黃大鵬 張晨 劉超

摘 要：分析了國內(nèi)外建筑能耗優(yōu)化軟件開發(fā)情況，探討了基于C++的建筑能耗優(yōu)化軟件開發(fā)，給出了研究思路與軟件開發(fā)的原理結(jié)構(gòu)圖，介紹了建筑建模和全年能耗的模擬工作以及優(yōu)化結(jié)果。

關(guān)鍵詞：建筑能耗模擬 能耗優(yōu)化 軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原理

前 言

目前，建筑能耗模擬軟件在建筑節(jié)能領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于建筑的物理特性復(fù)雜，熱濕過程的計(jì)算量巨大，只能采用計(jì)算機(jī)在短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的運(yùn)算。因此，在進(jìn)行建筑能耗分析計(jì)算時(shí)，能耗模擬軟件發(fā)揮著巨大作用。建筑能耗模擬主要包括建筑負(fù)荷和能耗的模擬，為后續(xù)的節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能評(píng)估、節(jié)能審計(jì)以及節(jié)能措施的制定提供參考；通過不同工況的模擬，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)備、暖通空調(diào)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和控制策略等的優(yōu)化，通過經(jīng)濟(jì)性分析得出最佳方案；設(shè)備與系統(tǒng)各種運(yùn)行狀況的預(yù)測，在內(nèi)外擾動(dòng)等復(fù)雜因素的作用下，系統(tǒng)中參數(shù)的變化很復(fù)雜。通過建筑能耗模擬軟件，能比較方便地預(yù)測各種工況下的系統(tǒng)參數(shù)，為節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定、實(shí)施提供輔助作用。

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

很多國家在意識(shí)到建筑能耗模擬分析的重要意義的同時(shí)，都開始并加緊了對(duì)建筑能耗的分析和預(yù)測工作。從 20 世紀(jì) 60 年代到今天，很多國家都相繼開發(fā)出了一些很好的建筑性能模擬軟件，這些模擬軟件可以很方便地對(duì)建筑物特性進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)模擬。美國是開展建筑節(jié)能研究最早的國家之一，計(jì)算機(jī)技術(shù)在建筑節(jié)能工作中的應(yīng)用也最為廣泛。當(dāng)前在美國，與建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的軟件有 120多種。其中包括比較著名的美國自 20 世紀(jì) 70 年代起就持續(xù)開發(fā)的建筑能耗模擬軟件 Doe-2。它曾是北美在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的軟件，對(duì)美國建筑節(jié)能的推動(dòng)起到了重要作用。近些年來，美國能源部組織多個(gè)部門共同開發(fā)了新的建筑能耗模擬軟件 EnergyPlus，以全面代替 Doe-2[1]。西歐國家通過近 30 年的努力，各國都開發(fā)了各自的建筑能耗模擬軟件。比如英國開發(fā)了 ESP，并將其作為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)與節(jié)能分析的基本工具，寫入相關(guān)的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中。此外還有 SRES/SUN，SERIRES，S3PAS，TRNSYS，TASE等[2]。我國從上世紀(jì) 70 年代中期開始介紹國外在建筑能耗計(jì)算機(jī)模擬方面的發(fā)展情況，很多科學(xué)技術(shù)人員做了大量的工作。Dest是建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬的軟件平臺(tái)，該平臺(tái)以清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系環(huán)境與設(shè)備研究所十余年的科研成果為理論基礎(chǔ)，將現(xiàn)代模擬技術(shù)和獨(dú)特的模擬思想運(yùn)用到建筑環(huán)境的模擬和HVAC系統(tǒng)的模擬中去，為建筑環(huán)境的相關(guān)研究和建筑環(huán)境的模擬預(yù)測、性能評(píng)估提供了方便實(shí)用可靠的軟件工具，為建筑設(shè)計(jì)及HVAC系統(tǒng)的相關(guān)研究和系統(tǒng)的模擬預(yù)測、性能優(yōu)化提供了一流的軟件工具[3]。

國內(nèi)眾多學(xué)者在意識(shí)到建筑能耗模擬分析的重要意義的同時(shí)，都開始并加緊了對(duì)建筑能耗的優(yōu)化工作。西安建筑科技大學(xué)的金苗苗提出應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)階段就開始貫穿進(jìn)行建筑能耗模擬分析，更好地使能耗模擬與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合，并為建筑設(shè)計(jì)提供更加行之有效的節(jié)能設(shè)計(jì)方法[4]。臺(tái)灣學(xué)者Leon 研究開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)在線的計(jì)算程序MIT Design Advisor，可對(duì)單面墻或房間進(jìn)行快速計(jì)算，輸入簡單，并可對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析[5]。常靜分析了我國居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量的基礎(chǔ)上，闡述了外窗熱工特性的復(fù)雜性。針對(duì)濟(jì)南市某居住建筑，分析了四種朝向的窗墻面積比對(duì)供暖能耗的影響，得出了在不同外窗傳熱系數(shù)的條件下窗墻面積比與供暖能耗的關(guān)系曲線[6]。魏彩欣利用清華大學(xué)開發(fā)的建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包（Dest-h），針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)，上海、南京、合肥三個(gè)具有代表性城市的住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對(duì)建筑能耗及室內(nèi)熱環(huán)境的影響進(jìn)行了研究，分析了外墻材料、窗戶材料和窗墻比、外窗遮陽、建筑朝向等圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對(duì)建筑能耗及室內(nèi)熱環(huán)境狀況的影響程度，提出了其綜合節(jié)能優(yōu)化方案[7]。目前我國大陸學(xué)者的研究大多局限于考察某一個(gè)建筑設(shè)計(jì)因素對(duì)建筑熱性能的影響，往往把影響建筑熱性能的其它設(shè)計(jì)因素固定，而僅把考察的那個(gè)設(shè)計(jì)因素控制在幾個(gè)不同的水平[8]。

美國在建筑能耗的優(yōu)化工作上投入大量經(jīng)費(fèi)，開發(fā)出眾多建筑模擬優(yōu)化軟件，并將其推廣為建筑節(jié)能最有效的措施之一。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的優(yōu)化軟件GenOpt得到了廣泛應(yīng)用。GenOpt可以與大多數(shù)的建筑模擬軟件例如EnergyPlus，Trnsys進(jìn)行耦合，使用者只需要在它提供的平臺(tái)下，使用它的規(guī)范化語言進(jìn)行編程，就可以完成它和其它軟件之間的鏈接。Asadi分析了葡萄牙某住宅建筑的外墻外保溫材料、屋面保溫材料、窗戶類型和太陽能集熱器類型并利用GenOpt對(duì)建筑的生命周期成本和熱舒適性對(duì)設(shè)計(jì)提出了優(yōu)化建議[9]。Ferrara結(jié)合Trnsys和GenOpt對(duì)法國某住宅建筑120種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組合進(jìn)行分析，從而確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案[10]。Peeters在文章中相信闡述了GenOpt和ESP-r的耦合方式，并利用一個(gè)簡單的優(yōu)化案例加以證明[11]。為了更好的引導(dǎo)零能耗建筑的設(shè)計(jì)，美國國家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了建筑能耗優(yōu)化軟件BeOpt。用戶可以選擇不同建筑元素組合，然后根據(jù)美國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)或用戶定義的基本方案進(jìn)行計(jì)算，最后輸出在不同的節(jié)能水平下的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案[12]。Rhodes利用BeOpt指導(dǎo)奧斯丁5座零能耗建筑設(shè)計(jì)問題[13]。

隨著研究的不斷加入，上述優(yōu)化軟件的問題也開始暴露出來。MIT Design Advisor、Dest-h、BeOpt應(yīng)用范圍較窄，只能用于特定優(yōu)化問題。GenOpt作為應(yīng)用較廣、效率較高的優(yōu)化軟件之一，仍然存在某些不足之處。首先， GenOpt給使用者提供了一個(gè)接入其他算法的接口，但是必須基于Java平臺(tái)開發(fā)，算法可拓展性較低[14]。第二，隨著優(yōu)化目標(biāo)研究的不斷深入，越來越多的國家開始提出不同的建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)。這些指標(biāo)有些相對(duì)復(fù)雜。GenOpt只提供了一些簡單的運(yùn)算符號(hào)，導(dǎo)致很多指標(biāo)只能被簡化，從而影響最后的優(yōu)化效果。第三，GenOpt的文件讀寫功能比較簡單而且效率較低。一旦輸入的模型文件過大，就會(huì)出現(xiàn)無法工作的情況[15]。由此可見，建筑能耗優(yōu)化軟件仍存在一些問題有待改進(jìn)。

2.研究思路

從建筑工程師的切身需要出發(fā)，分析目前優(yōu)化軟件的基本原理，改進(jìn)目前優(yōu)化軟件的不足?？偨Y(jié)之后，把軟件共分為三個(gè)功能模塊：Matlab（優(yōu)化模塊），EnergyPlus（建筑仿真模塊）和交互模塊，示意圖如圖1所示。Matlab作為整個(gè)軟件的核心，驅(qū)動(dòng)著整個(gè)優(yōu)化過程。每次迭代開始時(shí)，算法自動(dòng)生成一組設(shè)計(jì)變量參數(shù)并存放在一個(gè)特定的文件中，緊接著交互模塊讀取這些參數(shù)并利用EnergyPlus模擬全年建筑能耗。交互模塊將EnergyPlus的輸出文件傳遞給Matlab對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行評(píng)估。如果方案滿足要求，輸出最終方案。否則更新設(shè)計(jì)變量為下次迭代做準(zhǔn)備。最終通過多次迭代求出最優(yōu)方案?？v觀整個(gè)過程EnergyPlus和Matlab之間的交互模塊成為整個(gè)軟件的關(guān)鍵部分。通過軟件開發(fā)的交互模塊完成Matlab和EnergyPlus的耦合可以有效克服目前優(yōu)化軟件算法少、運(yùn)行效率低、可擴(kuò)展性差的不足。因此可見，該軟件確實(shí)能有效解決建筑能耗優(yōu)化問題。

3.研究成果

指導(dǎo)老師在前期研究中曾利用Matlab和Airpak實(shí)現(xiàn)了建筑室內(nèi)熱環(huán)境的綜合優(yōu)化[16]，并在建筑能耗預(yù)測和優(yōu)化方面展開了深入研究；開發(fā)者們共同完成了一款建筑電能耗預(yù)測軟件。

已有研究成果：

（1）已完成建筑建模和全年能耗的模擬工作，建筑模型示意圖如圖2所示。

（2）研究常用多目標(biāo)優(yōu)化算法NSGA-Ⅱ的基本原理，并利用NSGA-Ⅱ算法中對(duì)簡單的測試函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果圖如3所示。

4.結(jié)束語

在分析國內(nèi)外建筑能耗優(yōu)化軟件開發(fā)情況的基礎(chǔ)上，探討了基于C++的建筑能耗優(yōu)化軟件開發(fā)的研究思路與軟件開發(fā)的原理結(jié)構(gòu)圖，介紹了已完成的建筑建模和全年能耗的模擬工作以及優(yōu)化結(jié)果。

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