【建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造優(yōu)化設(shè)計(jì)-以S小區(qū)1號(hào)樓為例14000字】

PAGE1PAGE2建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造優(yōu)化設(shè)計(jì)—以S小區(qū)1號(hào)樓為例目錄TOC\o"1-3"\h\u281051前言 1222011.1研究背景 1153551.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 242751.2.1國外研究現(xiàn)狀 258941.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 21981.3研究目的及意義 3283621.4研究內(nèi)容 4324212建筑能耗建模 5282412.1制冷能耗 5314302.1.1傳遞得熱 5223762.1.2入滲和通風(fēng)得熱 5159182.1.3太陽輻射得熱 5193972.1.4內(nèi)部得熱 6300722.1.5制冷設(shè)備的能耗 6308252.2采暖能耗 6187272.2.1傳遞熱量損失 6320462.2.2入滲和通風(fēng)熱量損失 655122.2.3采暖設(shè)備的能耗 7311302.3照明和電器能耗 799062.4建筑整體能耗 7126542.5建筑節(jié)能建模 7167372.5.1制冷節(jié)能量 737212.5.2采暖節(jié)能量 8183612.5.3光伏系統(tǒng)產(chǎn)能 8130872.5.4建筑整體節(jié)能量 93223經(jīng)濟(jì)建模 1098003.1改造花銷 1019433.2凈現(xiàn)值 10139453.3投資回收期 1196204優(yōu)化模型 12185414.1決策變量 1294924.2目標(biāo)函數(shù) 12159904.3約束條件 12101075案例分析 14172455.1建筑情況 14183275.2案例數(shù)據(jù)采集 14238615.3優(yōu)化求解與分析 16306356結(jié)論與展望 194043參考文獻(xiàn) 201前言1.1研究背景 18世紀(jì)60年代，英格蘭首先開始了工業(yè)革命，隨后，工業(yè)革命的浪潮逐步向全球擴(kuò)散，社會(huì)進(jìn)入了大機(jī)器時(shí)代，隨著機(jī)器在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，煤炭、石油、天然氣等化石能源的消耗量也在逐年攀升。機(jī)器的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)需求也日益增長。人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)需求又需要更多的機(jī)器來滿足，如此循環(huán)往復(fù)，化石能源的消耗不斷被加速，而地球所礦藏的化石能源資源正在漸漸枯竭，人類正在面對(duì)嚴(yán)重的能源短缺問題。工業(yè)時(shí)代化石能源的大量燃燒也造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題，包括全球變暖和空氣污染等。相比工業(yè)化前，全球平均氣溫已上升了1.1℃[1]，PM10的濃度也有顯著的升高，在某些城市PM10的濃度甚至達(dá)到了300μg/m根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)，中國作為全世界發(fā)展最快的國家之一，2018年中國石油消費(fèi)量增長68萬桶每日，天然氣消費(fèi)量增長430億立方米，煤炭消費(fèi)量增長1600萬噸油當(dāng)量，是世界上化石能源消費(fèi)增長的主要來源之一。由于中國巨大的能源需求量以及羸弱的石油、天然氣產(chǎn)量，相較于其他國家，中國面臨著更為嚴(yán)峻的能源短缺問題[3]。自改革開放以來，中國城市化進(jìn)程加速發(fā)展，全國新增建筑面積增長勢(shì)頭迅猛。2001年中國新增建筑面積總量為18.2億平方米，而到了2013年，全國新建建筑面積就已增長至35億平方米，平均每年新增面積25.8億平方米，建筑能耗也隨著新建建筑面積的增長而不斷攀升[4]。如今，巨量的建筑能耗使得建筑領(lǐng)域的能耗已經(jīng)和工業(yè)、交通領(lǐng)域的能耗成為了中國能耗的“三巨頭”。在歐美發(fā)達(dá)國家，建筑能耗在社會(huì)總能耗中的比重約為20%～40%[5]，相比之下中國建筑能耗僅有23.4%，仍然處于較低的水平。結(jié)合中國城市化率仍然較發(fā)達(dá)國家低，僅有60.6%的事實(shí)[6]，可以預(yù)期的是，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，中國的建筑能耗仍將不斷上升，逐步逼近中高級(jí)發(fā)達(dá)國家的水平。如何應(yīng)對(duì)不斷增長的建筑能耗并降低其排放已經(jīng)成為我國節(jié)能減排任務(wù)中的重中之重。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀 發(fā)達(dá)國家由于城市化建設(shè)起步早，如今城市化進(jìn)程已經(jīng)步入穩(wěn)定階段，新建建筑面積遠(yuǎn)小于已有面積，因此發(fā)達(dá)國家的建筑節(jié)能研究主要集中在加強(qiáng)新建建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定以及對(duì)舊有建筑的的節(jié)能改造工作上。 節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)方面，美國有LEED(LeadershipinEnergyandEnvironmentalDesign)建筑評(píng)價(jià)體系。LEED標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證體系依據(jù)不同建筑物的性質(zhì)的差異，以及建筑生命周期的不同階段分別采取6種不同的評(píng)價(jià)方式[7]，包含建筑環(huán)境與建筑選址、材料和資源、能源和大氣污染、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量五個(gè)方面的內(nèi)容，認(rèn)證等級(jí)分為白金獎(jiǎng)、金獎(jiǎng)、銀獎(jiǎng)、認(rèn)證四個(gè)等級(jí)[8]。英國有BREEAM(BuildingResearchEstablishmentEnvironmentalAssessmentMethod)評(píng)價(jià)體系，這是世界范圍內(nèi)第一個(gè)綠色建筑評(píng)價(jià)體系。BREEAM又細(xì)分為BREEAM小區(qū)建筑評(píng)價(jià)體系(BREEAMOffices)、BREEAM國際評(píng)價(jià)體系(BREEAMInternational)等等。BREEAM的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象是生態(tài)環(huán)境保護(hù)、土地使用、垃圾管理、建材使用、節(jié)水、交通便利性、運(yùn)營管理、節(jié)能性能以及健康福利，以此來評(píng)價(jià)建筑的可持續(xù)性[9]。日本有CASBEE(ComprehensiveAssessmentSystemforBuildingEnvironmentalEfficiency)建筑評(píng)價(jià)體系，CASBEE關(guān)注建筑的室內(nèi)環(huán)境以及建筑對(duì)環(huán)境的影響的綜合評(píng)價(jià)，共有五個(gè)等級(jí)[10]。 建筑節(jié)能改造方面,OuardaMansouri等人在室內(nèi)宜居溫度和用能效率不變的情況下，測試分析了建筑外圍結(jié)構(gòu)隔熱保溫系統(tǒng)的性能，指出了有效的隔熱保溫系統(tǒng)對(duì)于建筑節(jié)能的重要意義[11]。Al-Khawaja考慮太陽輻射的影響，采用制冷季室外氣溫的平均值計(jì)算由于傳遞得熱所造成的制冷能耗，以低改造費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，得出了卡塔爾地區(qū)應(yīng)用于墻體的不同保溫材料的最佳厚度[12]。F.PeciLopez等研究了吸熱幕墻吸收太陽能并將其用于減輕冬季采暖系統(tǒng)負(fù)荷的可行性，其結(jié)果指出了環(huán)境在建筑節(jié)能中的重要價(jià)值[13]。希臘的E.Dascalake，M.Santamouris基于本土氣候的差異深入分析了小區(qū)建筑的能耗水平及節(jié)能潛力，并提出了相應(yīng)的改造方案[14]。RaphaelWu等人進(jìn)行了不同年代居住建筑外圍結(jié)構(gòu)的高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能改造的軟件模擬，得出對(duì)建筑進(jìn)行整體改造時(shí)，其供暖系統(tǒng)的節(jié)能量可達(dá)50%以上[15]。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國由于城市化進(jìn)程起步較晚，新建建筑數(shù)量龐大，所以我國的建筑節(jié)能研究主要集中在建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定、新建節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)上。 節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)方面，1986年中國頒布了《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》規(guī)定采暖地區(qū)的建筑節(jié)能目標(biāo)為30%，2010年又將建筑節(jié)能目標(biāo)提高到50%[16]。清華大學(xué)結(jié)合住建部和地方建筑節(jié)能管理部門的建筑能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)編制了《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》，其核心內(nèi)容為建筑供暖能耗指標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同地區(qū)的氣候差異以及不同的建筑類型給出了建筑能耗指標(biāo)的引導(dǎo)值、約束值以及相應(yīng)的修改方法[17]。深圳市也出臺(tái)了《深圳市公共建筑能耗定額標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)商場、寫字樓、酒店等公共建筑的能耗給出了明確的要求[18]。 新建節(jié)能建筑設(shè)計(jì)方面，康海濤考慮到我國高原地區(qū)太陽能十分充足，以此為基礎(chǔ)，探討在高原地區(qū)充分利用太陽能優(yōu)化低耗能民用建筑的設(shè)計(jì)方案，借以改善室內(nèi)的居住環(huán)境[19]。邵月婷從氣候適應(yīng)性和自然資源的利用方面考慮，研究寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅設(shè)計(jì)策略，發(fā)現(xiàn)其重點(diǎn)在建筑保溫隔熱、太陽能的利用、采光和通風(fēng)等方面，并討論相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法[20]。劉科以公共建筑為研究對(duì)象，從節(jié)能與經(jīng)濟(jì)的角度分析，結(jié)合BIM技術(shù)、全生命周期理論對(duì)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了分析與研究，為公共建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了新的思路[21]。劉棟利用建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬軟件對(duì)經(jīng)典建筑能耗模型進(jìn)行了研究，提出了超低能耗居住建筑的節(jié)能目標(biāo)應(yīng)為建筑基準(zhǔn)能耗值的87.5%的觀點(diǎn)，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)模型，指出在增加適當(dāng)?shù)慕ㄖ鈬亟Y(jié)構(gòu)的同時(shí)，使用太陽能集熱系統(tǒng)作為建筑的輔助能源時(shí)能夠獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益[22]。王志杰基于寒冷地區(qū)的居住建筑分析了建筑圍護(hù)保溫結(jié)構(gòu)對(duì)建筑節(jié)能的貢獻(xiàn)比例，得到了寒冷地區(qū)外墻保溫材料的熱工性能對(duì)于建筑的整體能耗的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于屋頂保溫材料對(duì)于建筑的整體能耗的影響的結(jié)論[23]。1.3研究目的及意義建筑能耗作為我國能耗三巨頭之一，節(jié)能潛力巨大，為了貫徹執(zhí)行我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，減少能源消耗，減輕環(huán)境污染，既有建筑的節(jié)能改造工作勢(shì)在必行。實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的技術(shù)途徑一般分為以下幾種：建筑的規(guī)劃與設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造、提高終端用能效率，提高總的能源利用率。其中對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造的方案由于只需要對(duì)建筑的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，對(duì)建筑的內(nèi)部設(shè)施和總體結(jié)構(gòu)影響較小所以對(duì)于既有建筑非常友好，并且一般對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造的費(fèi)用占建筑建設(shè)總投資的比例小，而節(jié)能效果卻非常好，是一種效益可觀的改造方案?，F(xiàn)有的節(jié)能建筑研究多集中于使用能源利用率更高的用能電器以減少建筑的整體用能量、在建筑內(nèi)部使用可再生能源和根據(jù)建筑所在的環(huán)境調(diào)整建筑的設(shè)計(jì)方案等方面，對(duì)于建筑外圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造的研究還比較少?？紤]到我國既有建筑的存量巨大，截至2015年底既有建筑面積接近600億平方米的國情，對(duì)于這部分建筑的節(jié)能改造的最優(yōu)方案即是進(jìn)行外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造，因此對(duì)于建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造優(yōu)化的研究意義重大。而優(yōu)化算法的加入，可以在已知可選擇的改造材料的基本參數(shù)的情況下，快速計(jì)算出滿足不同預(yù)算、不同節(jié)能和經(jīng)濟(jì)權(quán)重條件的最優(yōu)化改造方案，大大減少了方案設(shè)計(jì)時(shí)間，為決策提供了便利。本文將基于建筑外墻、窗戶、屋頂?shù)韧鈬Y(jié)構(gòu)，并引入清潔能源——太陽能，開展建筑節(jié)能改造及方案優(yōu)化問題的研究，為既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造提供參考，推動(dòng)節(jié)能建筑的發(fā)展。1.4研究內(nèi)容 本文將以不同種類的窗戶、外墻隔熱保溫材料、屋頂隔熱保溫材料以及不同效率的太陽能電池板為研究對(duì)象，考慮建筑的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)以及改造的投資回收期，設(shè)計(jì)優(yōu)化的建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案，并進(jìn)行改造方案間的對(duì)比，分析建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造中的規(guī)律，證明多目標(biāo)優(yōu)化算法應(yīng)用于建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造項(xiàng)目中的可行性以及便利性。本文的主要研究內(nèi)容如下： (1)基于建筑外圍結(jié)構(gòu)中的主要設(shè)施，如窗戶、外墻、屋頂?shù)葘?duì)于建筑能耗所產(chǎn)生的影響，對(duì)建筑的不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上建立建筑的整體能耗模型。 (2)采集建筑外圍結(jié)構(gòu)組成部分的節(jié)能改造備選材料的熱工性能和價(jià)格等信息，結(jié)合節(jié)能改造所需費(fèi)用以及改造后建筑因節(jié)能所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，建立建筑改造后生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益模型。 (3)根據(jù)已建立的建筑整體能耗模型以及經(jīng)濟(jì)效益模型，建立一個(gè)優(yōu)化模型。并在MATLAB中應(yīng)用遺傳算法求解該模型，得出在不同預(yù)算下滿足節(jié)能要求的最優(yōu)建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案。 (4)基于真實(shí)的建筑信息進(jìn)行案例分析，對(duì)已有的模型進(jìn)行驗(yàn)證，分析建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造中的規(guī)律，驗(yàn)證優(yōu)化模型的正確性。

2建筑能耗建模建筑物的能耗主要包括制冷能耗、采暖能耗以及照明和電器能耗，相關(guān)計(jì)算公式將在以下小節(jié)給出。2.1制冷能耗 制冷設(shè)備所產(chǎn)生的能耗主要來源于四個(gè)方面：傳遞得熱、入滲和通風(fēng)得熱、太陽輻射得熱以及內(nèi)部得熱。2.1.1傳遞得熱 在制冷季，窗戶、墻體、屋頂以及地板等導(dǎo)熱材料使得熱量從室外傳遞至室內(nèi)，從而增加了制冷設(shè)備的負(fù)荷。傳遞得熱EtcEtc=Cdd(A 式中，Cdd是制冷度日數(shù)(℃?)，Awin，Awal，Arof以及Aflr為建筑物窗戶、外墻、屋頂以及地板各自的總面積(m2)，Uwin，2.1.2入滲和通風(fēng)得熱 在制冷季，因窗戶的密封不良而滲入的室外高溫空氣以及通風(fēng)時(shí)引入的室外高溫空氣也會(huì)增加制冷設(shè)備的負(fù)荷。入滲和通風(fēng)得熱由顯式熱增量以及潛在熱增量兩部分組成。顯式熱增量Esc Esc=CsQsCdd 式中，Cs為測量出的空氣的顯熱系數(shù)(W/(℃Ls)潛在熱增量Elc Elc=ClQs?WcTc 式中Cl是空氣的潛熱系數(shù)(W(Ls))，?Wc2.1.3太陽輻射得熱制冷季內(nèi)由窗戶所透射的太陽輻射增加了制冷設(shè)備的能耗。制冷季內(nèi)太陽輻射得熱Esl Esl=AwinIwinSHGC(θ)Ts 式中Iwin是測量出的窗戶上的太陽輻射照度(Wm2)，SHGC(θ2.1.4內(nèi)部得熱一般建筑物的內(nèi)部得熱主要來自于人、照明以及電器，內(nèi)部得熱EiEi=(α1+α2+α3)A式中α1，α2以及α3為建筑物內(nèi)人、照明和電器的功率負(fù)荷密度(Wm2)，Ag是建筑的總面積(2.1.5制冷設(shè)備的能耗 根據(jù)傳遞得熱、入滲和通風(fēng)得熱、太陽輻射得熱以及內(nèi)部得熱的計(jì)算結(jié)果，制冷設(shè)備的能耗EcoolEcool=Etc+Esc+Elc+Esl+式中SEER為制冷效率(BtuW?2.2采暖能耗采暖設(shè)備所產(chǎn)生的能耗主要來源于兩個(gè)個(gè)方面：傳遞熱量損失以及入滲和通風(fēng)熱量損失。2.2.1傳遞熱量損失在采暖季，窗戶、墻體、屋頂以及地板等導(dǎo)熱材料使得熱量從室內(nèi)傳遞至室外，從而增加了采暖設(shè)備的負(fù)荷。傳遞熱量損失Et?Et?=Hdd(A式中，Hdd是采暖度日數(shù)(℃2.2.2入滲和通風(fēng)熱量損失在采暖季，因窗戶的密封不良而滲入的室外寒冷空氣以及通風(fēng)時(shí)引入的室外寒冷空氣也會(huì)增加采暖設(shè)備的負(fù)荷。入滲和通風(fēng)熱量損失包括顯式熱量損失以及潛在熱量損失。顯式熱量損失Es?Es?=CsQsHdd 潛在得熱El?El?=ClQs?W?T? 式中，?W?為室內(nèi)空氣和室外空氣濕度的差異(kg/kg)，T?2.2.3采暖設(shè)備的能耗根據(jù)傳遞熱量損失以及入滲和通風(fēng)熱量損失的計(jì)算結(jié)果，建筑內(nèi)采暖設(shè)備的能耗E?eatE?eat=Et?+Es?+El?HSPF 式中，HSPF為制熱效率(BtuW?2.3照明和電器能耗照明以及電器的能耗EdEd=(Pl+Pa)Td 式中Pl以及Pa是建筑內(nèi)照明以及電器各自的總功率(W)，Td2.4建筑整體能耗 根據(jù)以上制冷能耗、采暖能耗以及照明和電器能耗計(jì)算公式，建筑的整體能耗Eo Eo=Ecool+E?eat+Ed 2.5建筑節(jié)能建模建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是能量進(jìn)出建筑的主要屏障。用高隔熱材料對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造，可以有效減少取暖和制冷負(fù)荷，從而減少建筑物的能源消耗。另外在建筑物的屋頂鋪設(shè)太陽能電池板可以有效降低建筑對(duì)外部能源的需求量。下面給出改造后節(jié)能量的計(jì)算公式。2.5.1制冷節(jié)能量制冷節(jié)能量EcoolsaveEcoolsave=Ecoolo?Ecooln=Etco式中Ecoolo為改造前的制冷耗能，Ecooln為改造后的制冷耗能，Etco為改造前的傳遞得熱，Etcn為改造后的傳遞得熱，Etco=Cdd(Etcn=Cdd(式中，Uwino，Uwalo以及Urofo是改造前建筑物窗戶、墻體、屋頂以及地板各自的熱透射率(W/m2℃)，UwinnUwinn=i=1IxiwinUi Uwaln=j=1JxjwalUwaloλjUwaloUrofn=k=1KxkrofUrofoλkUrofo式中，Ui是第i個(gè)可供選擇的窗戶的熱透射率(W/m2℃)，xiwin表示第i個(gè)可供選擇的窗戶的狀態(tài)，即當(dāng)xiwin=1時(shí)，此窗戶被用于改造，當(dāng)xiwin=0時(shí)，此窗戶不被用于改造，類似的變量還有xjwal以及xkrof，表示墻體、房頂?shù)谋馗魺岵牧系臓顟B(tài),這兩個(gè)參數(shù)分別代表第j個(gè)可供選擇的外墻隔熱材料以及第k個(gè)可供選擇的屋頂隔熱材料是否被用于改造。dj以及2.5.2采暖節(jié)能量制冷節(jié)能量E?eatsaveE?eatsave=E?eato?E?eatn=Et?o式中E?eato為改造前的采暖耗能，E?eatn為改造后的采暖耗能，Et?o為改造前的傳遞熱量損失，Et?n為改造后的傳遞熱量損失，Et?o=Hdd(Et?n=Hdd(2.5.3光伏系統(tǒng)產(chǎn)能光伏系統(tǒng)產(chǎn)能EpvEpv=l=1L(xlpvηl)(式中，ηl是第l個(gè)可供選擇的太陽能電池板的效率，Alpv是第l個(gè)可供選擇的太陽能電池板的單塊的面積(m2)，Ipv是指一年內(nèi)每平方米上太陽對(duì)太陽能電池板的輻照能(W?)，ηp是考慮到溫度等損失的平均太陽能到電能的轉(zhuǎn)換效率，xlpv表示第2.5.4建筑整體節(jié)能量 根據(jù)制冷節(jié)能量、采暖節(jié)能量以及太陽能電池板的產(chǎn)能量的計(jì)算結(jié)果，建筑整體的節(jié)能量EsaveEsave=Ecoolsave+E?eatsave+Epv

3經(jīng)濟(jì)建模3.1改造花銷 改造花銷CretrocostCretrocost=Cwincost+Cwalcost式中，Cwincost、Cwalcost、Crofcost Cwincost=i=1IxiwinCiwinAwin Cwalcost=j=1JxjwalCjwalAwal Crofcost=k=1KxkrofCkrofArof Cpvcost=l=1LxlpvClpvNpv Ciwin、Cjwal以及Ckrof四個(gè)參數(shù)分別表示第i、j以及第k個(gè)可供選擇的窗戶、墻體隔熱保溫材料、屋頂隔熱保溫材料的單價(jià)($m3.2凈現(xiàn)值凈現(xiàn)值指未來資金（現(xiàn)金）流入（收入）現(xiàn)值與未來資金（現(xiàn)金）流出（支出）現(xiàn)值之間的差額。計(jì)算凈現(xiàn)值時(shí)，要按預(yù)定的基準(zhǔn)收益率對(duì)投資項(xiàng)目的未來現(xiàn)金流量進(jìn)行貼現(xiàn)，基準(zhǔn)收益率是投資者所期望的最低投資報(bào)酬率。凈現(xiàn)值為正，說明方案的實(shí)際報(bào)酬率高于所要求的報(bào)酬率，方案可行;凈現(xiàn)值為負(fù)，說明方案的實(shí)際投資報(bào)酬率低于所要求的報(bào)酬率，方案不可取。本研究涉及的投資回報(bào)率NPVtNPVt=?Cretrocostt=0EsaveP 式中，Pt為第t年的能源單價(jià)，由公式(30)計(jì)算，d為基準(zhǔn)收益率,tPt=P0×(1+Pgr)t 式中，P0為第0年能源單價(jià)，P 累積凈現(xiàn)值cNPVT cNPVT=t=0TNPVt 式中，T為年份。3.3投資回收期本研究使用動(dòng)態(tài)投資回收期來衡量建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能優(yōu)化改造的經(jīng)濟(jì)效益。動(dòng)態(tài)投資回收期(dynamicinvestmentpay-backperiod)是把投資項(xiàng)目各年的凈現(xiàn)金流量按基準(zhǔn)收益率折成現(xiàn)值之后，所計(jì)算出的投資回收期，動(dòng)態(tài)投資回收期就是凈現(xiàn)金流量累計(jì)現(xiàn)值等于零時(shí)的年份。 動(dòng)態(tài)投資回收期PBP可用公式(32)表示： PBP=(T0?1)+abs(cNPVT0?1) T0=minT,cNPVT>0 式中，T0為使cNPVT為正數(shù)的最小T值，abs()

4優(yōu)化模型4.1決策變量 在建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造優(yōu)化模型中，共有五個(gè)決策變量，分別是： (a)xiwin：選擇第i種備選窗戶進(jìn)行窗戶的節(jié)能改造(b)xjwal：選擇第(c)xkrof：選擇第(d)xlpv：選擇安裝第(e)Npv：第l4.2目標(biāo)函數(shù)本文通過加權(quán)算法將原有的最大節(jié)能量以及最大經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)合成為一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)（即目標(biāo)函數(shù)的值）簡化了求解過程，并使得決策者可以通過調(diào)節(jié)節(jié)能量以及經(jīng)濟(jì)效益各自的權(quán)重來獲取偏向節(jié)能量或經(jīng)濟(jì)效益的改造方案，更加符合建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造項(xiàng)目的要求。目標(biāo)函數(shù)OF可以由公式(34)表示： OF=W1PBP?W2Esave 式中，W1以及W2分別為投資回收期以及節(jié)能量的權(quán)重，根據(jù)項(xiàng)目的不同需求，可以調(diào)整W14.3約束條件 根據(jù)實(shí)際情況以及建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造項(xiàng)目的基本需求，本文所使用的優(yōu)化模型有以下四個(gè)約束條件： (a) x x x x N 由于不能出現(xiàn)第非整數(shù)種備選改造材料以及安裝非整數(shù)塊太陽能電池板，所以決策變量xiwin、xjwal、xk (b)C 建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造項(xiàng)目的花銷必須少于或等于項(xiàng)目提供的總預(yù)算，式中budget為項(xiàng)目預(yù)算($)。 (c)l=1 在建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造項(xiàng)目中安裝的太陽能電池板的總面積應(yīng)小于建筑的屋頂?shù)拿娣e。(d)( 式中，Er為EPC等級(jí)體系中的參考能源性能，值為190W/m5案例分析5.1建筑情況本文選用湖濱新區(qū)萊茵小區(qū)1號(hào)樓建筑對(duì)建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造優(yōu)化模型進(jìn)行實(shí)例分析。該建筑位于湖濱新區(qū)，為復(fù)式結(jié)構(gòu)，坐北朝南，建筑面積約為568平方米，窗墻比約為0.58。該小區(qū)建筑建于20世紀(jì)90年代中期，建筑主體為框架結(jié)構(gòu)，墻體材質(zhì)為紅磚，墻面噴涂水泥砂漿，由于需考慮采光及通透性，窗戶多為大面積單層無色非鍍膜玻璃落地窗。由于該小區(qū)建筑修建時(shí)間較早，所使用的建筑材料保溫性能較差，加之近30年的使用，該建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱保溫性能很差，采暖季以及制冷季室內(nèi)以及室外溫度差距較大，熱量交換非常明顯。經(jīng)測量，其玻璃落地窗導(dǎo)熱率高達(dá)3.6W/(m℃)，其墻體導(dǎo)熱率也高達(dá)2.5W/(m℃)，是名副其實(shí)的高能耗建筑。接下來，本文將根據(jù)該建筑物的實(shí)際情況，應(yīng)用建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造優(yōu)化模型，求解得出適用于該建筑的外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案。5.2案例數(shù)據(jù)采集本文改造方案應(yīng)用的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的能源性能等級(jí)評(píng)價(jià)表（表1）如下所示：表1:EPC能源性能等級(jí)表級(jí)別要求A能源性能<0.3B0.3ErC0.6ErD0.9ErE1.1ErF1.4ErG能源性能≥1.7本文改造方案的候選改造材料相關(guān)熱工性能信息以及價(jià)格信息如下數(shù)表（表2至表5）所示：表2:有關(guān)太陽能板的面積、效率以及單價(jià)l描述SηA1STP255-20/WD900.7815.7%1.6272YL190P-23B592.6214.7%1.2973YL265C-30B942.3016.3%1.6244CS6X-300P870.3315.6%1.9195HSL60P6-PB-1-240B704.8214.8%1.6166SharpND245Poly1023.1214.9%1.6427SW275MONO1042.5016.4%1.593表3:外墻保溫材料的熱工性能、厚度以及單價(jià)j描述dλC1石棉0.030.03414.492玻璃棉0.050.03816.323聚苯乙烯泡沫0.030.0369.844聚苯乙烯泡沫0.070.03613.455聚苯乙烯泡沫0.080.03614.376聚苯乙烯泡沫0.080.03321.107聚苯乙烯泡沫0.040.03610.448聚苯乙烯泡沫0.060.03612.329SPF板材0.020.0428.2310軟木0.010.0403.9311軟木0.10.04023.1312軟木0.150.04034.7013軟木0.300.04069.38表4:窗戶的熱工性能與單價(jià)i描述UC1單層玻璃，鋁制框架1.25212雙層玻璃，無涂層充氣金屬框架0.82383雙層玻璃，有色非涂層充氣金屬框架0.49504雙層玻璃，有色涂層充氣金屬框架0.38805雙層玻璃，low-e窗，充氣金屬框架0.3297表5:屋頂保溫材料的熱工性能、厚度以及單價(jià)k描述dλC1SPF板材0.0200.0428.232聚苯乙烯泡沫0.0300.0335.573聚苯乙烯泡沫0.0400.0337.224聚苯乙烯泡沫0.0500.0338.855聚苯乙烯泡沫0.0600.03310.496聚苯乙烯泡沫0.0700.03312.157聚苯乙烯泡沫0.0800.03313.798聚苯乙烯泡沫0.0400.03415.009石棉0.0650.03731.7810石棉0.1050.03744.845.3優(yōu)化求解與分析基于優(yōu)化模型和遺傳算法在MATLAB中編制優(yōu)化模型求解程序，設(shè)目標(biāo)建筑在接受節(jié)能改造后應(yīng)至少符合EPC能源等級(jí)中的D級(jí)別、改造節(jié)能量以及投資回收期的權(quán)重分別為0.3以及0.7，并代入以上參數(shù)求解，得到以下改造方案（表7)：表7:不同預(yù)算下的建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案budgetEpercentPBPxxxxN600003477023.5%950002101700003930826.6%98000599800004221028.6%10201005110900004665331.6%10300041031000004961633.6%10700341121100005371936.4%10800041261200005620138.1%112010051671300005836239.5%115010851751400006068441.1%11609741471500006082241.2%121011841471600006117541.4%1282624147表7中，第1行前4列中的budget、Esave、percent、PBP分別表示項(xiàng)目預(yù)算、建筑改造后一年內(nèi)的節(jié)能量(kW?)、建筑改造后的節(jié)能量占建筑原有能耗的百分比、建筑改造項(xiàng)目的投資回收期。如第2行前4列的內(nèi)容為60000、34770、23.5%、95，表示在項(xiàng)目預(yù)算60000元時(shí)，改造后建筑節(jié)能量為34770千瓦時(shí)，占改造前建筑能耗的23.5%，投資回收期為95個(gè)月。表7中第1行倒數(shù)5列代表改造方案，其中xiwin、xjwal、x 從表7中的第2行和第3行來看，當(dāng)預(yù)算較低時(shí)，推薦方案中僅加裝了太陽能電池板，墻體、屋頂以及窗戶均未參與改造。究其原因是因?yàn)樘柲茈姵匕宓漠a(chǎn)能高，相對(duì)于窗戶、墻體、屋頂?shù)母脑炱渫顿Y回收期較短?？梢?，當(dāng)建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造項(xiàng)目的預(yù)算較低時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮加裝太陽能電池板。 從表7中可以看出，改造方案大多安裝了4號(hào)和5號(hào)太陽能電池板。結(jié)合太陽能電池板的熱工性能以及價(jià)格、面積等信息，發(fā)現(xiàn)在太陽能電池板的效率相差不大的時(shí)候，太陽能電池板型號(hào)選擇的首要考慮因素為太陽能電池板單位面積的價(jià)格。 表7中，預(yù)算110000元時(shí)，方案安裝了126塊4號(hào)太陽能電池板，其他的不參與改造；預(yù)算120000元時(shí)，方案安裝了167塊5號(hào)太陽能電池板，使用10號(hào)墻體隔熱保溫材料進(jìn)行了墻體的改造，其他的不參與改造；預(yù)算130000元時(shí)，方案安裝了175塊5號(hào)太陽能電池板，使用10號(hào)墻體隔熱保溫材料進(jìn)行了墻體的改造，使用8號(hào)屋頂隔熱保溫材料進(jìn)行了屋頂?shù)母脑??？梢姡?xiàng)目應(yīng)首先考慮太陽能電池板的安裝，當(dāng)項(xiàng)目預(yù)算增加，但增加的預(yù)算不足以安裝更多面積的同效率太陽能電池板時(shí)，就應(yīng)該退而求其次，安裝效率和價(jià)格都稍低的太陽能電池板，并考慮墻體的節(jié)能改造，當(dāng)預(yù)算再增加時(shí)，考慮屋頂?shù)墓?jié)能改造。同時(shí)在表中可以看到，直到預(yù)算增加到160000元時(shí)，才開始進(jìn)行窗戶的節(jié)能改造，可見，窗戶對(duì)于建筑節(jié)能的影響最小。 表7中，預(yù)算140000到160000時(shí)，除了太陽能電池板由于安裝面積已經(jīng)達(dá)到最大安裝面積而不再變化之外，其他的改造選材都在不停變動(dòng)，而且隨著預(yù)算的上升，并非是單純的選擇熱工性能更好的改造材料，而是根據(jù)建筑的節(jié)能量和建筑節(jié)能改造的投資回收期來變化的，由此可以證明優(yōu)化模型的有效性。 從表7中budget、Esave以及PBP最后，從PBP列中可以看出，建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的投資回收期較長，多為百月以上，對(duì)于投資者來說，經(jīng)濟(jì)效益并不高，這也從側(cè)面印證了有關(guān)建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的研究較少的原因。然而進(jìn)行建筑外圍節(jié)能改造的研究是非常有意義的，從percent列中可以發(fā)現(xiàn)，建筑外圍節(jié)能改造的效果是非常明顯的，在預(yù)算60000元時(shí)，改造后建筑節(jié)能量在改造前建筑的能耗量中的占比就已經(jīng)接近25%了，進(jìn)行建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造能夠有效解決我國建筑能耗高的問題，緩解我國面臨的能源短缺問題。

6結(jié)論與展望本文以建筑外圍結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，研究了不同的建筑外圍結(jié)構(gòu)組成部分對(duì)于建筑的整體能耗的影響，引入了清潔能源——太陽能，以減少建筑對(duì)于外部能源的依賴，并使用數(shù)學(xué)模型描述了建筑的能耗變化，引入了凈現(xiàn)值和投資回收期的概念，形成了評(píng)價(jià)建筑節(jié)能改造方案經(jīng)濟(jì)效益的經(jīng)濟(jì)模型，隨后在建筑能耗模型以及經(jīng)濟(jì)模型的基礎(chǔ)上形成了優(yōu)化模型。并采用了北京市兩層小區(qū)建筑的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化模型的檢驗(yàn)，利用遺傳算法以及MATLAB對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，生成了適合于不同預(yù)算情況的最優(yōu)改造方案。本文主要得出的結(jié)論如下：(a)對(duì)建筑的外圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造所帶來的節(jié)能效果非常明顯，其改造后節(jié)能量可達(dá)改造前建筑能耗量的20%至45%。(b)將優(yōu)化算法應(yīng)用于建筑節(jié)能改造方案的制定中能夠幫助決策者在一定的預(yù)算下獲取到節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益最大化的最優(yōu)改造方案，大大減少了決策所需時(shí)間和決策難度(c)本文中所建立的優(yōu)化模型允許決策者參與到建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案的設(shè)計(jì)中來，決策者通過改變優(yōu)化模型中節(jié)能量與投資回收期的權(quán)重，可以獲取到有不同傾向的節(jié)能改造方案，以滿足項(xiàng)目的不同需求。(d)根據(jù)案例分析，建筑外圍結(jié)構(gòu)的不同組成部分在建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造項(xiàng)目中的優(yōu)先級(jí)是不同的，其優(yōu)先級(jí)為：太陽能電池板>墻體>屋頂>窗戶。 (e)在建筑節(jié)能改造項(xiàng)目中引入太陽能可以大大減少建筑物對(duì)于外部能源的依賴，大幅增加建筑的節(jié)能能力，另外由于太陽能電池板可以自主產(chǎn)生能源，相比于窗戶、墻體以及屋頂?shù)炔糠值母脑?，加裝太陽能電池板的投資回收期短，經(jīng)濟(jì)效益好。 由于時(shí)間、經(jīng)驗(yàn)以及自身能力有限，本文還有一些不足之處。本文所使用的遺傳算法(GA)為MATLAB中通用的遺傳算法，并非為本文的研究量身定制的，這就導(dǎo)致了本文求解優(yōu)化模型所得出的不同預(yù)算下的改造方案大概率為局部最優(yōu)解，而非全局最優(yōu)解，使得得出的改造方案的參考價(jià)值有所下降。在接下來的研究中，將把重點(diǎn)放在遺傳算法的學(xué)習(xí)與改進(jìn)上，為建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造優(yōu)化項(xiàng)目編寫定制化的遺傳優(yōu)化算法，使得最后得到的建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案更加接近全局最優(yōu)解，并提高計(jì)算效率，為建筑外圍結(jié)構(gòu)節(jié)能改造項(xiàng)目提供更有意義的參考方案。

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