基于軟件可量化計(jì)算的綠色建筑能耗控制仿真

王 芳，郭秀娟

(1. 吉林建筑科技學(xué)院管理工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130114；2. 吉林建筑大學(xué)電子信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

1 引言

綠色建筑是將綠色理念應(yīng)用在建筑的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和施工中，由第三方在指標(biāo)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上完成建筑綠色度的認(rèn)證和管理[1]。綠色建筑的目標(biāo)為建設(shè)新型的建筑體，實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和效益的結(jié)合，將當(dāng)?shù)靥厣Y源和先進(jìn)的技術(shù)成果應(yīng)用在綠色建筑中[2]。在社會(huì)不斷發(fā)展下人們對(duì)工作環(huán)境和居住環(huán)境提出了更高的舒適要求。為滿足人們的需求，建筑的能耗不斷增加。在社會(huì)能耗中我國(guó)建筑能耗占據(jù)1/3，并呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)，因此需對(duì)綠色建筑能耗控制方法進(jìn)行進(jìn)一步分析和研究。

李林濤等人[3]提出基于逆向建模的綠色建筑能耗控制方法，該方法分析服務(wù)參數(shù)和室外溫度對(duì)建筑能耗產(chǎn)生的影響，并拆分?jǐn)M合建筑總能耗，在擬合參數(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建能耗評(píng)價(jià)模型，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果控制綠色建筑能耗。但是該方法計(jì)算得到的權(quán)重穩(wěn)定性較差，無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)建筑能耗組成。陳虹宇等人[4]提出基于信息化設(shè)計(jì)的綠色建筑能耗控制方法，該方法分析建筑可視度、光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境，根據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型，對(duì)建筑能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)能耗進(jìn)行控制。但是該方法沒(méi)有對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正處理，預(yù)測(cè)的平均年能耗密度存在誤差。李葉紅等人[5]提出基于二次平均法的建筑能耗控制方法。該方法對(duì)建筑能耗的分布特征進(jìn)行分析，通過(guò)二次平均法在能耗分布特征的基礎(chǔ)上對(duì)建筑能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)建筑能耗控制。該方法沒(méi)有對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化處理，獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果誤差較大，存在控制效果差的問(wèn)題。

為解決上述方法中存在的問(wèn)題，提出基于軟件可量化計(jì)算的綠色建筑能耗控制新方法。

2 指標(biāo)體系構(gòu)建

對(duì)綠色建筑能耗的控制之前需要確定能耗影響因素，并分析因素之間存在的關(guān)系?；谲浖闪炕?jì)算的綠色建筑能耗控制方法根據(jù)一定方法和規(guī)律按照影響因素的性質(zhì)、客觀因素和主觀因素區(qū)分影響綠色建筑能耗的因素。

地理位置、天氣和人文等影響因素的主觀性較強(qiáng)，很難對(duì)其實(shí)現(xiàn)量化處理，客觀因素可以進(jìn)行量化分析，包括設(shè)備的使用狀況、建造材料和建筑本身的屬性等[6]?；谲浖闪炕?jì)算的綠色建筑能耗控制方法為避免主觀因素在能耗評(píng)價(jià)中的隨機(jī)性，主要對(duì)客觀因素進(jìn)行分析?？陀^因素按照指標(biāo)體系建立原則分為建筑設(shè)備及動(dòng)力系統(tǒng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑規(guī)劃三類(lèi)。

確定綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)后，采用AHP法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化處理：

對(duì)綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行劃分，將其分為三個(gè)層次，分別是指標(biāo)層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層[7]。

在專(zhuān)家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上分析評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)綠色建筑能耗的影響程度bij，根據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重，即在各個(gè)元素下分配綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

利用影響程度bij構(gòu)建判斷矩陣Bk，其表達(dá)式如下

(1)

設(shè)W、λmax分別代表判斷矩陣的特征向量和最大特征根。在滿足一致性要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)矩陣?yán)碚摽芍?，判斷矩陣中存在非零的唯一最大特征根λmax=n，除此之外其余特征根在判斷矩陣中的值均為零。因此可以通過(guò)判斷矩陣的特征向量W和最大特征根λmax計(jì)算綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重[8]。

假設(shè)判斷矩陣B為n階的，通過(guò)計(jì)算其特征向量W和符合BW=nW的特征根，獲得綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重，最大特征根λmax可通過(guò)下式計(jì)算得到

(2)

式中，(BW)i描述的是特征向量W與判斷矩陣B乘積中存在的第i個(gè)元素。

為了提高分析結(jié)果的合理性，需要一致性檢驗(yàn)判斷矩陣，在判斷矩陣B中計(jì)算除λmax之外所有特征根對(duì)應(yīng)的負(fù)平均值，并將計(jì)算結(jié)果CI作為標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性

(3)

分析上式可知，判斷矩陣的一致性隨著λmax-n值的減小而增大，當(dāng)λmax-n的值為零時(shí)，B的一致性最佳。

設(shè)CR代表隨機(jī)一致性比率，其計(jì)算公式如下

(4)

式中，RI代表判斷不同階數(shù)判斷矩陣是否符合一致性的隨機(jī)一致性指標(biāo)。

當(dāng)CR的值大于0.1時(shí)，需要修改調(diào)整判斷矩陣；當(dāng)CR的值小于0.1時(shí)，表明判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)[9]。

為了提高指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性，基于軟件可量化計(jì)算的綠色建筑能耗控制方法采用群體性判斷原則擴(kuò)大樣本數(shù)據(jù)的來(lái)源。

采用信息熵權(quán)法通過(guò)熵值修正綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，獲得綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)的修正權(quán)重W2，具體過(guò)程如下：

標(biāo)準(zhǔn)化處理權(quán)重矩陣W=(wij)m×n，獲得判斷矩陣A=(rij)m×n，其中rij描述的是數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的結(jié)果。

設(shè)Hj代表修正系數(shù)，其計(jì)算公式如下

(5)

根據(jù)修正系數(shù)Hj建立權(quán)重修正模型

(6)

3 綠色建筑能耗評(píng)價(jià)模型

基于軟件可量化計(jì)算的綠色建筑能耗控制方法在可變模糊基理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建綠色建筑能耗評(píng)價(jià)模型，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果實(shí)現(xiàn)綠色建筑能耗的控制，具體過(guò)程如下：

1)設(shè)Xi代表待評(píng)價(jià)的綠色建筑；n代表綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量；Xi={x1，x2，…，xn}代表特征向量，由綠色建筑能耗指標(biāo)的樣本值構(gòu)成，X={Xi}，xij描述的是第i個(gè)綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)在第j個(gè)樣本中的特征值，由xij構(gòu)成待評(píng)價(jià)的綠色建筑樣本特征值矩陣X，其表達(dá)式如下

(7)

式中，m描述的是綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n。

2)按c個(gè)等級(jí)對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分，一級(jí)為最好，根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)每個(gè)綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行劃分，獲得c個(gè)區(qū)間，建立評(píng)價(jià)區(qū)間矩陣Iab，其表達(dá)式如下

(8)

式中，[a，b]描述的是吸引域區(qū)間。

3)設(shè)Icd代表可變范圍區(qū)間矩陣，可根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)間矩陣Iab計(jì)算得到

(9)

其中，區(qū)間[cih，dih]可通過(guò)下式計(jì)算得到

(10)

4)按照各個(gè)綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體情況，根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)間矩陣Iab確定隸屬度為1的點(diǎn)在區(qū)間[aih-1，bih+1]中對(duì)應(yīng)的值，設(shè)矩陣M由隸屬度為1的點(diǎn)構(gòu)成，其表達(dá)式如下

(11)

當(dāng)特征值xij落在Mih值的左側(cè)和右側(cè)時(shí)，對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)如式(12)和式(13)所示

(12)

(13)

根據(jù)式(12)和式(13)的計(jì)算結(jié)果，構(gòu)建隸屬矩陣{u(Xj)}：

(14)

5)在隸屬矩陣{u(Xj)}的基礎(chǔ)上構(gòu)建可變模糊綜合評(píng)價(jià)識(shí)別模型，其表達(dá)式如下

(15)

6)計(jì)算待評(píng)價(jià)綠色建筑樣本j對(duì)應(yīng)的級(jí)別特征值H=(1，2，…，c)·UT，實(shí)現(xiàn)可變模糊識(shí)別。

8)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)綠色建筑能耗的控制。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證基于軟件可量化計(jì)算的綠色建筑能耗控制方法的整體有效性，需要對(duì)基于軟件可量化計(jì)算的綠色建筑能耗控制方法進(jìn)行測(cè)試。本次測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Simulink，分別采用基于軟件可量化計(jì)算的綠色建筑能耗控制方法(所提方法)、基于逆向建模的綠色建筑能耗控制方法(文獻(xiàn)[3]方法)、基于信息化設(shè)計(jì)的綠色建筑能耗控制方法(文獻(xiàn)[4]方法)對(duì)綠色建筑能耗的照明能耗、供暖能耗、制冷能耗和風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 能耗組成預(yù)測(cè)結(jié)果

分析圖1中的數(shù)據(jù)可知，采用所提方法對(duì)綠色能耗的照明能耗、供暖能耗、制冷能耗和風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本相符，采用文獻(xiàn)[3]方法對(duì)照明能耗、供暖能耗、制冷能耗和風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得的預(yù)測(cè)值均小于實(shí)際值，采用文獻(xiàn)[4]方法對(duì)照明能耗、供暖能耗、制冷能耗和風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得的預(yù)測(cè)值均高于實(shí)際值。通過(guò)上述分析可知，所提方法可準(zhǔn)確地對(duì)照明能耗、供暖能耗、制冷能耗和風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，因?yàn)樗岱椒ㄓ?jì)算綠色能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重時(shí)，采用群體性判斷原則擴(kuò)大了樣本數(shù)據(jù)的來(lái)源，提高了權(quán)重的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度。

分別采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對(duì)綠色建筑能耗的平均年能耗密度進(jìn)行評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 平均年能耗密度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)可知，在多次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所提方法獲得的年能耗密度值與實(shí)際值完全一致，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法獲得的年能耗密度值與實(shí)際值之間存在的誤差較大。因?yàn)樗岱椒▽?duì)綠色建筑能耗評(píng)價(jià)之前，通過(guò)信息熵權(quán)法對(duì)綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行了修正，進(jìn)而提高了綠色建筑能耗評(píng)價(jià)模型的精度，可準(zhǔn)確地對(duì)綠色建筑能耗的平均年能耗密度進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

通過(guò)能耗累積頻率分布曲線驗(yàn)證所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的控制有效性，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 累積頻率分布曲線

根據(jù)圖3中數(shù)據(jù)可知，采用所提方法對(duì)綠色建筑能耗進(jìn)行控制后能耗累積頻率曲線明顯下降，表明采用所提方法對(duì)綠色建筑能耗控制后，建筑的能耗明顯降低，采用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對(duì)綠色建筑能耗進(jìn)行控制后，能耗累積頻率曲線雖然降低但幅度較小，表明文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對(duì)綠色建筑能耗控制的有效性較差，因?yàn)樗岱椒▽?duì)綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行了修正，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了高精度的綠色建筑能耗評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)綠色建筑的能耗，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果可有效的控制綠色建筑能耗。

5 結(jié)論

為響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展理念，控制綠色建筑能耗。由于目前綠色建筑能耗控制方法無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)綠色建筑的能耗組成、平均年能耗密度，存在控制效果差的問(wèn)題。提出基于軟件可量化計(jì)算的綠色建筑能耗控制方法，選取綠色建筑能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)并計(jì)算指標(biāo)權(quán)值，構(gòu)建綠色建筑能耗評(píng)價(jià)模型，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果實(shí)現(xiàn)能耗控制，解決了目前方法中存在的問(wèn)題，為我國(guó)綠色建筑的發(fā)展提供了保障。