基于最短路徑算法的近零能耗建筑被動式節(jié)能設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

王 萌，姜?dú)J青，朱 杰

（江西省建筑技術(shù)促進(jìn)中心，江西 南昌）

前言

近零能耗建筑是現(xiàn)代社會背景下基于可持續(xù)發(fā)展要求提出的新型建筑設(shè)計(jì)模式和方法，這類建筑能夠有效達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目標(biāo)，通過對各項(xiàng)建筑參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來提升建筑的使用性能和質(zhì)量效果。基于當(dāng)前不斷提升的科學(xué)技術(shù)水平，可以將算法融入到近零能耗建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)當(dāng)中，進(jìn)一步提升建筑節(jié)能計(jì)算的準(zhǔn)確性，從而有效推動近零能耗建筑工程的發(fā)展[1-3]。

1 近零能耗建筑被動式節(jié)能設(shè)計(jì)要求

從建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的角度來探討近零能耗建筑的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)將建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)集中到建筑外墻、屋面、地面保溫性能、外窗傳熱系數(shù)、氣密性等級等參數(shù)指標(biāo)上。在充分考慮當(dāng)前近零能耗建筑使用功能的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮被動式節(jié)能策略的特點(diǎn)，減少建造成本和運(yùn)行能耗。

相比傳統(tǒng)建筑的設(shè)計(jì)原理和過程，對近零能耗建筑被動式節(jié)能的設(shè)計(jì)，應(yīng)基于圖1 中的過程，在確定近零能耗建筑的相關(guān)指標(biāo)之后，結(jié)合建筑項(xiàng)目的實(shí)際建設(shè)要求，利用能耗模擬軟件構(gòu)建近零能耗建筑模型。依托模型數(shù)據(jù)以人工智能算法的方式對建筑能耗進(jìn)行預(yù)測，作為建筑設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。在節(jié)能設(shè)計(jì)中，這種主要針對建筑能耗進(jìn)行計(jì)算的軟件，能夠直接調(diào)用計(jì)算核心接口，在導(dǎo)入基礎(chǔ)建筑模型并批量輸入計(jì)算參數(shù)之后，可以基于制定好的算法流程來對建筑能耗進(jìn)行計(jì)算。

圖1 被動式節(jié)能設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化流程

在明確這一算法流程的前提下，考慮近零能耗建筑的被動式節(jié)能設(shè)計(jì)要求，對建筑模型的構(gòu)建應(yīng)以被動式技術(shù)策略、建筑能耗和經(jīng)濟(jì)性作為主要依據(jù)，選擇更符合建筑實(shí)際情況的被動式技術(shù)優(yōu)選方案，從而為工程應(yīng)用提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。

2 基于最短路徑算法的近零能耗建筑被動式節(jié)能設(shè)計(jì)分析

現(xiàn)階段對建筑性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)主要依靠建筑模型來實(shí)現(xiàn)，考慮將最短路徑算法應(yīng)用到近零能耗建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，以提高針對建筑模型能耗計(jì)算性能的方式，能夠有效降低模擬軟件對計(jì)算性能的約束，在尋求最優(yōu)解的同時，也能夠?yàn)榻ㄖ?xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)的依據(jù)。基于此，對近零能耗建筑的被動式節(jié)能設(shè)計(jì)，主要從以下幾個方面入手。

2.1 最短路徑算法應(yīng)用原理

在近零能耗建筑的被動式節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)用最短路徑算法主要基于多目標(biāo)優(yōu)化的原理，首先對建筑被動式節(jié)能設(shè)計(jì)所需的技術(shù)變量進(jìn)行篩選。這一篩選過程主要依據(jù)以下目標(biāo)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)：

式中，f1代表建筑總能耗，單位為kW·h/(m2·a)；f2代表建筑成本，單位為元/m2；x 代表被動式節(jié)能技術(shù)變量的1-N 代組合。

在確定計(jì)數(shù)變量類型之后，還應(yīng)考慮建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的總體要求，以引入全局成本增量概念的方式，實(shí)現(xiàn)對于建筑總能耗和建筑成本最優(yōu)解的計(jì)算分析。全局成本增量的計(jì)算過程如下：

基于得到的計(jì)算結(jié)果，還可以進(jìn)一步對建筑整體的節(jié)能效果進(jìn)行綜合評價與分析?？紤]基于多目標(biāo)優(yōu)化的原理，通常在實(shí)際計(jì)算中沒有唯一的最優(yōu)解，需要依據(jù)圖2 中的優(yōu)化流程，在計(jì)算中應(yīng)用科學(xué)的方法得到一組能夠均勻分布在目標(biāo)空間邊界上的最優(yōu)解集，進(jìn)而為近零能耗建筑的被動式節(jié)能設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)的依據(jù)。

圖2 多目標(biāo)優(yōu)化流程

2.2 建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

在基于最短路徑算法對近零能耗建筑進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)前，應(yīng)做好進(jìn)行節(jié)能計(jì)算的準(zhǔn)備工作。首先應(yīng)基于建筑本身的設(shè)計(jì)圖紙和建設(shè)要求，進(jìn)行參照建筑的設(shè)計(jì)?？紤]構(gòu)建建筑模型需要對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，在結(jié)合建筑工程現(xiàn)場整體環(huán)境情況的前提下，明確建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的限值標(biāo)準(zhǔn)，可以得到表1 中的主要建筑模型參數(shù)。

表1 建筑模型參數(shù)設(shè)置

在明確以上建筑模型參數(shù)之后，需要應(yīng)用最短路徑算法來設(shè)置計(jì)算所需的計(jì)數(shù)變量。本文在對建筑進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時，主要選擇建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)作為技術(shù)變量，同時也考慮被動式技術(shù)變量本身逐漸遞增的狀態(tài)，結(jié)合建筑市場的價格明確建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的初投資成本，以便后續(xù)在應(yīng)用節(jié)能技術(shù)后，對建筑整體的投資成本增量情況進(jìn)行對比分析。

2.3 多目標(biāo)優(yōu)化的節(jié)能計(jì)算過程

在應(yīng)用最短路徑算法的情況下，主要依據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法原理，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型訓(xùn)練的方式，在選定建筑參數(shù)模型之后，進(jìn)行IBE 能耗計(jì)算，在進(jìn)行訓(xùn)練模型參數(shù)集的同時，也能夠?qū)δＰ蛥?shù)進(jìn)行測試。其中，訓(xùn)練模型參數(shù)及需要依據(jù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對測試得到的模型參數(shù)集誤差結(jié)果進(jìn)行比較，當(dāng)誤差處于規(guī)定的限制范圍內(nèi)，則可以結(jié)束整個計(jì)算過程。

在實(shí)際計(jì)算中，將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、建筑氣密性等參數(shù)對應(yīng)的數(shù)值組成數(shù)據(jù)集合，從選取的這一數(shù)據(jù)集合隨機(jī)生成的多組數(shù)據(jù)作為模擬參數(shù)組，然后就可以應(yīng)用建筑能耗模型軟件來實(shí)現(xiàn)對于參數(shù)數(shù)組的能耗模擬計(jì)算，進(jìn)而得到不同參數(shù)情況下的建筑負(fù)荷。在實(shí)際計(jì)算中，需要嚴(yán)格遵循近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定和要求。

在得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果之后，需要將這些建筑負(fù)荷及其相對應(yīng)的參數(shù)構(gòu)成新的數(shù)組，在對這些數(shù)組進(jìn)行隨機(jī)分配之后，就可以得到用于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本和測試樣本。在利用訓(xùn)練樣本建立BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之后，就可以進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型訓(xùn)練。當(dāng)訓(xùn)練達(dá)到相關(guān)預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，需要在停止訓(xùn)練的同時，應(yīng)用測試樣本對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試。如果得到的測試結(jié)果符合設(shè)定誤差的范圍要求，則可以直接將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于建筑節(jié)能計(jì)算。

在這一測試訓(xùn)練的過程中，需要考慮BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練精度，通常需要測試100～1 000 組的數(shù)據(jù)，在劃分進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和進(jìn)行測試驗(yàn)證的不同組別數(shù)據(jù)之后，考慮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層以選擇的技術(shù)參數(shù)變量作為神經(jīng)元，在設(shè)定參數(shù)變量的個數(shù)為8 個時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的2 個隱含層中每層共包含11 個神經(jīng)元，主要為建筑全年的耗冷量和耗熱量?；诖舜_定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的速率為0.1，學(xué)習(xí)訓(xùn)練的相對誤差目標(biāo)為1×10-7，最大迭代次數(shù)為1 000 次。

在得到以上訓(xùn)練和計(jì)算結(jié)果之后，應(yīng)設(shè)定對建筑節(jié)能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的總體目標(biāo)，明確近零能耗建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)中涉及到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、建筑氣密性、熱回收效率等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的變化范圍。具體而言，在應(yīng)用最短路徑算法時，首先需要設(shè)定能耗指標(biāo)這一終點(diǎn)目標(biāo)，然后將所有可能的設(shè)計(jì)參數(shù)組合看作節(jié)點(diǎn)組合，由此獲得的節(jié)點(diǎn)集合被劃分為已經(jīng)完成選擇的集合和未進(jìn)行選擇的兩組。將其中未被進(jìn)行選擇的節(jié)點(diǎn)，按照遞增的次序加入到已經(jīng)選擇的節(jié)點(diǎn)集合當(dāng)中，在修改節(jié)點(diǎn)距離值之后，如果發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)總成本減少，則需要對這一路徑進(jìn)行修改，并依據(jù)修改后的路徑對能耗指標(biāo)進(jìn)行更新。

在得到關(guān)于建筑成本消耗結(jié)果之后，就可以結(jié)合建筑建設(shè)的實(shí)際要求來制定合適的建筑節(jié)能優(yōu)化方案。

2.4 優(yōu)化方案選擇

應(yīng)用最短路徑算法得到近零能耗建筑節(jié)能優(yōu)化的相關(guān)計(jì)算結(jié)果之后，應(yīng)將其與建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析。以建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)這一技術(shù)變量為例，結(jié)合表2 中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要可以考慮兩種實(shí)際的優(yōu)化方案。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

第1 種節(jié)能優(yōu)化方案強(qiáng)調(diào)以加強(qiáng)建筑能耗控制為主要目標(biāo)，考慮應(yīng)用最短路徑算法來求解近零能耗建筑的全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)方案；第2 種節(jié)能優(yōu)化方案則直接從建筑全生命周期的原理角度，以單目標(biāo)求解的方式來得到最佳的技術(shù)方案，然后依據(jù)得到的方案來進(jìn)行節(jié)能計(jì)算程序的編制。

例如，選擇某地區(qū)的近零能耗建筑進(jìn)行分析，應(yīng)用最短路徑算法構(gòu)建簡化的建筑計(jì)算模型之后，對建筑初始狀態(tài)以及優(yōu)化后的維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和記錄，可以得到表3 中的結(jié)果。

表3 優(yōu)化前后建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)置

在引入全局增量成本這一概念的前提下，通過對近零能耗建筑全局增量成本的計(jì)算，將近零能耗建筑整體的增量成本依據(jù)外窗類型的不同，按階段進(jìn)行劃分。在這一過程中，發(fā)現(xiàn)計(jì)算得到的最優(yōu)解的全局增量成本主要包括>0、<0、≈0 三種情況。經(jīng)過進(jìn)一步計(jì)算，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的建筑節(jié)能參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為：在總能耗不超過73 kW·h/(m2·a)時，得到的全局增量成本計(jì)算結(jié)果接近8.0。這一情況下的節(jié)能率為12%，擁有最好的節(jié)能效果。

結(jié)合表3 中的數(shù)據(jù)以及夏熱冬冷地區(qū)的氣候環(huán)境特點(diǎn)，考慮在對近零能耗建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時，可以改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的方式來達(dá)到降低建筑能耗的目的。

3 結(jié)論

綜上所述，最短路徑算法能夠有效滿足近零能耗建筑被動式節(jié)能設(shè)計(jì)的要求，提升建筑的節(jié)能效果。在近零能耗建筑性能化設(shè)計(jì)理念的指導(dǎo)下，基于明確的最短路徑算法原理和應(yīng)用流程，應(yīng)在明確建筑所在地區(qū)氣候環(huán)境條件的前提下，依據(jù)建筑本身涉及到的各項(xiàng)參數(shù)來對建筑本身的節(jié)能效果進(jìn)行預(yù)測分析，在此基礎(chǔ)上，利用最短路徑算法尋找更能夠達(dá)到目標(biāo)建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而真正達(dá)到促進(jìn)建筑節(jié)能的目的。