基于構(gòu)件形態(tài)的高層大跨廠房光伏遮陽設(shè)計(jì)方法

收稿日期：2022-10-20

基金項(xiàng)目：中建五局科技研發(fā)課題（Cscec-5b-2022-10）

通信作者：高 青（1986—），男，博士、工程師，主要從事綠色建筑設(shè)計(jì)方法方面的研究。54209564@qq.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1594 文章編號(hào)：0254-0096（2024）02-0451-09

摘 要：為建立基于構(gòu)件形態(tài)參數(shù)的高層大跨廠房光伏遮陽設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法，以長沙同有科技項(xiàng)目為例，進(jìn)行高層大跨廠房光熱平衡算法研究。選取光伏遮陽構(gòu)件的尺寸、傾斜角度以及陣列方式為變量參數(shù)，通過對(duì)參數(shù)化建模、環(huán)境性能模擬以及多目標(biāo)算法的技術(shù)集成得到基于構(gòu)件形態(tài)的光熱平衡算法模型，其應(yīng)用結(jié)果顯示，隨著多種光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)變量的調(diào)控，模型綜合性能呈現(xiàn)出非線性的復(fù)雜變化模式。

關(guān)鍵詞：高層建筑；光伏組件；多目標(biāo)優(yōu)化；建筑設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TK519""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

高層大跨廠房是當(dāng)代結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新對(duì)高新制造業(yè)空間需求的設(shè)計(jì)響應(yīng)，也是社會(huì)發(fā)展的必然產(chǎn)物。這種新型工業(yè)建筑形態(tài)兼具大跨廠房、高層建筑兩種能耗較高建筑類型的空間特性，對(duì)工業(yè)建筑節(jié)能提出新的挑戰(zhàn)。光伏遮陽系統(tǒng)利用光伏組件作為建筑外遮陽構(gòu)件，兼?zhèn)湔陉柡桶l(fā)電功能［1］，在高層大跨廠房的應(yīng)用上具有很大潛力。然而，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)流程需在方案確定后方可確定光伏系統(tǒng)的安裝面積以及相關(guān)指標(biāo)，這是建筑光伏一體化設(shè)計(jì)面臨的最大技術(shù)瓶頸［2］。因此，發(fā)展適用于方案設(shè)計(jì)階段的光熱平衡優(yōu)化技術(shù)成為高層大跨廠房應(yīng)用光伏遮陽的關(guān)鍵。

構(gòu)件形態(tài)是影響光伏遮陽板集熱量與效率的關(guān)鍵參數(shù)，但同時(shí)也涉及到輻射遮擋、室內(nèi)采光以及建筑能耗等多種建筑性能。其中包括光伏組件幾何形式對(duì)太陽能轉(zhuǎn)化效率的影響［3-4］、光伏組件幾何形式對(duì)光熱平衡的影響［5-8］以及光伏組件幾何特性對(duì)太陽能轉(zhuǎn)化效率、視覺條件的影響［9-12］。在最新的研究當(dāng)中，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注由光伏遮陽光熱不平衡造成的潛在非必要能耗，并基于假設(shè)模型運(yùn)用物理環(huán)境、能耗模擬技術(shù)對(duì)這一問題進(jìn)行量化驗(yàn)證。相比于傳統(tǒng)核心筒結(jié)構(gòu)高層建筑，高層大跨廠房空間對(duì)自然采光的需求更高，保證光熱平衡的技術(shù)措施尤為重要。同時(shí)過度的采光還可能引起室內(nèi)眩光問題，所以光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)對(duì)高層大跨廠房綠色性能的影響是綜合性的。

然而，目前光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)設(shè)計(jì)在建筑綜合性能調(diào)控上的潛力還未受到足夠重視，這在很大程度上受限于缺乏易于操作的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)及優(yōu)化方法［13］。上述光熱平衡問題所涉及的量化工具在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用并不現(xiàn)實(shí)。首先，這需要建筑師具有較強(qiáng)的跨專業(yè)知識(shí)背景；其次，不同軟件之間的數(shù)據(jù)交換效率低下，難以對(duì)不同性能之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行深入辨識(shí)。針對(duì)這一問題，本文提出一種支持構(gòu)件形態(tài)參數(shù)調(diào)控，適用于高層大跨廠房設(shè)計(jì)早期階段的光伏遮陽多目標(biāo)性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法。此方法能為建筑師在光伏遮陽形態(tài)設(shè)計(jì)決策中提供一定的客觀依據(jù)，有助于在實(shí)際工程實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)高效的建筑光伏一體化設(shè)計(jì)。

1 光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)與高層大跨廠房綜合性能的關(guān)聯(lián)性

1.1 影響建筑性能的構(gòu)件形態(tài)要素

光伏構(gòu)件的形態(tài)是影響建筑物輻射得熱以及光伏系統(tǒng)集熱效率的重要因素。傳統(tǒng)的屋面光伏構(gòu)件要素主要包括光伏組件的尺寸、朝向以及傾斜角度［14-20］。在本研究中，考慮到充分發(fā)揮多目標(biāo)性能算法尋優(yōu)技術(shù)的優(yōu)勢，選取光伏遮陽構(gòu)件的寬度、長度、傾斜角度以及組合方式4種要素作為光伏遮陽綜合性能調(diào)控的重要參數(shù)，并通過參數(shù)化腳本編譯生成變量。由于模型試驗(yàn)是基于實(shí)際工程項(xiàng)目，光伏遮陽構(gòu)件的朝向與建筑朝向保持一致，為正南方向。

1.2 受構(gòu)件形態(tài)影響的建筑性能

從光伏集熱效率來說，依據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，光伏組件的傾斜角度通常宜采用各地緯度±14°。但作為遮陽板的光伏遮陽系統(tǒng)，其構(gòu)件的傾角還可能影響室內(nèi)采光系數(shù)、眩光以及建筑能耗，尤其是應(yīng)用于高層大跨廠房。一方面，與傳統(tǒng)的單、多層工業(yè)廠房相比，高層大跨廠房不具備屋頂自然采光的條件而依賴于立面外窗，因而受光伏遮陽的影響更大；另一方面，大跨度無柱空間的進(jìn)深比傳統(tǒng)核心筒結(jié)構(gòu)高層建筑更大，所以對(duì)自然采光的需求更高。在這種情況下，室內(nèi)光熱平衡對(duì)建筑能耗的影響也隨之上升。因此，光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)變化能影響到與光、熱相關(guān)的多種建筑性能。

2 高層大跨廠房光伏遮陽光熱平衡計(jì)算模型

辨識(shí)建筑光、熱及其相關(guān)性能是研究高層大跨廠房光伏遮陽光熱平衡的重要前置性工作。為了在單一用戶界面中實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)與多種建筑性能之間關(guān)聯(lián)性的量化，研究采用參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)Grasshopper及其建筑性能分析插件Ladybug，以腳本編譯的方式建立包含太陽輻射分析、建筑能耗模擬、光伏產(chǎn)能計(jì)算以及室內(nèi)采光模擬的技術(shù)框架，并以長沙高新區(qū)同有科技項(xiàng)目作為研究對(duì)象建立參數(shù)化物理模型進(jìn)行集成分析。

2.1 參數(shù)化物理模型

同有科技項(xiàng)目是全球范圍內(nèi)首個(gè)高層疊合型大跨廠房。研究選取一期丙類廠房建筑，共22層，總高度104.1 m。對(duì)該項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)層的參數(shù)化建模工作包括基礎(chǔ)物理模型與光伏遮陽模型兩部分?；A(chǔ)物理模型為固定尺寸的空間模型，該模型的建立需將Rhino界面中3DM格式的構(gòu)件模型轉(zhuǎn)化為Grasshopper中的Brep或Geometry組件（Component），再經(jīng)過Honeybee插件中相對(duì)應(yīng)的模型轉(zhuǎn)換組件生成Honeybee格式房間、遮陽、門、窗數(shù)據(jù)（HB zoom、HB shade、HB door、HB aperture）（如圖1所示），最終形成能進(jìn)一步被能耗、采光模擬所識(shí)別的完整模型。研究所采用的Ladybug1.4.0版本提供了LB SortByLayers組件來識(shí)別模型中不同構(gòu)件所處圖層，大幅提高了復(fù)雜空間在Grasshopper中的建模效率。

與基礎(chǔ)物理模型不同，光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)需作為“基因（Genes）”參與到進(jìn)一步的多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算中，因此建模方法是在Grasshopper中通過腳本編譯搭建構(gòu)件形態(tài)可由變量調(diào)控的Brep格式模型。研究考慮對(duì)模型南向外窗面積范圍內(nèi)的光伏遮陽陣列數(shù)量與間距設(shè)置一定的變化規(guī)則，具體是采用Expression組件寫入自定義函數(shù)“[x=1/（n+n·t-t）·L]”。其中，[L]為外窗寬度，[x]為每一組光伏遮陽構(gòu)件的寬度，[t]為光伏遮陽構(gòu)件之間間距與光伏遮陽構(gòu)件寬度的比例系數(shù)，[n]為光伏遮陽陣列的數(shù)量。這種方式極大豐富了光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)變化的可能性。光伏陣列之間保持一定間距，有利于提高光伏發(fā)電效率，便于散熱［21］。值得注意的是，由于理論上百葉片數(shù)量并不會(huì)影響透過百葉系統(tǒng)的太陽輻射總量以及光伏組件可利用的太陽輻射總量［22］，所以，在本研究中并未將單組光伏遮陽百葉數(shù)量作為變量。

此外，用于能耗計(jì)算的HB model還需對(duì)其設(shè)置構(gòu)造集（Construction Set）、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、人員活動(dòng)時(shí)間、自然通風(fēng)規(guī)則、照明功率與設(shè)備效率等參數(shù)。研究對(duì)構(gòu)造集數(shù)據(jù)選取“ASHRAE90.1.2019”標(biāo)準(zhǔn)下的混凝土結(jié)構(gòu)（Mass），程序設(shè)置（Program）則是以“ASHRAE90.1.2019”的大型開放空間（Large Office）為模板；其他參數(shù)則根據(jù)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范（GB 55015—2021）》（簡稱《通用規(guī)范》）中對(duì)工業(yè)建筑的要求進(jìn)行設(shè)定，以達(dá)到性能模擬條件與實(shí)際工程項(xiàng)目情況的最大化吻合。

2.2 太陽輻射計(jì)算模型

研究選取同有科技項(xiàng)目所在地湖南長沙的EnergyPlus氣候數(shù)據(jù)（EnergyPlus weather，EPW）文件作為氣象數(shù)據(jù)，采用LB Incident Radiation組件對(duì)光伏遮陽在冬至日與夏至日的太陽輻射遮擋量進(jìn)行分析，并計(jì)算夏冬季光伏遮陽輻射得熱差值。該差值的數(shù)值越小，則可認(rèn)為此種光伏遮陽構(gòu)件工況下夏季太陽輻射遮擋量更大，冬季更小，即夏季遮陽、冬季納陽效果更好。這一差值在一定程度上可作為辨識(shí)全年輻射得熱平衡的依據(jù)，這是由于一般對(duì)于遮陽板來說，在夏季保證合理采光的情況下，應(yīng)盡可能多地減少通過窗戶透過的太陽輻射從而降低建筑空調(diào)負(fù)荷；而在冬季卻應(yīng)盡可能地避免太陽得熱的減少［23］。

2.3 建筑能耗模擬模型

為了接近實(shí)際的建筑能耗運(yùn)行狀況，研究在開始能耗計(jì)算之前對(duì)HB zoom數(shù)據(jù)接入自然采光控制（HB Apply Daylight Control）與自然通風(fēng)控制（HB Ventilation Control）組件，以實(shí)現(xiàn)在能耗計(jì)算中置入自然采光與通風(fēng)的影響。HB Ventilation Control組件控制自然通風(fēng)規(guī)則的方式是為HB Window Opening組件提供通風(fēng)溫度點(diǎn)（Set Point）數(shù)據(jù)。在本研究中，該數(shù)據(jù)的設(shè)定參照《通用規(guī)范》中對(duì)工業(yè)建筑供暖空調(diào)區(qū)室內(nèi)溫度的規(guī)定，提取長沙地區(qū)EPW文件（氣象數(shù)據(jù)）中的全年干球溫度中大于18 ℃、小于26 ℃的時(shí)間段形成Schedule（時(shí)間表）數(shù)據(jù)輸入HB Ventilation Control組件。最終，具備完整能耗計(jì)算條件參數(shù)的模型數(shù)據(jù)被接入HB Annual Loads組件進(jìn)行能耗計(jì)算。光伏產(chǎn)能計(jì)算采用Ladybug_Photovoltaics Surface組件，并以產(chǎn)能計(jì)算值除以標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積得到每平方米的產(chǎn)能值。最終，由能耗模擬計(jì)算結(jié)果減去單位光伏產(chǎn)能得到研究所需要的能耗目標(biāo)值。

2.4 自然采光分析模型

研究對(duì)于廠房室內(nèi)采光分析同時(shí)考慮采光系數(shù)與不利眩光影響。在Grasshopper中，采光系數(shù)（Daylight Factor）的計(jì)算無法直接像能耗計(jì)算那樣使用HB zoom數(shù)據(jù)進(jìn)行，而需采用HB model組件將其轉(zhuǎn)化為HB model后才能接入HB Daylight Factor組件完成計(jì)算。HB model組件提供了建筑構(gòu)件光學(xué)材質(zhì)設(shè)定的接口。本研究中不同構(gòu)件的反射比、透射率等數(shù)值依據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033—2013）中的要求進(jìn)行設(shè)定（表1）。眩光的計(jì)算則需采用HB Assign Grids and Views組件對(duì)HB model數(shù)據(jù)賦予計(jì)算條件——視點(diǎn)（views），研究設(shè)定該數(shù)據(jù)為廠房大空間中心點(diǎn)1.8 m高度（人視角）。

具備視點(diǎn)條件的HB model數(shù)據(jù)最終接入HB Check Scene組件完成基于Radiance計(jì)算的光環(huán)境模擬。計(jì)算結(jié)果可由HB Glare Postprocess組件提取陽光眩光指數(shù)（daylight glare index，DGI）的數(shù)值，同時(shí)也可由HB False Color與HB HDR to GIF組件完成高動(dòng)態(tài)范圍圖與假彩色圖的可視化渲染。

3 高層大跨廠房光伏遮陽光熱平衡多目標(biāo)優(yōu)化研究

3.1 光熱平衡多目標(biāo)優(yōu)化模型

建筑性能優(yōu)化的傳統(tǒng)方法多基于有限樣本進(jìn)行比較分析，但該方法在多變量基因與多性能目標(biāo)的技術(shù)框架下存在很大局限性，難以探索出多種變量引起性能變化規(guī)律。針對(duì)該問題，研究在高層大跨廠房光伏遮陽光熱平衡計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，引入Grasshopper平臺(tái)中的多目標(biāo)優(yōu)化工具Wallacei（2.65版本）建立光熱平衡多目標(biāo)優(yōu)化模型（圖2）。在多種建筑環(huán)境性能集成模擬的基礎(chǔ)上，多目標(biāo)優(yōu)化算法尋優(yōu)技術(shù)可使建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N能盡可能遍歷涉及建筑幾何形式關(guān)鍵參數(shù)變量的過程，從而提升衍生優(yōu)解方案的可能性。Wallacei插件的優(yōu)勢在于，其所采用的NSGA-2算法能夠運(yùn)用一種名為“擁擠度量（congestion management）”的算法根據(jù)不同目標(biāo)對(duì)衍生解集進(jìn)行排序，從而支持使用者更為直觀地選取帕累托最優(yōu)解（Pareto Solution）。

Wallacei X組件是承擔(dān)多目標(biāo)優(yōu)化的運(yùn)算器，其進(jìn)行運(yùn)算的必要條件是輸入表型（Phenotype）、基因（Genes）以及目標(biāo)（Objective）數(shù)據(jù)。研究選取光伏遮陽陣列數(shù)量、間距（系數(shù)），以及構(gòu)件傾角、長度作為基因（變量），從而拓展光熱平衡調(diào)控的潛力。其中，光伏遮陽陣列數(shù)量的變量區(qū)間為6～10，光伏遮陽構(gòu)件長度的變量區(qū)間為0.5～1.0 m，這些取值的設(shè)定考慮現(xiàn)有主流光伏遮陽產(chǎn)品的尺寸參數(shù)；光伏遮陽陣列間距系數(shù)變量區(qū)間為0.1～0.9，主要是為了排除間距系數(shù)在0、1取值時(shí)造成的模型Null值錯(cuò)誤。光伏遮陽構(gòu)件傾角的變量區(qū)間為0.46～0.74，取值參考《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50797—2012）》中對(duì)長沙地區(qū)光伏陣列最佳傾角的推薦值，并設(shè)定上下浮動(dòng)12°，通過Degrees組件轉(zhuǎn)化為度數(shù)。研究將構(gòu)件傾角設(shè)置為變量的原因，主要是由于按一般經(jīng)驗(yàn)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥仍O(shè)置光伏傾角，全年的發(fā)電量無法達(dá)到峰值［24］。

在目標(biāo)設(shè)置方面，研究選定4種性能模擬結(jié)果作為Wallacei X組件運(yùn)算的“目標(biāo)（Objective）”，包括夏冬季光伏遮陽輻射得熱差值最小值、廠房單位面積能耗最小值、室內(nèi)采光系數(shù)最大值以及眩光指數(shù)最小值。值得注意的是，Wallacei X組件的運(yùn)算是默認(rèn)以最大值作為優(yōu)化目標(biāo)。因此，對(duì)于以最小值為目標(biāo)的性能計(jì)算需對(duì)數(shù)值結(jié)果接入Negative組件將其轉(zhuǎn)化為負(fù)數(shù)，再接入Wallacei X組件的“目標(biāo)”數(shù)據(jù)接口。從數(shù)理角度來說，光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化過程可概況為下文所列式（1）～式（9）［25］：最大或最小函數(shù)可表示各種選擇的不同目標(biāo)，這些目標(biāo)可通過式（1）相互轉(zhuǎn)換：

[maxfx?min-fx]"" （1）

式（1）中求得最小極值點(diǎn)為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化問題可表示為：

[Fx=f1x，f2x，…，fmxT]"""" （2）

隸屬于：

[gx≤0]"" （3）

[hx=0]""" （4）

其中：

[xmini≤xi≤xmaxii=1，2，…，n]"""""" （5）

[x=x1，x2，…，xnT∈Θ]"""" （6）

[y=y1，y2，…，ymT∈Ψ]""" （7）

[xmax=xmax1，xmax2，…，xmaxnT]" （8）

[xmin=xmin1，xmin2，…，xminnT]""" （9）

式中：[m]——受光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)影響的建筑性能目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量；[g（x）≤0，][i=1，2，…，p]；[h（x）=0，" j=1，2，…，q，]其中[p]和[q]分別為不等式約束和等式約束的數(shù)量；[Θ]——[n]維的搜索空間，由決策變量[xi]（[i=1，]2，…，[n]）的上界和下界確定；[Ψ]——性能目標(biāo)函數(shù)的[m]維向量空間，由[Θ]和性能目標(biāo)函數(shù)式（2）定義。

3.2 光伏遮陽最佳光熱平衡多目標(biāo)尋優(yōu)

研究對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算的樣本數(shù)量設(shè)置為1000（20代，每代50個(gè)樣本）。Wallacei X組件在獨(dú)立的用戶界面中提供了單目標(biāo)性能每一代樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差圖（Standard Deviation Graphs）以及多目標(biāo)性能的平行坐標(biāo)圖（Parallel Coordinate Plot）與目標(biāo)空間（Objective Space）以顯示多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算的實(shí)時(shí)情況，如圖3所示。計(jì)算完成后，Wallacei X組件能對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的逐代數(shù)據(jù)分析，包括目標(biāo)值、標(biāo)準(zhǔn)差以及平均值的變化趨勢，如圖3所示。

由圖4可看出，在多目標(biāo)尋優(yōu)過程中，夏冬季光伏遮陽輻射得熱差值、室內(nèi)采光系數(shù)的逐代平均值呈上升變化，建筑能耗小幅提高，而眩光指數(shù)為下降。由圖5可看出，從單項(xiàng)性能的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)來看，總體上越接近末代的樣本群落離散程度更高。但建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)差值從第5代開始基本趨于平穩(wěn)。對(duì)比圖4、圖5發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算收斂的過程中，單項(xiàng)性能受多種其他性能的影響，其變化規(guī)律并不具有集聚特點(diǎn)。其次，建筑能耗受多種性能的綜合制衡。在較早的迭代階段，無論是平均值還是標(biāo)準(zhǔn)差值，建筑能耗都表現(xiàn)出一定的反復(fù)波動(dòng)，而非持續(xù)的上升。因此，由數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果綜合來看，光伏遮陽對(duì)于光、熱以及能耗性能的影響明顯呈現(xiàn)出非線性特征。

根據(jù)上述光伏遮陽光、熱相關(guān)性能的關(guān)聯(lián)性分析，研究優(yōu)先考慮將建筑能耗最優(yōu)解作為光熱平衡尋優(yōu)的主要目標(biāo)。Wallacei插件所采用的NSGA-2算法能運(yùn)用一種名為“擁擠度量”的分析方法對(duì)不同目標(biāo)的解集進(jìn)行數(shù)值上的排序，從而支持用戶直觀選取最優(yōu)解。具體操作方式是在Wallacei X組件窗口中分析建筑能耗值為最末位的樣本，求得解集為第10代第3個(gè)樣本。值得注意的是，Wallacei插件并不具有對(duì)解集樣本直接進(jìn)行模型及其數(shù)據(jù)還原的Reinstate命令，而需采用Wallacei Phenotype組件將最優(yōu)解所包含的變量信息進(jìn)行提取并重新計(jì)算，從而得到最優(yōu)解所對(duì)應(yīng)的變量參數(shù)以及各項(xiàng)目標(biāo)數(shù)值。根據(jù)這一方法，經(jīng)過還原模型，本研究中最優(yōu)解樣本的相關(guān)參數(shù)如表2所示。研究進(jìn)一步對(duì)該樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到其在整個(gè)優(yōu)化計(jì)算過程中的定位（淺色曲線、點(diǎn)標(biāo)記）。由圖5可見，最優(yōu)解的夏冬季光伏遮陽輻射遮擋量差值、建筑能耗以及DGI值均處于較高水平，采光系數(shù)由于受DGI值的約束在數(shù)值上較低。從標(biāo)準(zhǔn)差值與平均值的水平來看，最優(yōu)解各項(xiàng)性能正處于上升或下降趨勢的中點(diǎn)，在光熱平衡上呈現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

3.3 與以往多目標(biāo)尋優(yōu)算法的應(yīng)用比較

為了驗(yàn)證本研究所采用的NSGA-2算法在高層大跨廠房光伏構(gòu)件設(shè)計(jì)中對(duì)光熱平衡優(yōu)化的運(yùn)算效率，研究采用Octopus插件提供的HypE reduction算法對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與上文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。計(jì)算參數(shù)的設(shè)定如表3所示。

Octopus插件同樣提供了與Wallecei插件類似的用戶界面來顯示、調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算過程以及目標(biāo)空間與平行坐標(biāo)圖這樣的可視化計(jì)算結(jié)果（圖6）。根據(jù)圖6可看到，HypE reduction算法所得出的末代帕累托最優(yōu)解集（圖6左中深色方塊）在“目標(biāo)空間”中收斂狀態(tài)比NSGA-2算法結(jié)果的聚集程度更低。同時(shí)，在“平行坐標(biāo)圖”中，這些解集的標(biāo)記（圖6右粗線型）也未呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。很難通過以上兩者可視化結(jié)果看出最優(yōu)解集之間的相互關(guān)系，從而判斷最優(yōu)解的具體定位。

如果進(jìn)一步從Octopus運(yùn)算器中導(dǎo)出末代（第20代）解集的具體數(shù)值，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn)，在以NSGA-2算法得出的最優(yōu)解為基準(zhǔn)案例的情況下，第20代50個(gè)樣本中70%樣本的能耗水平更高，隨之對(duì)應(yīng)的夏冬季光伏遮陽輻射量差值更大。性能數(shù)值接近NSGA-2算法最優(yōu)解的樣本數(shù)量占第20代樣本的12%，其他18%盡管在能耗水平上優(yōu)于NSGA-2算法最優(yōu)解，但在采光系數(shù)與眩光數(shù)值上并不理想，多有超出《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 50033——2013）》相應(yīng)規(guī)定的限值。在相同樣本數(shù)量設(shè)置的情況下，NSGA-2算法比HypE reduction算法完成運(yùn)算的耗時(shí)更短。在本研究中，NSGA-2算法的計(jì)算耗時(shí)23.75 h，而HypE reduction算法耗時(shí)47.33 h。綜合對(duì)比下，基于NSGA-2算法的光熱平衡多目標(biāo)尋優(yōu)方法效率更高。

4 結(jié) 論

針對(duì)高層大跨廠房光伏遮陽應(yīng)用中的光熱平衡問題，研究提出適用于建筑設(shè)計(jì)早期階段的多目標(biāo)評(píng)價(jià)與優(yōu)化計(jì)算方法，并在案例應(yīng)用中得出以下基本結(jié)論：

1）在多變量、多目標(biāo)的建筑光伏遮陽性能優(yōu)化設(shè)計(jì)中，調(diào)控設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于提高建筑綜合性能來說并不存在明顯的線性規(guī)律，部分性能之間甚至具有負(fù)相關(guān)關(guān)聯(lián)性。

2）根據(jù)光伏遮陽對(duì)于建筑室內(nèi)光或熱環(huán)境的單一影響，并不足以判斷建筑能耗的變化趨勢。

3）基于構(gòu)件形態(tài)參數(shù)調(diào)控的高層大跨廠房光伏遮陽設(shè)計(jì)方法，有利于設(shè)計(jì)人員在早期階段高效地辨識(shí)與評(píng)價(jià)光伏遮陽的綜合性能，以對(duì)合理的光伏遮陽構(gòu)件形態(tài)進(jìn)行研判。

4）與以往應(yīng)用較為廣泛的多目標(biāo)優(yōu)化HypE reduction算法相比，NSGA-2算法在光伏遮陽最佳光熱平衡多目標(biāo)尋優(yōu)中的應(yīng)用具有更高的效率以及數(shù)據(jù)分析與可視化能力。

研究所提出的高層大跨廠房光伏遮陽多目標(biāo)優(yōu)化算法及其可視化技術(shù)，旨在構(gòu)建設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在建筑光伏一體化設(shè)計(jì)中的技術(shù)共識(shí)，深刻理解光熱平衡與建筑能耗的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，避免設(shè)計(jì)過程中的迭代與誤判，提升光伏遮陽設(shè)計(jì)水平。同時(shí)，憑借參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)的技術(shù)拓展能力，這一技術(shù)方法在其他建筑光伏一體化設(shè)計(jì)中也具備極大的應(yīng)用潛力，有待進(jìn)一步研究。

［參考文獻(xiàn)］

［1］"""" 胡劍平， 饒政華， 廖勝明. 光伏遮陽板與建筑一體化的綜合節(jié)能效果分析［J］. 建筑節(jié)能， 2012， 40（6）： 33-37， 53.

HU J P， RAO Z H， LIAO S M. Energy conservation for building integrated with photovoltaic shading system［J］. Building energy efficiency， 2012， 40（6）： 33-37， 53.

［2］"""" 魯永飛， 鞠曉磊， 張磊. 設(shè)計(jì)前期建筑光伏系統(tǒng)安裝面積快速估算方法［J］. 建設(shè)科技， 2019（2）： 58-62.

LU Y F， JU X L， ZHANG L. Rapid estimation method for installation area of building photovoltaic system in the early""" design """stage［J］.""" Construction""" science"""" and technology， 2019（2）： 58-62.

［3］"""" YADAV S， PANDA S K. Thermal performance of BIPV system by considering periodic nature of insolation and optimum tilt-angle of PV panel［J］. Renewable energy， 2020， 150： 136-146.

［4］"""" JELLE" B" P，" BREIVIK" C." State-of-the-art" building integrated photovoltaics［J］. Energy procedia， 2012， 20： 68-77.

［5］"""" JAYATHISSA P， LUZZATTO M， SCHMIDLI J， et al. Optimising building net energy demand with dynamic BIPV shading［J］. Applied energy， 2017， 202： 726-735.

［6］"""" JAYATHISSA P， ZARB J， LUZZATTO M， et al. Sensitivity of building properties and use types for the application of adaptive photovoltaic shading systems［J］. Energy procedia， 2017， 122： 139-144.

［7］"""" WANG D J， QI T， LIU Y F， et al. A method for evaluating both shading and power generation effects of rooftop solar PV panels for different climate zones of China［J］. Solar energy， 2020， 205： 432-445.

［8］"""" SHEN Y， ZHANG J， GUO P， et al. Impact of solar radiation variation on the optimal tilted angle for fixed grid-connected" PV" array： case" study" in" Beijing［J］." Global energy interconnection， 2018， 1（4）： 460-466.

［9］"""" MANDALAKI M， ZERVAS K， TSOUTSOS T， et al. Assessment of fixed shading devices with integrated PV for efficient energy use［J］. Solar energy， 2012， 86（9）： 2561-2575.

［10］""" MANDALAKI M， TSOUTSOS T， PAPAMANOLIS N. Integrated PV in shading systems for Mediterranean countries： balance between energy production and visual comfort［J］. Energy and buildings， 2014， 77： 445-456.

［11］""" PAYDAR M A. Optimum design of building integrated PV module as a movable shading device［J］. Sustainable cities and society， 2020， 62： 102368.

［12］""" YADAV S， PANDA S K， HACHEM-VERMETTE C. Method to improve performance of building integrated photovoltaic thermal system having optimum tilt and facing directions［J］. Applied energy， 2020， 266： 114881.

［13］""" ADAMO A， BERTACCHINI P A， BILOTTA E， et al. Connecting art and science for education： learning through an advanced virtual theater with “talking heads”［J］. Leonardo， 2010， 43（5）： 442-448.

［14］""" LI X， PENG J Q， LI N P， et al. Optimal design of photovoltaic shading systems for multi-story buildings［J］. Journal of cleaner production， 2019， 220： 1024-1038.

［15］""" BERARDI U， GRAHAM J. Investigation of the impacts of microclimate on PV energy efficiency and outdoor thermal comfort［J］. Sustainable cities and society， 2020， 62： 102402.

［16］nbsp;"" GHOSH A， NORTON B， DUFFY A. Measured thermal amp; daylight performance of an evacuated glazing using an outdoor test cell［J］. Applied energy， 2016， 177： 196-203.

［17］""" SUN L L， LU L， YANG H X. Optimum design of shading-type"" building-integrated"" photovoltaic"" claddings"" with different"" surface"" azimuth"" angles［J］." Applied"" energy， 2012， 90（1）： 233-240.

［18］""" SADINENI S B， ATALLAH F， BOEHM R F. Impact of roof integrated PV orientation on the residential electricity peak demand［J］. Applied energy， 2012， 92： 204-210.

［19］""" BANA S， SAINI R P. Experimental investigation on power output of different photovoltaic array configurations under uniform and partial shading scenarios［J］. Energy， 2017， 127： 438-453.

［20］""" YADAV S， PANDA S K， HACHEM-VERMETTE C. Optimum azimuth and inclination angle of BIPV panel owing to different factors influencing the shadow of adjacent building［J］. Renewable energy， 2020， 162： 381-396.

［21］""" 劉艷峰， 王玥， 王登甲， 等. 屋頂光伏發(fā)電與遮陽綜合節(jié)能分析［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2019， 40（6）： 1545-1552.

LIU Y F， WANG Y， WANG D J， et al. Study on comprehensive energy-saving of shading and photovoltaic performance of roof added PV module［J］. Acta energiae solaris sinica， 2019， 40（6）： 1545-1552.

［22］""" 劉嘉懿， 畢廣宏， 趙立華. 廣州辦公建筑光伏建筑一體化遮陽百葉系統(tǒng)模擬研究［J］. 建筑節(jié)能（中英文）， 2022， 50（9）： 57-61.

LIU J Y， BI G H， ZHAO L H. Simulation of building-integrated solar shading louver system for office buildings in Guangzhou［J］. Building energy efficiency， 2022， 50（9）： 57-61.

［23］""" 庾漢成， 羅成龍. 光伏遮陽板與建筑一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能研究［J］. 工業(yè)建筑， 2009， 39（增刊1）： 31-34.

YU H C， LUO C L. Study on oplimization design and characteristic of a building integrated with the photovoltaics［J］. Industrial construction， 2009， 39（S1）： 31-34.

［24］""" 宋德萱， 朱丹， 史潔， 等. 高密度城區(qū)建筑光伏遮陽設(shè)計(jì)應(yīng)用研究［J］. 新建筑， 2015（1）： 100-102.

SONG D X， ZHU D， SHI J， et al. A study on the design application of PV sunshade in high density urban areas［J］. New architecture， 2015（1）： 100-102.

［25］""" PILECHIHA P， MAHDAVINEJAD M， POUR RAHIMIAN"" F，"" et"" al."" Multi-objective"" optimisation framework for designing office windows： quality of view， daylight and energy efficiency［J］. Applied energy， 2020， 261： 114356.

DESIGN METHOD OF PHOTOVOLTAIC SHADING FOR HIGH-RISE

LARGE-SPAN FACTORY BASED ON COMPONENT-BASED MORPHOLOGY

Yang Ying1，Gao Qing2，Liu Zhuliang2， Xu Feng3， Zhou Jin3

（1. China Construction Five Bureau Design Research Institute， Changsha 410000， China；

2. China Construction Five Bureau Design Technology Research Institute， Changsha 410004， China；

3. School of Architecture and Planning， Hunan University， Changsha 410012， China）

Abstract：In order to establish the evaluation and optimization method of photovoltaic shading design based on component morphological parameters， taking the Changsha Tongyou technology project as an example， a study on the daylight-thermal balance algorithms of high-rise large-span factory was carried out. The size， inclined angle and array method of the photovoltaic shading components are selected as the variable parameters. Daylight-thermal balance algorithm model is obtained by integrating parameter modeling， environmental performance simulation， and multi-objective optimization algorithm. The application of this model in the case study shows that the comprehensive performance of the model presents a non-linear complex changing with the regulation of the morphological variables of multiple photovoltaic shading components.

Keywords：high-rise buildings； solar modules； multi-objective optimization； architectural design； computer aided design