基于遺傳算法的動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)板多目標(biāo)優(yōu)化研究

摘 要：為了在建筑動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)板應(yīng)用中兼顧節(jié)能效果和采光效果，本文設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)板多目標(biāo)優(yōu)化模型，將房間尺寸、房間結(jié)構(gòu)、空調(diào)負(fù)荷、用電負(fù)荷和光伏遮陽(yáng)參數(shù)等作為輸入量，模擬計(jì)算節(jié)能率和自然采光照度。利用遺傳算法校正該模型中的室內(nèi)表面參數(shù)，提高多目標(biāo)優(yōu)化的質(zhì)量。將某學(xué)生宿舍作為模擬對(duì)象，利用該模型計(jì)算不同建筑朝向、光伏遮陽(yáng)板寬度、安裝角度和移動(dòng)高度的節(jié)能率和自然采光變化率。結(jié)果表明，多目標(biāo)優(yōu)化模型的作用是確定光伏遮陽(yáng)板的理想?yún)?shù)，提高建筑節(jié)能和采光能力。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)板；多目標(biāo)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TK 511 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

光伏遮陽(yáng)板具有發(fā)電和遮陽(yáng)的功能。該裝置對(duì)建筑節(jié)能和采光均有較大影響，需要利用動(dòng)態(tài)化的控制達(dá)到節(jié)能、采光效果。本文將建筑物和光伏遮陽(yáng)板作為一個(gè)系統(tǒng)，設(shè)置靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，構(gòu)建計(jì)算節(jié)能率和自然采光照度的模型。該模型對(duì)這類節(jié)能裝置的設(shè)計(jì)、模擬和應(yīng)用具有一定價(jià)值。

1 基于遺傳算法的動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)板多目標(biāo)優(yōu)化

1.1 動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)多目標(biāo)模型構(gòu)建

動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)多目標(biāo)優(yōu)化模型的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，遮陽(yáng)板能夠同時(shí)發(fā)揮遮陽(yáng)和發(fā)電作用。該模型的輸入?yún)?shù)分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)2類，靜態(tài)參數(shù)包括建筑結(jié)構(gòu)、建筑尺寸、用電負(fù)荷和空調(diào)系統(tǒng)等，動(dòng)態(tài)參數(shù)為光伏遮陽(yáng)裝置的參數(shù)，例如光伏遮陽(yáng)板角度、光伏板寬度和光伏板長(zhǎng)度等[1]。優(yōu)化目標(biāo)有2個(gè)。1）建筑物的節(jié)能效果。2）建筑物的采光效果。

1.2 基于遺傳算法校正模型室內(nèi)表面參數(shù)

在圖1模型中，可以直接測(cè)量房間尺寸、房間結(jié)構(gòu)、用電負(fù)荷、空調(diào)系統(tǒng)、氣象數(shù)據(jù)以及光伏遮陽(yáng)裝置的相關(guān)參數(shù)。室內(nèi)表面參數(shù)包括反射率和透過(guò)率，能夠影響采光效果，改變室內(nèi)溫度。與反射率有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的室內(nèi)結(jié)構(gòu)包括墻體、天花板、樓板、櫥柜和桌椅等。與透過(guò)率有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的室內(nèi)結(jié)構(gòu)為外窗和內(nèi)窗。為提高動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)模型的計(jì)算精度，需要根據(jù)室內(nèi)空間的實(shí)際情況采用數(shù)值模擬確定室內(nèi)表面參數(shù)的最佳取值[2]。以下利用遺傳算法校正室內(nèi)表面參數(shù)。

1.2.1 測(cè)量建筑光環(huán)境

1.2.1.1 測(cè)量目標(biāo)選取

將某學(xué)生公寓的1間宿舍作為光環(huán)境檢測(cè)目標(biāo)，房間長(zhǎng)度為6.3 m，寬度為3.6 m，層高為3.0 m。經(jīng)過(guò)測(cè)量，該宿舍的其他參數(shù)見表1。宿舍內(nèi)放置床、衣柜、桌子和椅子。

1.2.1.2 測(cè)量結(jié)果

在宿舍室內(nèi)沿進(jìn)深方向的中軸線設(shè)置1條測(cè)線，從入戶門至進(jìn)深末端，沿測(cè)線布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。5個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的間距均為1.26 m，距離地面的高度為0.8 m。使用UT382型照度儀檢測(cè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)的照度，檢測(cè)時(shí)間為9：00—15：00。分別在陰天和晴天檢測(cè)照度，當(dāng)晴天時(shí)的檢測(cè)結(jié)果見表2。

1.2.2 基于遺傳算法的參數(shù)校正

1.2.2.1 遺傳算法的應(yīng)用流程

遺傳算法的主要步驟包括種群初始化、適應(yīng)度評(píng)估、選擇、交叉和變異，在經(jīng)過(guò)多輪重復(fù)后，算法收斂，輸出最優(yōu)解[3]。本文使用Galapagos軟件建立相關(guān)的算法環(huán)境。在模擬過(guò)程中需要設(shè)置待優(yōu)化的變量，針對(duì)各個(gè)變量設(shè)置約束條件，利用目標(biāo)函數(shù)控制優(yōu)化效果。

1.2.2.2 變量以及約束條件設(shè)置

室內(nèi)表面參數(shù)包括反射率和透過(guò)率，結(jié)合測(cè)量目標(biāo)的實(shí)際情況設(shè)置變量和約束條件，見表3。

1.2.2.3 目標(biāo)函數(shù)

在優(yōu)化變量取值的過(guò)程中，將表2中的數(shù)據(jù)作為實(shí)測(cè)值。利用能耗模擬軟件模擬計(jì)算測(cè)點(diǎn)1～5的照度，模擬條件與實(shí)測(cè)條件保持一致。目標(biāo)函數(shù)如公式（1）所示[4]。

（1）

式中：F為模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差；i為測(cè)點(diǎn)編號(hào)，取值為1～5的整數(shù)；j為變量序號(hào)，取值為1～8的整數(shù)；Xsij為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)，第j個(gè)變量的照度實(shí)測(cè)值；Xmij為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)，第j個(gè)變量的照度模擬值。當(dāng)F的計(jì)算結(jié)果最小時(shí)，對(duì)應(yīng)的反射率或者透過(guò)率為最佳取值。

1.2.2.4 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

在Galapagos軟件中設(shè)置變量和約束條件，采用迭代運(yùn)算得到F的最小值。遺傳算法經(jīng)過(guò)1 880次迭代運(yùn)算后得到了最優(yōu)解。此時(shí)，相對(duì)偏差F的最小值為9.41，室內(nèi)表面參數(shù)校正結(jié)果見表4。

2 動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)板多目標(biāo)優(yōu)化模型仿真檢驗(yàn)

2.1 仿真方案設(shè)計(jì)

2.1.1 優(yōu)化目標(biāo)

為了檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)板多目標(biāo)優(yōu)化模型的實(shí)用效果，利用Galapagos軟件建立多目標(biāo)優(yōu)化模型。針對(duì)節(jié)能效果，將節(jié)能率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；針對(duì)室內(nèi)采光效果，將自然采光照度（Useful Daylight Illuminance，UDI）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[5]。節(jié)能率的計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

（2）

式中：η為節(jié)能率；E0為標(biāo)準(zhǔn)模型的初始能耗；EUI為能源使用強(qiáng)度；PVE為建筑光伏發(fā)光量；APV為光伏板的總面積。

2.1.2 設(shè)置不同的對(duì)比因素

2.1.2.1 建筑朝向因素

將圖2的房間作為模擬對(duì)象，其外窗安裝光伏遮陽(yáng)裝置。由于房間朝向?qū)Σ晒庑Ч徒ㄖ芎目刂凭哂忻黠@影響，因此在仿真過(guò)程中，將建筑朝向分別設(shè)置為朝南、朝西以及朝東來(lái)模擬計(jì)算節(jié)能率η和自然采光照度UDI。

2.1.2.2 光伏遮陽(yáng)裝置的安裝因素

在仿真過(guò)程中，將光伏遮陽(yáng)板的寬度、角度和移動(dòng)高度作為對(duì)比因素，利用仿真數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)在不同建筑朝向條件下，以上3個(gè)因素對(duì)節(jié)能率和自然采光照度的影響。光伏遮陽(yáng)板的遮光范圍及其發(fā)電能力與其寬度有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，遮陽(yáng)和通風(fēng)效果與其角度有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，移動(dòng)高度能夠影響發(fā)電時(shí)長(zhǎng)。因此，光伏遮陽(yáng)裝置的基本參數(shù)與η、UDI之間存在緊密的聯(lián)系[6]。最終目的是在不同朝向條件下，當(dāng)達(dá)到最優(yōu)節(jié)能效果和采光效果時(shí)，確定光伏遮陽(yáng)裝置的最佳寬度、長(zhǎng)度和角度。光伏遮陽(yáng)裝置的寬度為0.4 m～2.0 m，遮陽(yáng)板角度為0°～90°，移動(dòng)高度為-1.5 m～1.5 m。

2.2 仿真過(guò)程

利用第1.1節(jié)建立的模型模擬建筑目標(biāo)的全年光熱環(huán)境，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)作為仿真環(huán)境，獲取目標(biāo)建筑的能耗數(shù)據(jù)和采光數(shù)據(jù)。在模擬過(guò)程中，改變光伏遮陽(yáng)板寬度、移動(dòng)高度和角度3個(gè)變量，同時(shí)設(shè)置不同的建筑朝向。基于遺傳算法模擬不同參數(shù)條件下的η和UDI。

2.3 仿真結(jié)果

2.3.1 當(dāng)建筑朝南時(shí)的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

2.3.1.1 光伏遮陽(yáng)板參數(shù)設(shè)置

設(shè)置10組不同的光伏遮陽(yáng)板參數(shù)，見表5。在10組條件下，模擬光伏遮陽(yáng)板全年的節(jié)能率和自然采光照度變化率。其中，自然采光照度變化率以不安裝遮陽(yáng)裝置為基準(zhǔn)。

2.3.1.2 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

目標(biāo)建筑在不同條件下全年節(jié)能率模擬結(jié)果如圖2所示，UDI變化率模擬結(jié)果如圖3所示。由數(shù)據(jù)可知，在兼顧節(jié)能效果和采光效果的情況下，組別6對(duì)應(yīng)的節(jié)能率為75.01%，略低于最大節(jié)能率。同時(shí)，與當(dāng)不采取光伏遮陽(yáng)時(shí)相比，該組別的UDI提高了3.33%，略小于最大值。因此，在10組光伏遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)中，組別6為最佳參數(shù)取值，能夠更好地滿足南向建筑的節(jié)能和采光需求。

2.3.2 當(dāng)建筑朝東時(shí)的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

2.3.2.1 模擬數(shù)據(jù)

將光伏遮陽(yáng)板的寬度設(shè)置為2.0 m，遮陽(yáng)板角度從12°增至36°，移動(dòng)高度從0.9 m升至1.5 m。全年節(jié)能率為44.59%～50.34%，UDI全年變化率為-6.15%～1.85%。模擬數(shù)據(jù)匯總見表6。

2.3.2.2 結(jié)果分析

由表6可知，在兼顧采光效果和節(jié)能效果的情況下，組別5和組別6的綜合效果比較理想。因此，當(dāng)建筑朝東時(shí)，光伏遮陽(yáng)板的角度應(yīng)設(shè)置為30°～36°，移動(dòng)高度應(yīng)設(shè)置為

1.4 m～1.5 m。

2.3.3 當(dāng)建筑朝西時(shí)的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析

2.3.3.1 模擬數(shù)據(jù)

將光伏遮陽(yáng)板的寬度設(shè)置為2.0 m，角度為6°～38°，移動(dòng)高度從0.9 m升至1.5 m。全年節(jié)能率的模擬結(jié)果為42.21%～45.59%，全年UDI變化率的模擬結(jié)果為-4.39%～0.89%。模擬數(shù)據(jù)匯總見表7。

2.3.3.2 結(jié)果分析

由表7可知，在兼顧節(jié)能效果和采光效果的情況下，組別2、組別3、組別4、組別6和組別7的綜合效果比較優(yōu)秀，相互之間的差異比較小。因此，光伏遮陽(yáng)板的安裝高度應(yīng)控制為18°～27°，移動(dòng)高度應(yīng)控制為1.1 m～1.5 m。

3 結(jié)論

光伏遮陽(yáng)裝置的動(dòng)態(tài)運(yùn)行方式對(duì)建筑物的節(jié)能效果和采光效果具有明顯影響，為了兼顧建筑節(jié)能和采光，本文設(shè)計(jì)了多目標(biāo)優(yōu)化模型。根據(jù)研究?jī)?nèi)容可以得到以下3條結(jié)論。1）動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)多目標(biāo)優(yōu)化模型的靜態(tài)輸入?yún)?shù)為建筑物結(jié)構(gòu)、尺寸，室內(nèi)表面反射率、透光率，空調(diào)負(fù)荷以及用電負(fù)荷，其動(dòng)態(tài)輸入?yún)?shù)為光伏遮陽(yáng)裝置的移動(dòng)高度、角度和寬度等。該模型將節(jié)能率作為節(jié)能效果的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，將自然采光照度作為采光效果的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。2）在靜態(tài)輸入?yún)?shù)中，不能直接測(cè)量室內(nèi)表面的反射率、透光率，因此采用遺傳算法對(duì)墻體、天花板、地面、衣柜和桌面等表面參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，校正動(dòng)態(tài)光伏遮陽(yáng)多目標(biāo)優(yōu)化模型的參數(shù)精度，提高其對(duì)節(jié)能率、自然采光照度的計(jì)算效果。3）該模型能夠應(yīng)用于建筑物光伏遮陽(yáng)裝置設(shè)計(jì)，包括設(shè)定尺寸，控制遮陽(yáng)角度和移動(dòng)高度的動(dòng)態(tài)變化范圍，使建筑物節(jié)能效果和采光效果較好。

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