(jìn)行模擬。在模擬過程中，每種導(dǎo)熱性能評(píng)估等級(jí)的固有頻率均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因此可以利用均值表示的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)每一等級(jí)下對(duì)應(yīng)的建筑外墻導(dǎo)熱性能的平均水平的描述。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的基于改進(jìn)遺傳算法的建筑外墻導(dǎo)熱性能智能評(píng)估方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，將其與傳統(tǒng)基于有限差分法的評(píng)估方法同時(shí)應(yīng)用到相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中，針對(duì)同一建筑中的外墻結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)中選擇的建筑外墻有三層不同建筑材料組成，墻體外側(cè)通過測(cè)量得出其溫度為35°C，三層建筑結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外厚度依次為0.15mm、0.32mm 和0.15mm。利用本文提出的評(píng)估方法對(duì)建筑外墻導(dǎo)熱性能評(píng)估時(shí)，首先采用二進(jìn)制編碼對(duì)待評(píng)估參數(shù)進(jìn)行處理，由于在本文實(shí)驗(yàn)當(dāng)中共涉及三個(gè)待求解量，因此確保在使用改進(jìn)遺傳算法時(shí)，每個(gè)染色體當(dāng)中都包含了三個(gè)不同的參數(shù)信息，對(duì)每一個(gè)參數(shù)均采用10 位二進(jìn)制編碼，每個(gè)染色體當(dāng)中都含有30個(gè)各不相同的基因位。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性，規(guī)定建筑外墻導(dǎo)熱系數(shù)按照如下統(tǒng)一的公式進(jìn)行計(jì)算：

式（5）中：?為建筑外墻導(dǎo)熱系數(shù)；γ為本文評(píng)估方法或傳統(tǒng)評(píng)估方法得出的評(píng)估結(jié)果數(shù)值；A為傳導(dǎo)面積；t為外墻表面溫度；x為建筑外墻待評(píng)估區(qū)域的位置坐標(biāo)。完成實(shí)驗(yàn)后，將兩種評(píng)估方法得出的各個(gè)區(qū)域結(jié)構(gòu)的外墻導(dǎo)熱系數(shù)記錄，并對(duì)其進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 兩種評(píng)估方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

從表1 中多組數(shù)據(jù)對(duì)比得出，本文所提方法在實(shí)踐中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)建筑外墻導(dǎo)熱性能的準(zhǔn)確評(píng)估。

4 結(jié)語

本文通過改進(jìn)遺傳算法對(duì)建筑外墻的導(dǎo)熱性能進(jìn)行智能評(píng)估，運(yùn)用數(shù)學(xué)公式實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集到的紅外圖像到圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并利用改進(jìn)遺傳算法對(duì)建筑外墻導(dǎo)熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)其導(dǎo)熱性能的評(píng)估。