基于Octopus+Honeybee的天津乡村住宅被动式节能设计多目标优化技术框架

高 源, 池婧祎, 罗书龙, 胡 可， 袁景玉, 岳晓鹏

(1.河北工业大学 建筑与艺术设计学院， 天津 300130；2. 河北工业大学 河北省健康人居环境重点实验室， 天津 300130)

我国乡村住宅建筑面积约229亿m2，生活用能总量3.11亿tce，占全国建筑总能耗的28.53%[1]。但长久以来，北方乡村住宅以粗放式自筹自建为主，盲目追求高大气派和对建筑节能的忽视，导致供暖能耗热损失大、采暖季室温偏低，能源浪费严重[2-3]。为实现舒适节能型乡村住宅建设目标，2017年，住建部将“积极推进乡村住宅节能”正式列入《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》。

目前，乡村住宅节能研究主要围绕评价标准[4-5]、改造策略[6-8]、技术措施[9-11]、可再生能源利用[12]等方面展开，而建筑方案阶段最为关键的被动式节能设计研究仅占文献总量的3.9%，且多见于对单一或组合设计参数节能效果的单视角分析[13-14]。上述研究虽具有一定的指导意义，但均未从乡村住宅节能与室内热舒适提升的双重视角，对被动式节能设计进行综合评价。

综合评价被动式节能设计参数对乡村住宅能耗与室内热舒适的双重影响，本质上是多目标优化问题。近年来，相关研究逐步推进，如Fabrizio等[15]以一次能源消耗和热不舒适小时数为目标，对地中海居住建筑围护结构的墙体热惰性、保温材料厚度、外窗透射率等热性能参数进行优化。吴迪等[16]以冬季采暖负荷和夏季热不舒适小时数为目标，对寒冷地区高层住宅围护结构的保温层厚度、外窗类型、气密性等级等技术方案进行优选。余镇雨等[17]以经济成本和能耗为目标，对近零能耗高层居住建筑的围护结构传热系数和空调全热回收效率进行了参数优化。然而，上述研究均围绕建筑围护结构、设备系统等参数开展讨论，对建筑方案阶段尤为重要的规划和单体参数鲜有研究。Shi等[18]从建筑师视角指出：建筑节能设计既包括围护结构热工性能等非几何参数，也包括建筑形体几何参数，既往研究多以暖通或能源工程师为主导，其专业特性及工作内容的差异使得建筑形体几何参数的优化研究难以开展，因而导致了其研究成果多适用于既有建筑节能改造而非新建建筑方案阶段的被动式节能设计。随后，Camporeale等[19]从节能视角对城镇居住建筑形体参数进行了多目标优化研究，但相关研究结论具有明显的局限性，其研究对象、优化目标及优化结果均无法应用于节能与热舒适目标下的天津乡村住宅被动式节能设计。因此，本文采用Rhino+Grasshopper可视化编程平台搭载的SPEA2优化算法，以设计阶段建筑形体参数为优化变量，构建节能和热舒适目标下的天津乡村住宅被动式节能设计多目标优化技术框架。

1 研究方法

1.1 多目标优化算法及帕累托解集

多目标优化算法常用于解决影响因素相互矛盾的复杂决策问题，通过最小化或最大化特定目标来寻求约束条件的最佳解决方案。对于多目标优化问题，一个解对于某个目标来说可能是较好的，但对于其他目标来说可能是较差的。因此，存在一个折衷的集合，称为帕累托解集[20-21]。

1.2 天津乡村住宅被动式节能设计多目标优化技术框架

随着智能优化算法及软件技术的不断发展，建筑被动式节能设计多目标优化技术框架的构建方法大致可分为通用编程平台(Matlab、GenOpt、CAMOS等)[22]、通用编程-建筑性能模拟联动平台(Matlab-EnergyPlus、GenOpt-DOE-2等)[23]、建筑可视化编程平台(Rhino+Grasshopper、Revit+Dynamo)[24]三类。前两种方法门槛高、交互性差，难以在建筑师主导的方案阶段推广。因此，本文采用建筑界主流的Rhino+Grasshopper可视化编程平台，以Honeybee为建筑性能模拟引擎，Octopus为优化算法运行载体，结合实际调研数据，构建天津乡村住宅被动式节能设计多目标优化技术框架，如图1所示，包括：①基准建筑模型生成；②被动式节能设计参数筛选；③优化目标函数设定；④最终方案决策。

图1 天津乡村住宅被动式节能设计多目标优化技术框架Fig.1 Multi-objective optimization framework of passive energy-saving design for Tianjin rural houses

Honeybee运算器可直接调用EnergyPlus计算内核完成建筑全年8 760小时的冷热负荷、动态能耗等模拟分析。Octopus运算器内置的SPEA2相较于其他多目标优化算法，在基于近邻规则环境选择中得出的解的分布均匀性方面具有较大优势，可以较好地避免陷入局部最优[25]，其个体适应度函数为：

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

(1)

式中：R(i)为个体i在外部种群和进化种群中的个体支配信息；D(i)代表个体i到它紧邻的第k个个体之间的距离拥挤度。

2 实例研究

2.1 基准建筑模型生成

天津市远期规划共保留村庄2 383个，94%集中在武清、静海、宝坻、蓟州、宁河5个远郊涉农区县[26]。采用Robert等[27]提出的代表性样本量计算公式(见式(2))对上述区县分层抽样，设自由度为1、置信度0.75、统计误差不超过15%，计算得到代表性样本量S为15。据此，本次调研村庄样本数及乡村住宅分布如表1所示。

表1 调研村庄样本数及乡村住宅分布

(2)

式中：S为建议样本量；χ2为预设置信度下1个自由度代表的卡方值；N为样本总量；ME为设计误差范围，%；p为种群比例，一般取50%来最大化代表样本量。

2.1.1基准建筑初始形体参数

天津乡村住宅调研数据(见图2)显示:

图2 天津乡村住宅形体参数统计(单位：m)Fig.2 Shape parameter statistics of rural houses in Tianjin (unit: m)

1) 宅基地面积以200～400 m2为主，坐北朝南，平面布局多为L型和U型;

2) 正房为主要采暖空间，常设客厅、卧室、厨房等功能,面宽同宅基地，多为12.5～15.5 m,进深4.5～5.5 m,檐口高3.0～3.5 m、室内吊顶高2.8～3.1 m;

3) 厢房基本无采暖，常设厨房、厕所及储藏功能,面宽多为8.0～12.0 m,进深3.5～4.7 m,檐口高2.6～3.3 m,室内吊顶高2.4～3.0 m,与正房间距2.2～4.7 m。

由于天津2000年之后的新建乡村住宅均为原址翻建，无新增宅基地发放，因此，本文以调研数据中位数作为基准建筑的初始形体参数，其平面布局及尺度如图3所示。

图3 基准建筑初始形体参数(单位：mm)Fig.3 Shape parameters of reference building (unit: mm)

2.1.2基准建筑构造做法

调研发现，天津新建乡村住宅的主体结构仍以砖木为主。结合GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》及实测数据，基准建筑围护结构构造做法及传热系数设定如表2所示。

表2 基准建筑围护结构构造做法及传热系数

2.1.3基准建筑运行信息

截至目前，天津乡村住宅已基本完成清洁取暖改造，供暖设备以空气源热泵和燃气壁挂炉为主。随着“3060双碳”目标的推进，用能电气化已成为乡村住宅供暖新趋势。因此，本文基准建筑供暖设备选择空气源热泵(海尔RFC140RXSAVA，能效比3.2)，末端形式为散热片，采暖期为11月15日至次年3月15日。此外，在城镇化和老龄化背景下，被调研农户常驻人口多为2～4人，60岁以上的老年人占半数以上，全天居家。课题组2021年1月8日～12日对乡村住宅室内环境的连续监测显示，24小时平均室温仅为6.57 ℃，湿度30%～45%，室内风速95%低于0.15 m/s；居民着装以毛衣、棉衣为主，服装热阻1.15～2.09clo。对居民发放平均热感觉投票问卷，86.1%的居民希望采暖季室温提升至15.9℃～17.6 ℃。照明逐时使用率、换气次数按GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》及JGJ26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》选取，即：5∶00至8∶00设50%、17∶00至18∶00设50%、19∶00至22∶00设80%；换气次数0.5 h-1。基准建筑运行信息如表3所示。

表3 基准建筑运行信息Tab.3 Operation information on reference building

2.2 被动式节能设计参数筛选

对基准建筑的被动式节能设计参数进行分类研究，从规划和单体层面筛选优化变量。

各优化变量的取值范围以2000年之后翻建农宅实测数据为基础，兼顾乡村经济技术限制、建设习惯、采光节能等功能需求及乡村住宅设计规范要求。

各变量名称、含义、类别、取值范围及步长如图4及表4所示。

图4 天津乡村住宅被动式节能设计参数优化变量Fig.4 Optimization variable of rural houses passive energy-saving design in Tianjin

表4 优化变量设定Tab.4 Specifications of the decision variables

2.3 优化目标函数设定

本文以乡村住宅冬季采暖能耗和全年热不舒适小时数作为优化目标，多目标优化问题的数学表达式为：

min{f1(x1,x2, …,xn),f2(x1,x2, …,xn)}

(3)

式中：f1(x1,x2, …,xn)为单位建筑面积采暖能耗，(kW·h)/m2；f2(x1,x2, …,xn)为全年热不舒适小时数，h；x1,x2, …,xn为优化变量参数。

2.3.1单位建筑面积采暖能耗

调研数据显示，天津乡村居民夏季及过渡季室内环境以自然通风为主，白天人员在室率较低，空调使用频率极低；冬季为农闲时节，人员在室率及热舒适需求较高。

因此，基准建筑年能耗以冬季采暖为主，故以单位建筑面积采暖能耗作为优化目标之一。

通过Honeybee调用EnergyPlus对乡村住宅冬季采暖能耗进行模拟，气象参数采用EnergyPlus官网下载的天津市典型气象年数据，其余工况参数如2.1.3节所述。根据模拟结果，单位建筑面积采暖能耗计算公式为：

(4)

式中：Qci为各房间的采暖能耗，kW·h；Ai为各房间面积，m2。

2.3.2全年热不舒适小时数

由于城乡经济条件和生活习惯的差异，GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》中指出，我国寒冷地区80%以上的农户认为冬季室温13 ℃～16 ℃、夏季不高于30 ℃即为舒适。

因此，本文以采暖季室温14 ℃(GB/T 50824冬季室温设计值)、夏季室温30 ℃为基准建筑室内热舒适临界值。根据模拟结果，全年热不舒适小时数计算公式为：

(5)

式中：MSi和MWi分别表示第i个房间夏季和冬季的热不舒适小时数，h；n为房间数量。

2.4 最终方案决策

在多目标优化算法中，所有最优解均无差别地统计在帕累托解集中， 某个最优解并不比其他最优解更好。

因此，如何在这些可行的最优方案中确定最终解决方案，需要决策过程。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)综合评价法是一种有效的决策方法，即对有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序，又称优劣距离法。计算公式为：

(6)

3 优化结果及分析

对基准建筑初始形体参数进行冬季采暖能耗和全年热不舒适小时数性能模拟，计算结果如表5所示。

表5 基准建筑初始形体参数及热环境性能Tab.5 Shape parameters and thermal performance of reference building

在基准建筑初始性能基础上，基于SPEA2算法，以最小化冬季采暖能耗和全年热不舒适小时数为目标，优化表3中的形体参数变量。在优化计算中设置种群数量40个，迭代50次，突变率为0.5，交叉率为0.8。最终得到L及U型乡村住宅的帕累托前沿，如图5～6所示。其中，L型乡村住宅的帕累托解集中共有25个解，U型乡村住宅的帕累托解集中共有28个解。

从图5～6中可以看出：①所有落在帕累托前沿的最优解其冬季采暖能耗均优于基准建筑；②由于东侧厢房的遮挡，U型乡村住宅比L型住宅的单位面积采暖能耗更高；③冬季采暖能耗与全年热不舒适小时数变化趋势相反，即两个优化目标相互约束，无法同时达到最优。

图5 L型乡村住宅帕累托解集 Fig.5 Pareto set of L-shaped rural house

应用TOPSIS综合评价法给两个目标函数(冬季采暖能耗、全年热不舒适小时数)赋权，得到不同权重下的最优方案，如图7～8所示。两个目标函数的权重和为1，图中实线和虚线分别代表了不同权重方案下，帕累托解集中最优方案所对应的建筑采暖能耗及全年热不舒适小时数值。需要注意的是，TOPSIS综合评价法仅作用于帕累托前沿的最优解上，当权重为0或1时，目标函数最优解并不等同于单目标优化结果。

图6 U型乡村住宅帕累托解集Fig.6 Pareto set of U-shaped rural house

图7 L型乡村住宅不同权重下的最优方案 Fig.7 Optimal scheme of L-shaped rural house

图8 U型乡村住宅不同权重下的最优方案Fig.8 Optimal scheme of U-shaped rural house

3.1 L型乡村住宅多目标优化结果及方案评估

表6显示了L型乡村住宅不同权重下最优方案的详细信息。按照采暖能耗权重的变化区间，L型乡村住宅最优解可分为热舒适优先、多目标均衡和采暖能耗优先三类：①室内热舒适性最佳的方案其全年热不舒适小时数为2 480.2 h，相较于基准建筑改善8.0%，此时冬季采暖能耗为10.47 (kW·h)/m2，节能率4.7%；②最节能方案的冬季采暖能耗为8.48 (kW·h)/m2，相较于基准建筑节能22.8%，此时全年热不舒适小时数为2 660.2 h，改善率1.3%；③在权重为0.5的均衡选择下，该最优解的冬季采暖能耗为9.16 (kW·h)/m2，节能率16.5%，热不舒适小时数为2 551.6 h，改善率5.3%。

表6 不同权重下L型乡村住宅最优方案Tab.6 Optimal plan of L-shaped rural house under different weights

3.2 U型乡村住宅多目标优化结果及方案评估

表7显示了U型乡村住宅不同权重下最优方案的详细信息。与3.1节类似，U型乡村住宅三类最优解方案如下：①室内热舒适性最佳的方案其全年热不舒适小时数为2 484.4 h，相较于基准建筑改善8.8%，此时冬季采暖能耗为10.49 (kW·h)/m2，节能率6.1%；②最节能方案的冬季采暖能耗为9.35 (kW·h)/m2，相较于基准建筑节能16.3%，此时全年热不舒适小时数为2 543.4 h，改善率6.7%；③在权重为0.5的均衡选择下，该最优解的冬季采暖能耗为9.47 (kW·h)/m2，节能率15.3%，热不舒适小时数为2 530.4h，改善率7.1%。

表7 不同权重下U型乡村住宅最优方案Tab.7 Optimal plan of U-shaped rural house under different weights

3.3 优化结果整体分析

整体分析两类乡村住宅的优化结果(见表6～7)。

规划层面：①由于东侧厢房的加入会遮挡正房，且增加建筑体形系数，故U型乡村住宅的采暖碳排放表现整体劣于L型住宅；热舒适优先及多目标均衡情况下，两类农宅的热舒适表现差异较小，采暖能耗优先时U型乡村住宅的室内热舒适性更佳；②基于节能与热舒适考虑，天津地区乡村住宅最佳朝向并非正南向，L型乡村住宅最佳朝向为-2.9°～15°，U型乡村住宅最佳朝向为-1.9°～12.8°。

单体层面：①正房的最佳进深均为取值下限4 m，与GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》中的建议值基本吻合；窗墙比落在取值范围之上限0.45，故在乡村住宅设计中适当增加正房开窗面积并不会导致能耗的提高；正房檐口高度，L型农宅较低，为3.5～4.8 m，U型农宅较高，为4.3～4.9 m；门廊最佳进深均为0.8～1.0 m；②L型乡村住宅厢房与正房的最佳间距为5.0～5.6 m，U型农宅因遮挡更为严重，最佳间距为5.8～6.0 m；厢房最佳进深分别为3.5～4.5 m(L型)、3.6～3.7 m(U型)；最佳窗墙比均为取值范围及节能标准之下限0.25；厢房檐口高度整体低于正房檐口，L型为2.7～2.8 m，U型为2.5～2.6 m。入户调研显示，天津地区乡村住宅厢房主要为厨房、卫生间、储藏间等辅助功能，因此在不影响基本功能的前提下，应尽量降低厢房高度、减小厢房窗墙比。

4 结 论

基于采暖能耗与室内热舒适双目标优化的新建农宅，与基准建筑相比，L型乡村住宅采暖节能率为4.7%～22.8%，室内热舒适改善率为1.3%～8.0%；U型乡村住宅的采暖节能率为6.1%～16.3%，室内热舒适改善率为6.7%～8.8%。

1) 热舒适最优情况下，L型乡村住宅最佳朝向为南偏东15°，正房进深4.0 m、檐口高4.8 m、窗墙比0.45、门廊进深1.0 m，厢房进深3.5 m、檐口高2.7 m、窗墙比0.25、距正房5.0 m；U型乡村住宅最佳朝向为南偏东12.8°，正房进深4.0 m、檐口高4.9 m、窗墙比0.45、门廊进深1.0 m，厢房进深3.6 m、檐口高2.6 m、窗墙比0.25、距正房5.8 m。

2) 多目标均衡情况下，L型乡村住宅最佳朝向为南偏东13°，正房进深4.0 m、檐口高3.5 m、窗墙比0.45、门廊进深0.8 m，厢房进深3.6 m、檐口高2.7 m、窗墙比0.25、距正房5.5 m；U型乡村住宅最佳朝向为南偏东10.9°，正房进深4.0 m、檐口高4.3 m、窗墙比0.45、门廊进深0.9 m，厢房进深3.6 m、檐口高2.5 m、窗墙比0.25、距正房5.8 m。

3) 采暖能耗最优情况下，L型乡村住宅最佳朝向为南偏西2.9°，正房进深4.0 m、檐口高3.5 m、窗墙比0.45、门廊进深1.0 m，厢房进深4.5 m、檐口高2.8 m、窗墙比0.25、距正房5.6 m；U型乡村住宅最佳朝向为南偏西1.9°，正房进深4.0 m、檐口高4.3 m、窗墙比0.45、门廊进深0.8 m，厢房进深3.6 m、檐口高2.6 m、窗墙比0.25、距正房6.0 m。