高 源, 池婧祎, 羅書龍, 胡 可， 袁景玉, 岳曉鵬

(1.河北工業(yè)大學 建筑與藝術(shù)設(shè)計學院， 天津 300130；2. 河北工業(yè)大學 河北省健康人居環(huán)境重點實驗室， 天津 300130)

我國鄉(xiāng)村住宅建筑面積約229億m2，生活用能總量3.11億tce，占全國建筑總能耗的28.53%[1]。但長久以來，北方鄉(xiāng)村住宅以粗放式自籌自建為主，盲目追求高大氣派和對建筑節(jié)能的忽視，導致供暖能耗熱損失大、采暖季室溫偏低，能源浪費嚴重[2-3]。為實現(xiàn)舒適節(jié)能型鄉(xiāng)村住宅建設(shè)目標，2017年，住建部將“積極推進鄉(xiāng)村住宅節(jié)能”正式列入《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》。

目前，鄉(xiāng)村住宅節(jié)能研究主要圍繞評價標準[4-5]、改造策略[6-8]、技術(shù)措施[9-11]、可再生能源利用[12]等方面展開，而建筑方案階段最為關(guān)鍵的被動式節(jié)能設(shè)計研究僅占文獻總量的3.9%，且多見于對單一或組合設(shè)計參數(shù)節(jié)能效果的單視角分析[13-14]。上述研究雖具有一定的指導意義，但均未從鄉(xiāng)村住宅節(jié)能與室內(nèi)熱舒適提升的雙重視角，對被動式節(jié)能設(shè)計進行綜合評價。

綜合評價被動式節(jié)能設(shè)計參數(shù)對鄉(xiāng)村住宅能耗與室內(nèi)熱舒適的雙重影響，本質(zhì)上是多目標優(yōu)化問題。近年來，相關(guān)研究逐步推進，如Fabrizio等[15]以一次能源消耗和熱不舒適小時數(shù)為目標，對地中海居住建筑圍護結(jié)構(gòu)的墻體熱惰性、保溫材料厚度、外窗透射率等熱性能參數(shù)進行優(yōu)化。吳迪等[16]以冬季采暖負荷和夏季熱不舒適小時數(shù)為目標，對寒冷地區(qū)高層住宅圍護結(jié)構(gòu)的保溫層厚度、外窗類型、氣密性等級等技術(shù)方案進行優(yōu)選。余鎮(zhèn)雨等[17]以經(jīng)濟成本和能耗為目標，對近零能耗高層居住建筑的圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和空調(diào)全熱回收效率進行了參數(shù)優(yōu)化。然而，上述研究均圍繞建筑圍護結(jié)構(gòu)、設(shè)備系統(tǒng)等參數(shù)開展討論，對建筑方案階段尤為重要的規(guī)劃和單體參數(shù)鮮有研究。Shi等[18]從建筑師視角指出：建筑節(jié)能設(shè)計既包括圍護結(jié)構(gòu)熱工性能等非幾何參數(shù)，也包括建筑形體幾何參數(shù)，既往研究多以暖通或能源工程師為主導，其專業(yè)特性及工作內(nèi)容的差異使得建筑形體幾何參數(shù)的優(yōu)化研究難以開展，因而導致了其研究成果多適用于既有建筑節(jié)能改造而非新建建筑方案階段的被動式節(jié)能設(shè)計。隨后，Camporeale等[19]從節(jié)能視角對城鎮(zhèn)居住建筑形體參數(shù)進行了多目標優(yōu)化研究，但相關(guān)研究結(jié)論具有明顯的局限性，其研究對象、優(yōu)化目標及優(yōu)化結(jié)果均無法應(yīng)用于節(jié)能與熱舒適目標下的天津鄉(xiāng)村住宅被動式節(jié)能設(shè)計。因此，本文采用Rhino+Grasshopper可視化編程平臺搭載的SPEA2優(yōu)化算法，以設(shè)計階段建筑形體參數(shù)為優(yōu)化變量，構(gòu)建節(jié)能和熱舒適目標下的天津鄉(xiāng)村住宅被動式節(jié)能設(shè)計多目標優(yōu)化技術(shù)框架。

1 研究方法

1.1 多目標優(yōu)化算法及帕累托解集

多目標優(yōu)化算法常用于解決影響因素相互矛盾的復(fù)雜決策問題，通過最小化或最大化特定目標來尋求約束條件的最佳解決方案。對于多目標優(yōu)化問題，一個解對于某個目標來說可能是較好的，但對于其他目標來說可能是較差的。因此，存在一個折衷的集合，稱為帕累托解集[20-21]。

1.2 天津鄉(xiāng)村住宅被動式節(jié)能設(shè)計多目標優(yōu)化技術(shù)框架

隨著智能優(yōu)化算法及軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑被動式節(jié)能設(shè)計多目標優(yōu)化技術(shù)框架的構(gòu)建方法大致可分為通用編程平臺(Matlab、GenOpt、CAMOS等)[22]、通用編程-建筑性能模擬聯(lián)動平臺(Matlab-EnergyPlus、GenOpt-DOE-2等)[23]、建筑可視化編程平臺(Rhino+Grasshopper、Revit+Dynamo)[24]三類。前兩種方法門檻高、交互性差，難以在建筑師主導的方案階段推廣。因此，本文采用建筑界主流的Rhino+Grasshopper可視化編程平臺，以Honeybee為建筑性能模擬引擎，Octopus為優(yōu)化算法運行載體，結(jié)合實際調(diào)研數(shù)據(jù)，構(gòu)建天津鄉(xiāng)村住宅被動式節(jié)能設(shè)計多目標優(yōu)化技術(shù)框架，如圖1所示，包括：①基準建筑模型生成；②被動式節(jié)能設(shè)計參數(shù)篩選；③優(yōu)化目標函數(shù)設(shè)定；④最終方案決策。

圖1 天津鄉(xiāng)村住宅被動式節(jié)能設(shè)計多目標優(yōu)化技術(shù)框架Fig.1 Multi-objective optimization framework of passive energy-saving design for Tianjin rural houses

Honeybee運算器可直接調(diào)用EnergyPlus計算內(nèi)核完成建筑全年8 760小時的冷熱負荷、動態(tài)能耗等模擬分析。Octopus運算器內(nèi)置的SPEA2相較于其他多目標優(yōu)化算法，在基于近鄰規(guī)則環(huán)境選擇中得出的解的分布均勻性方面具有較大優(yōu)勢，可以較好地避免陷入局部最優(yōu)[25]，其個體適應(yīng)度函數(shù)為：

F(i)=R(i)+D(i)

(1)

式中：R(i)為個體i在外部種群和進化種群中的個體支配信息；D(i)代表個體i到它緊鄰的第k個個體之間的距離擁擠度。

2 實例研究

2.1 基準建筑模型生成

天津市遠期規(guī)劃共保留村莊2 383個，94%集中在武清、靜海、寶坻、薊州、寧河5個遠郊涉農(nóng)區(qū)縣[26]。采用Robert等[27]提出的代表性樣本量計算公式(見式(2))對上述區(qū)縣分層抽樣，設(shè)自由度為1、置信度0.75、統(tǒng)計誤差不超過15%，計算得到代表性樣本量S為15。據(jù)此，本次調(diào)研村莊樣本數(shù)及鄉(xiāng)村住宅分布如表1所示。

表1 調(diào)研村莊樣本數(shù)及鄉(xiāng)村住宅分布

(2)

式中：S為建議樣本量；χ2為預(yù)設(shè)置信度下1個自由度代表的卡方值；N為樣本總量；ME為設(shè)計誤差范圍，%；p為種群比例，一般取50%來最大化代表樣本量。

2.1.1基準建筑初始形體參數(shù)

天津鄉(xiāng)村住宅調(diào)研數(shù)據(jù)(見圖2)顯示:

圖2 天津鄉(xiāng)村住宅形體參數(shù)統(tǒng)計(單位：m)Fig.2 Shape parameter statistics of rural houses in Tianjin (unit: m)

1) 宅基地面積以200～400 m2為主，坐北朝南，平面布局多為L型和U型;

2) 正房為主要采暖空間，常設(shè)客廳、臥室、廚房等功能,面寬同宅基地，多為12.5～15.5 m,進深4.5～5.5 m,檐口高3.0～3.5 m、室內(nèi)吊頂高2.8～3.1 m;

3) 廂房基本無采暖，常設(shè)廚房、廁所及儲藏功能,面寬多為8.0～12.0 m,進深3.5～4.7 m,檐口高2.6～3.3 m,室內(nèi)吊頂高2.4～3.0 m,與正房間距2.2～4.7 m。

由于天津2000年之后的新建鄉(xiāng)村住宅均為原址翻建，無新增宅基地發(fā)放，因此，本文以調(diào)研數(shù)據(jù)中位數(shù)作為基準建筑的初始形體參數(shù)，其平面布局及尺度如圖3所示。

圖3 基準建筑初始形體參數(shù)(單位：mm)Fig.3 Shape parameters of reference building (unit: mm)

2.1.2基準建筑構(gòu)造做法

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，天津新建鄉(xiāng)村住宅的主體結(jié)構(gòu)仍以磚木為主。結(jié)合GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》及實測數(shù)據(jù)，基準建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法及傳熱系數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 基準建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法及傳熱系數(shù)

2.1.3基準建筑運行信息

截至目前，天津鄉(xiāng)村住宅已基本完成清潔取暖改造，供暖設(shè)備以空氣源熱泵和燃氣壁掛爐為主。隨著“3060雙碳”目標的推進，用能電氣化已成為鄉(xiāng)村住宅供暖新趨勢。因此，本文基準建筑供暖設(shè)備選擇空氣源熱泵(海爾RFC140RXSAVA，能效比3.2)，末端形式為散熱片，采暖期為11月15日至次年3月15日。此外，在城鎮(zhèn)化和老齡化背景下，被調(diào)研農(nóng)戶常駐人口多為2～4人，60歲以上的老年人占半數(shù)以上，全天居家。課題組2021年1月8日～12日對鄉(xiāng)村住宅室內(nèi)環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測顯示，24小時平均室溫僅為6.57 ℃，濕度30%～45%，室內(nèi)風速95%低于0.15 m/s；居民著裝以毛衣、棉衣為主，服裝熱阻1.15～2.09clo。對居民發(fā)放平均熱感覺投票問卷，86.1%的居民希望采暖季室溫提升至15.9℃～17.6 ℃。照明逐時使用率、換氣次數(shù)按GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》及JGJ26—2018《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》選取，即：5∶00至8∶00設(shè)50%、17∶00至18∶00設(shè)50%、19∶00至22∶00設(shè)80%；換氣次數(shù)0.5 h-1?；鶞式ㄖ\行信息如表3所示。

表3 基準建筑運行信息Tab.3 Operation information on reference building

2.2 被動式節(jié)能設(shè)計參數(shù)篩選

對基準建筑的被動式節(jié)能設(shè)計參數(shù)進行分類研究，從規(guī)劃和單體層面篩選優(yōu)化變量。

各優(yōu)化變量的取值范圍以2000年之后翻建農(nóng)宅實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，兼顧?quán)l(xiāng)村經(jīng)濟技術(shù)限制、建設(shè)習慣、采光節(jié)能等功能需求及鄉(xiāng)村住宅設(shè)計規(guī)范要求。

各變量名稱、含義、類別、取值范圍及步長如圖4及表4所示。

圖4 天津鄉(xiāng)村住宅被動式節(jié)能設(shè)計參數(shù)優(yōu)化變量Fig.4 Optimization variable of rural houses passive energy-saving design in Tianjin

表4 優(yōu)化變量設(shè)定Tab.4 Specifications of the decision variables

2.3 優(yōu)化目標函數(shù)設(shè)定

本文以鄉(xiāng)村住宅冬季采暖能耗和全年熱不舒適小時數(shù)作為優(yōu)化目標，多目標優(yōu)化問題的數(shù)學表達式為：

min{f1(x1,x2, …,xn),f2(x1,x2, …,xn)}

(3)

式中：f1(x1,x2, …,xn)為單位建筑面積采暖能耗，(kW·h)/m2；f2(x1,x2, …,xn)為全年熱不舒適小時數(shù)，h；x1,x2, …,xn為優(yōu)化變量參數(shù)。

2.3.1單位建筑面積采暖能耗

調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，天津鄉(xiāng)村居民夏季及過渡季室內(nèi)環(huán)境以自然通風為主，白天人員在室率較低，空調(diào)使用頻率極低；冬季為農(nóng)閑時節(jié)，人員在室率及熱舒適需求較高。

因此，基準建筑年能耗以冬季采暖為主，故以單位建筑面積采暖能耗作為優(yōu)化目標之一。

通過Honeybee調(diào)用EnergyPlus對鄉(xiāng)村住宅冬季采暖能耗進行模擬，氣象參數(shù)采用EnergyPlus官網(wǎng)下載的天津市典型氣象年數(shù)據(jù)，其余工況參數(shù)如2.1.3節(jié)所述。根據(jù)模擬結(jié)果，單位建筑面積采暖能耗計算公式為：

(4)

式中：Qci為各房間的采暖能耗，kW·h；Ai為各房間面積，m2。

2.3.2全年熱不舒適小時數(shù)

由于城鄉(xiāng)經(jīng)濟條件和生活習慣的差異，GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》中指出，我國寒冷地區(qū)80%以上的農(nóng)戶認為冬季室溫13 ℃～16 ℃、夏季不高于30 ℃即為舒適。

因此，本文以采暖季室溫14 ℃(GB/T 50824冬季室溫設(shè)計值)、夏季室溫30 ℃為基準建筑室內(nèi)熱舒適臨界值。根據(jù)模擬結(jié)果，全年熱不舒適小時數(shù)計算公式為：

(5)

式中：MSi和MWi分別表示第i個房間夏季和冬季的熱不舒適小時數(shù)，h；n為房間數(shù)量。

2.4 最終方案決策

在多目標優(yōu)化算法中，所有最優(yōu)解均無差別地統(tǒng)計在帕累托解集中， 某個最優(yōu)解并不比其他最優(yōu)解更好。

因此，如何在這些可行的最優(yōu)方案中確定最終解決方案，需要決策過程。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)綜合評價法是一種有效的決策方法，即對有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序，又稱優(yōu)劣距離法。計算公式為：

(6)

3 優(yōu)化結(jié)果及分析

對基準建筑初始形體參數(shù)進行冬季采暖能耗和全年熱不舒適小時數(shù)性能模擬，計算結(jié)果如表5所示。

表5 基準建筑初始形體參數(shù)及熱環(huán)境性能Tab.5 Shape parameters and thermal performance of reference building

在基準建筑初始性能基礎(chǔ)上，基于SPEA2算法，以最小化冬季采暖能耗和全年熱不舒適小時數(shù)為目標，優(yōu)化表3中的形體參數(shù)變量。在優(yōu)化計算中設(shè)置種群數(shù)量40個，迭代50次，突變率為0.5，交叉率為0.8。最終得到L及U型鄉(xiāng)村住宅的帕累托前沿，如圖5～6所示。其中，L型鄉(xiāng)村住宅的帕累托解集中共有25個解，U型鄉(xiāng)村住宅的帕累托解集中共有28個解。

從圖5～6中可以看出：①所有落在帕累托前沿的最優(yōu)解其冬季采暖能耗均優(yōu)于基準建筑；②由于東側(cè)廂房的遮擋，U型鄉(xiāng)村住宅比L型住宅的單位面積采暖能耗更高；③冬季采暖能耗與全年熱不舒適小時數(shù)變化趨勢相反，即兩個優(yōu)化目標相互約束，無法同時達到最優(yōu)。

圖5 L型鄉(xiāng)村住宅帕累托解集 Fig.5 Pareto set of L-shaped rural house

應(yīng)用TOPSIS綜合評價法給兩個目標函數(shù)(冬季采暖能耗、全年熱不舒適小時數(shù))賦權(quán)，得到不同權(quán)重下的最優(yōu)方案，如圖7～8所示。兩個目標函數(shù)的權(quán)重和為1，圖中實線和虛線分別代表了不同權(quán)重方案下，帕累托解集中最優(yōu)方案所對應(yīng)的建筑采暖能耗及全年熱不舒適小時數(shù)值。需要注意的是，TOPSIS綜合評價法僅作用于帕累托前沿的最優(yōu)解上，當權(quán)重為0或1時，目標函數(shù)最優(yōu)解并不等同于單目標優(yōu)化結(jié)果。

圖6 U型鄉(xiāng)村住宅帕累托解集Fig.6 Pareto set of U-shaped rural house

圖7 L型鄉(xiāng)村住宅不同權(quán)重下的最優(yōu)方案 Fig.7 Optimal scheme of L-shaped rural house

圖8 U型鄉(xiāng)村住宅不同權(quán)重下的最優(yōu)方案Fig.8 Optimal scheme of U-shaped rural house

3.1 L型鄉(xiāng)村住宅多目標優(yōu)化結(jié)果及方案評估

表6顯示了L型鄉(xiāng)村住宅不同權(quán)重下最優(yōu)方案的詳細信息。按照采暖能耗權(quán)重的變化區(qū)間，L型鄉(xiāng)村住宅最優(yōu)解可分為熱舒適優(yōu)先、多目標均衡和采暖能耗優(yōu)先三類：①室內(nèi)熱舒適性最佳的方案其全年熱不舒適小時數(shù)為2 480.2 h，相較于基準建筑改善8.0%，此時冬季采暖能耗為10.47 (kW·h)/m2，節(jié)能率4.7%；②最節(jié)能方案的冬季采暖能耗為8.48 (kW·h)/m2，相較于基準建筑節(jié)能22.8%，此時全年熱不舒適小時數(shù)為2 660.2 h，改善率1.3%；③在權(quán)重為0.5的均衡選擇下，該最優(yōu)解的冬季采暖能耗為9.16 (kW·h)/m2，節(jié)能率16.5%，熱不舒適小時數(shù)為2 551.6 h，改善率5.3%。

表6 不同權(quán)重下L型鄉(xiāng)村住宅最優(yōu)方案Tab.6 Optimal plan of L-shaped rural house under different weights

3.2 U型鄉(xiāng)村住宅多目標優(yōu)化結(jié)果及方案評估

表7顯示了U型鄉(xiāng)村住宅不同權(quán)重下最優(yōu)方案的詳細信息。與3.1節(jié)類似，U型鄉(xiāng)村住宅三類最優(yōu)解方案如下：①室內(nèi)熱舒適性最佳的方案其全年熱不舒適小時數(shù)為2 484.4 h，相較于基準建筑改善8.8%，此時冬季采暖能耗為10.49 (kW·h)/m2，節(jié)能率6.1%；②最節(jié)能方案的冬季采暖能耗為9.35 (kW·h)/m2，相較于基準建筑節(jié)能16.3%，此時全年熱不舒適小時數(shù)為2 543.4 h，改善率6.7%；③在權(quán)重為0.5的均衡選擇下，該最優(yōu)解的冬季采暖能耗為9.47 (kW·h)/m2，節(jié)能率15.3%，熱不舒適小時數(shù)為2 530.4h，改善率7.1%。

表7 不同權(quán)重下U型鄉(xiāng)村住宅最優(yōu)方案Tab.7 Optimal plan of U-shaped rural house under different weights

3.3 優(yōu)化結(jié)果整體分析

整體分析兩類鄉(xiāng)村住宅的優(yōu)化結(jié)果(見表6～7)。

規(guī)劃層面：①由于東側(cè)廂房的加入會遮擋正房，且增加建筑體形系數(shù)，故U型鄉(xiāng)村住宅的采暖碳排放表現(xiàn)整體劣于L型住宅；熱舒適優(yōu)先及多目標均衡情況下，兩類農(nóng)宅的熱舒適表現(xiàn)差異較小，采暖能耗優(yōu)先時U型鄉(xiāng)村住宅的室內(nèi)熱舒適性更佳；②基于節(jié)能與熱舒適考慮，天津地區(qū)鄉(xiāng)村住宅最佳朝向并非正南向，L型鄉(xiāng)村住宅最佳朝向為-2.9°～15°，U型鄉(xiāng)村住宅最佳朝向為-1.9°～12.8°。

單體層面：①正房的最佳進深均為取值下限4 m，與GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》中的建議值基本吻合；窗墻比落在取值范圍之上限0.45，故在鄉(xiāng)村住宅設(shè)計中適當增加正房開窗面積并不會導致能耗的提高；正房檐口高度，L型農(nóng)宅較低，為3.5～4.8 m，U型農(nóng)宅較高，為4.3～4.9 m；門廊最佳進深均為0.8～1.0 m；②L型鄉(xiāng)村住宅廂房與正房的最佳間距為5.0～5.6 m，U型農(nóng)宅因遮擋更為嚴重，最佳間距為5.8～6.0 m；廂房最佳進深分別為3.5～4.5 m(L型)、3.6～3.7 m(U型)；最佳窗墻比均為取值范圍及節(jié)能標準之下限0.25；廂房檐口高度整體低于正房檐口，L型為2.7～2.8 m，U型為2.5～2.6 m。入戶調(diào)研顯示，天津地區(qū)鄉(xiāng)村住宅廂房主要為廚房、衛(wèi)生間、儲藏間等輔助功能，因此在不影響基本功能的前提下，應(yīng)盡量降低廂房高度、減小廂房窗墻比。

4 結(jié) 論

基于采暖能耗與室內(nèi)熱舒適雙目標優(yōu)化的新建農(nóng)宅，與基準建筑相比，L型鄉(xiāng)村住宅采暖節(jié)能率為4.7%～22.8%，室內(nèi)熱舒適改善率為1.3%～8.0%；U型鄉(xiāng)村住宅的采暖節(jié)能率為6.1%～16.3%，室內(nèi)熱舒適改善率為6.7%～8.8%。

1) 熱舒適最優(yōu)情況下，L型鄉(xiāng)村住宅最佳朝向為南偏東15°，正房進深4.0 m、檐口高4.8 m、窗墻比0.45、門廊進深1.0 m，廂房進深3.5 m、檐口高2.7 m、窗墻比0.25、距正房5.0 m；U型鄉(xiāng)村住宅最佳朝向為南偏東12.8°，正房進深4.0 m、檐口高4.9 m、窗墻比0.45、門廊進深1.0 m，廂房進深3.6 m、檐口高2.6 m、窗墻比0.25、距正房5.8 m。

2) 多目標均衡情況下，L型鄉(xiāng)村住宅最佳朝向為南偏東13°，正房進深4.0 m、檐口高3.5 m、窗墻比0.45、門廊進深0.8 m，廂房進深3.6 m、檐口高2.7 m、窗墻比0.25、距正房5.5 m；U型鄉(xiāng)村住宅最佳朝向為南偏東10.9°，正房進深4.0 m、檐口高4.3 m、窗墻比0.45、門廊進深0.9 m，廂房進深3.6 m、檐口高2.5 m、窗墻比0.25、距正房5.8 m。

3) 采暖能耗最優(yōu)情況下，L型鄉(xiāng)村住宅最佳朝向為南偏西2.9°，正房進深4.0 m、檐口高3.5 m、窗墻比0.45、門廊進深1.0 m，廂房進深4.5 m、檐口高2.8 m、窗墻比0.25、距正房5.6 m；U型鄉(xiāng)村住宅最佳朝向為南偏西1.9°，正房進深4.0 m、檐口高4.3 m、窗墻比0.45、門廊進深0.8 m，廂房進深3.6 m、檐口高2.6 m、窗墻比0.25、距正房6.0 m。