办公建筑室内环境营造负荷敏感性分析及在节能优化设计中的应用

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高效的负荷优化策略可以在设计初期为建筑节能打下坚实的基础。本文筛选了43个以表达围护结构热工性能为主的参数作为办公建筑负荷模型的输入参数,并以办公建筑室内环境营造负荷(包括:供暖制冷负荷、照明及电器用电负荷)为因变量展开敏感性分析。在支撑课题《既有大型公共建筑低成本调适及运营管理关键技术研究》(2016YFC0700707)的相关研究背景下,总结气候差异、建筑体形差异、围护结构热工性能差异对参数敏感性的影响后,分别提出了敏感性特征地域分区、基于体形指标的敏感度估算以及基于敏感性分析的负荷优化流程。
  文中首先对比了不同类型敏感性分析方法在办公建筑负荷模型中的应用表现,并通过结果及计算成本进行评价。涉及方法包括:局部法、基于蒙特卡洛的线性回归法、Morris法、Sobol’法以及EFAST法。结果显示,Morris法可花费适中的计算成本来有效的表达参数重要性,且相关性信息可以表达参数与负荷的相关形式,对参数最优值的确定更有价值。
  利用均匀采样法对Morris法的计算成本进行优化后,分别对我国严寒、寒冷、夏热冬冷建筑热工设计分区中72个地区的办公建筑室内环境营造负荷基准模型进行敏感性分析,在总结各地区敏感度和相关性上的共性和差异后建立敏感性特征地域分区。某一分区内,基准办公建筑负荷模型中的高敏感性参数及高相关性参数得到初步确定。在对比不同体形建筑敏感性分析结果后提出基于体形指标的敏感度估算法,即可利用已有的Morris敏感性分析结果估算该地区或邻近地区相应参数在其他体形建筑中的敏感度。此外,还探讨了围护结构热工性能差异对高敏感性参数集合的影响,结果显示在《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015限定下这一影响较为微弱。
  通过以上分析,可以对目标建筑中的高敏感性参数及高相关性参数进行筛选。在进一步对不同朝向窗墙面积比及外窗太阳能得热系数的最优值进行判断后,提出基于敏感性分析的负荷优化。分别采用NSGA-Ⅱ(100代/10种群)和基于敏感性分析的优化在唐山、拉萨、安康地区进行案例分析,两种方法所得供暖制冷负荷最优解基本一致,与各地区敏感性分析中的供暖制冷负荷均值相比可分别降低约21%、45%和21.5%。但基于敏感性分析的优化算法在多数情况下可将计算成本控制在100次左右;如果不考虑朝向差异,计算成本可进一步降低。此外,基于敏感性分析的优化在江苏省水文地质工程地质勘察院中的应用同样表现出在计算成本及优化效果上的优势。
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