CN113468645A - 一种基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，包括：获取待优化建筑总能耗；待优化建筑总能耗包括建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、建筑施工能耗、建筑运行能耗和建筑拆除处置能耗；基于资源约束条件、能量转换条件和能量平衡条件，采用多目标优化模型对待优化建筑总能耗进行求解，获取优化建筑总能耗。综合考虑建筑从材料生产运输建造以及运行等方面的因素，通过多目标优化模型计算出建筑能耗最经济或最低碳排放的建筑类型，达到建筑能耗优化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，具体涉及一种基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法。
背景技术
建筑节能与减排作为建筑工程的两个重要方面，既有联系又有区别。目前基于被动式的建筑节能方法研究逐渐深入，日趋成熟。但是在规划设计阶段考虑碳排放效应的研究仍需加强。从控制碳排放的可行措施来看，首先要深入研究建筑碳排放的来源，探索不同碳来源之间的内在关联规律，建立全局最优的建筑减碳机制，才能积极应对全球气候变化问题。
住宅建筑的低碳能源系统设计是一项复杂的系统工程。首先做到碳排放-能耗-经济多目标之间的协同，同时要综合考虑乡村住宅建筑的能耗特征，资源禀赋，实现需求与供给的优化匹配。可再生能源是实现节能减排的重要措施，而可再生能源的间歇性、波动性同样给能源系统设计带来挑战，因此实现可再生能源与储能的优化匹配，保证可再生能源的消纳同样是一项复杂的决策任务。因此，如何设计适宜住宅建筑的低碳能源系统方案，真正实现建筑全寿命周期的低碳建设，低碳运行成为一个亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，以改善目前建筑设计中存在的能耗高消耗的问题。
本发明实施例提供了一种基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，包括：
获取待优化建筑总能耗；待优化建筑总能耗包括建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、建筑施工能耗、建筑运行能耗和建筑拆除处置能耗；
基于资源约束条件、能量转换条件和能量平衡条件，采用多目标优化模型对待优化建筑总能耗进行求解，获取优化建筑总能耗。
可选地，建筑运行能耗包括维持建筑环境的终端设备用能和建筑内活动的终端设备用能；其中，维持建筑环境的终端设备用能包括供暖设备用能、制冷设备用能、通风设备用能、空调用能和照明用能中的至少一者；建筑内活动的终端设备用能包括办公用能、炊事用能和卫浴用能中的至少一者。
可选地，建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、建筑施工能耗和建筑拆除处置能耗通过发电煤耗法进行测算；
建筑运行能耗通过电热当量法进行测算。
可选地，资源约束条件包括：
使建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、建筑施工能耗和建筑拆除处置能耗之和不超过第一预设值；
其中，建筑材料生产能耗的占比范围为10％～20％；建筑材料运输能耗范围为10％～20％；建筑施工能耗范围为40％～50％；建筑拆除处置能耗范围为10％～40％。
可选地，能量转换条件包括：
通过能耗功率、能耗用量、制冷效率和制热效率计算出维持建筑环境的终端设备用能；
使能量转换效率达到最优解；
其中，能耗功率包括电功率和光伏电功率；能耗用量包括天然气用量、生物质燃料用量和太阳能集热消耗量。
可选地，能量平衡条件包括热量供需平衡、冷量供需平衡和电量供需平衡；其中，第一优化目标为经济性指标，第二优化目标为碳排放指标；第一优化目标的优先度高于第二优化目标。
可选地，采用混合整数线性模型和ε-constraint方法构建多目标优化模型。
可选地，根据采暖度日数指标和空调度日数指标将建筑所在区域划分为严寒区和寒冷区；针对严寒区和寒冷区，设立至少两档资源约束条件指标、能量转换条件指标和能量平衡条件指标。
可选地，若待优化建筑为住宅，则住宅建筑指标包括：
住宅建筑长宽比范围为0.85:1～0.95:1；窗墙比范围为0.35:1～0.45:1；外墙保温层厚度为30mm～35mm；屋顶保温层厚度为50mm～60mm。
可选地，住宅建筑外墙采用混凝土空心砌块EPS板保温墙体，外墙保温层厚度为30mm；住宅建筑屋顶采用钢筋混凝土坡屋面，屋顶保温层厚度为55mm；外窗采用塑钢单框中空氩气玻璃窗。
本发明实施例的有益效果：
1、综合考虑建筑从材料生产运输建造以及运行等方面的因素，通过多目标优化模型计算出建筑能耗最经济或最低碳排放的建筑类型，达到建筑能耗优化的目的。
2、在同时考虑房屋建造成本的性价比最佳和房屋具有优秀节能效果下，选用如下方案：房屋长为10.39m宽为11.55m，即长宽比为0.9；窗墙比为0.4；外墙类型为混凝土空心砌块EPS板保温墙体，保温层厚度为30mm；屋顶类型为钢筋混凝土坡屋面，保温层厚度为55mm；外窗塑钢单框Low-E中空氩气玻璃窗时达到在建筑成本相对最小的情况下实现建筑总能耗的最小化。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中一种基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法的流程图；
图2示出了本发明实施例中一种住宅建筑长宽比优化设计取值示意图；
图3示出了本发明实施例中一种住宅建筑窗墙比优化设计取值示意图；
图4示出了本发明实施例中一种住宅建筑保温层厚度优化设计取值示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，如图1所示，包括：
步骤S10，获取待优化建筑总能耗。待优化建筑总能耗包括建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、建筑施工能耗、建筑运行能耗和建筑拆除处置能耗。
步骤S20，基于资源约束条件、能量转换条件和能量平衡条件，采用多目标优化模型对待优化建筑总能耗进行求解，获取优化建筑总能耗。
在本实施例中，从建筑全寿命周期角度出发，建筑产品的寿命周期分为4个阶段：建筑材料生产加工阶段、建筑施工阶段、建筑运行使用阶段、建筑拆除及废弃物处理阶段。以建筑全寿命周期为优化目标，来优化建筑能耗，综合考虑建筑从材料生产运输建造以及运行等方面的因素，通过多目标优化模型计算出建筑能耗最经济或最低碳排放的建筑类型，达到建筑能耗优化的目的。
作为可选的实施方式，建筑运行能耗包括维持建筑环境的终端设备用能和建筑内活动的终端设备用能；其中，维持建筑环境的终端设备用能包括供暖设备用能、制冷设备用能、通风设备用能、空调用能和照明用能中的至少一者；建筑内活动的终端设备用能包括办公用能、炊事用能和卫浴用能中的至少一者。
在本实施例中，基于建筑结构参数和系统内部能源运行模式，得到建筑能源需求，包括空调冷/热负荷需求和电负荷及热水负荷；具体地，建筑能源需求包括空调冷/热负荷需求和电负荷及热水负荷，其中空调冷热负荷通过建筑建模构建的EnergyPlus模型仿真获得。而建筑电负荷与热水负荷通常与人行为有强相关关系，由于人行为具有不确定性特征，因此电负荷与热水负荷通常基于统计方法获得。
作为可选的实施方式，建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、建筑施工能耗和建筑拆除处置能耗通过发电煤耗法进行测算；建筑运行能耗通过电热当量法进行测算。
在本实施例中，建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、建筑施工能耗和建筑拆除处置能耗作为建筑能耗占全国能源消费总量的比重指标，依据发电煤耗法来测算能耗。而计算各类建筑单位面积能耗时，采用发电煤耗法计算得到的建筑单位面积能耗包含了发电效率的影响，不能真实反映建筑能效水平的变化，因此采用电热当量法进行测算。
作为可选的实施方式，资源约束条件包括：使建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、建筑施工能耗和建筑拆除处置能耗之和不超过第一预设值；其中，建筑材料生产能耗的占比范围为10％～20％；建筑材料运输能耗范围为10％～20％；建筑施工能耗范围为40％～50％；建筑拆除处置能耗范围为10％～40％。
在本实施例中，通过对建筑建造资源进行约束，并控制建筑材料生产能耗的占比范围为10％～20％、建筑材料运输能耗范围为10％～20％、建筑施工能耗范围为40％～50％、建筑拆除处置能耗范围为10％～40％，从宏观上调控了建筑建造过程中产生的能耗，并且依据以上指标，以适宜居住为前提，控制了耗材成本，同时也顾及到住户每年能耗的经济消费范围。
此外，建筑使用市政能源或者在屋顶上安装可再生能源生产设备，实际应用中需要考虑资源的约束，例如电力瞬时功率需求受制于变压器以及线路最大允许容量的限制，光伏、光热系统受制于可利用的安装面积限制。因此在进行建筑能源系统设计时需要考虑资源容量的约束。
作为可选的实施方式，能量转换条件包括：通过能耗功率、能耗用量、制冷效率和制热效率计算出维持建筑环境的终端设备用能；使能量转换效率达到最优解；其中，能耗功率包括电功率和光伏电功率；能耗用量包括天然气用量、生物质燃料用量和太阳能集热消耗量。
在本实施例中，能量转换设备通过消耗电力、燃气等能源满足建筑的终端能源需求。市政电力可以驱动空气源热泵实现冬季采暖，夏季制冷。天然气可以驱动燃气壁挂炉供给生活热水以及用于冬季采暖。薪柴等生物质燃料的化学能可以通过生物质炉转换为生活热水热量以及采暖热能。太阳能是清洁的可再生能源，太阳能可以通过集热器供给生活热水，也可以通过太阳能转换为电能。太阳能集热器的集热量可以用于直供热，多余的热量可以存储在热水箱中。在太阳能不足时，集热水箱、燃气壁挂炉、电热水器以及生物质炉均可实现辅助供热。
作为可选的实施方式，能量平衡条件包括热量供需平衡、冷量供需平衡和电量供需平衡；其中，第一优化目标为经济性指标，第二优化目标为碳排放指标；第一优化目标的优先度高于第二优化目标。
在本实施例中，仅仅在满足供能可靠性约束框架下的建筑能源系统设计方案是多种多样的。因此只有明确设计目标，才能得到最优的、唯一的设计方案。目前建筑能源系统设计的评价指标较多，目标选择不同将驱使优化方案向不同方向改变。从以人为本的角度出发，将经济性指标作为最高优先度的优化目标。
作为可选的实施方式，采用混合整数线性模型和ε-constraint方法构建多目标优化模型。
作为可选的实施方式，根据采暖度日数指标和空调度日数指标将建筑所在区域划分为严寒区和寒冷区；针对严寒区和寒冷区，设立至少两档资源约束条件指标、能量转换条件指标和能量平衡条件指标。
作为可选的实施方式，若待优化建筑为住宅，则住宅建筑指标包括：住宅建筑长宽比范围为0.85:1～0.95:1；窗墙比范围为0.35:1～0.45:1；外墙保温层厚度为30mm～35mm；屋顶保温层厚度为50mm～60mm。
如图2到图4所示，上述指标体现出了住宅建筑宜居指数对比。
作为可选的实施方式，住宅建筑外墙采用混凝土空心砌块EPS板保温墙体，外墙保温层厚度为30mm；住宅建筑屋顶采用钢筋混凝土坡屋面，屋顶保温层厚度为55mm；外窗采用塑钢单框中空氩气玻璃窗。
在本实施例中，如图2到图4所示，在同时考虑房屋建造成本的性价比最佳和房屋具有优秀节能效果下，选用如下方案：房屋长为10.39m宽为11.55m，即长宽比为0.9；窗墙比为0.4；外墙类型为混凝土空心砌块EPS板保温墙体，保温层厚度为30mm；屋顶类型为钢筋混凝土坡屋面，保温层厚度为55mm；外窗塑钢单框Low-E中空氩气玻璃窗时达到在建筑成本相对最小的情况下实现建筑总能耗的最小化。以目前住宅建筑的能耗为对比，优化前的建筑能耗为1238.55千克标准煤/年，优化后的建筑能耗为951.07千克标准煤/年，住宅能耗降低以及碳排放量减少约为23.2％。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，其特征在于，包括：
获取待优化建筑总能耗；所述待优化建筑总能耗包括建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、建筑施工能耗、建筑运行能耗和建筑拆除处置能耗；
基于资源约束条件、能量转换条件和能量平衡条件，采用多目标优化模型对所述待优化建筑总能耗进行求解，获取优化建筑总能耗。
2.根据权利要求1所述的基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，其特征在于，所述建筑运行能耗包括维持建筑环境的终端设备用能和建筑内活动的终端设备用能；其中，所述维持建筑环境的终端设备用能包括供暖设备用能、制冷设备用能、通风设备用能、空调用能和照明用能中的至少一者；所述建筑内活动的终端设备用能包括办公用能、炊事用能和卫浴用能中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，其特征在于，所述建筑材料生产能耗、所述建筑材料运输能耗、所述建筑施工能耗和所述建筑拆除处置能耗通过发电煤耗法进行测算；
所述建筑运行能耗通过电热当量法进行测算。
4.根据权利要求1所述的基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，其特征在于，所述资源约束条件包括：
使所述建筑材料生产能耗、所述建筑材料运输能耗、所述建筑施工能耗和所述建筑拆除处置能耗之和不超过第一预设值；
其中，所述建筑材料生产能耗的占比范围为10％～20％；所述建筑材料运输能耗范围为10％～20％；所述建筑施工能耗范围为40％～50％；所述建筑拆除处置能耗范围为10％～40％。
5.根据权利要求2所述的基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，其特征在于，所述能量转换条件包括：
通过能耗功率、能耗用量、制冷效率和制热效率计算出所述维持建筑环境的终端设备用能；
使能量转换效率达到最优解；
其中，所述能耗功率包括电功率和光伏电功率；所述能耗用量包括天然气用量、生物质燃料用量和太阳能集热消耗量。
6.根据权利要求1所述的基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，其特征在于，所述能量平衡条件包括热量供需平衡、冷量供需平衡和电量供需平衡；其中，第一优化目标为经济性指标，第二优化目标为碳排放指标；所述第一优化目标的优先度高于所述第二优化目标。
7.根据权利要求1所述的基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，其特征在于，采用混合整数线性模型和ε-constraint方法构建所述多目标优化模型。
8.根据权利要求1所述的基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，其特征在于，根据采暖度日数指标和空调度日数指标将建筑所在区域划分为严寒区和寒冷区；针对所述严寒区和所述寒冷区，设立至少两档资源约束条件指标、能量转换条件指标和能量平衡条件指标。
9.根据权利要求1所述的基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，其特征在于，若待优化建筑为住宅，则住宅建筑指标包括：
住宅建筑长宽比范围为0.85:1～0.95:1；窗墙比范围为0.35:1～0.45:1；外墙保温层厚度为30mm～35mm；屋顶保温层厚度为50mm～60mm。
10.根据权利要求9所述的基于绿色建筑标准的建筑能耗优化方法，其特征在于，所述住宅建筑外墙采用混凝土空心砌块EPS板保温墙体，所述外墙保温层厚度为30mm；所述住宅建筑屋顶采用钢筋混凝土坡屋面，所述屋顶保温层厚度为55mm；外窗采用塑钢单框中空氩气玻璃窗。
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