基于能耗与成本目标的新疆高校教学建筑设计优化

高梓文 李洁 陈宁 孔维亮 谢洪凯

摘要：建筑设计参数对建筑运营过程中的能耗和成本有着重要的影响，而新疆冬季严寒且漫长，使得该地区建筑能耗及运营费用高于其他地区。因此，本文利用离差最大化法结合正交试验设计，以某教学建筑为例，考察了在新疆4个热工分区的典型城市气象条件下，包括中庭面积比、天窗面积比、不同立面的窗墙比、外围护保温层厚度、外窗类型等8个设计参数对建筑能耗和全局成本的影响，并通过综合考虑建筑能耗和全局成本目标，确定最佳的建筑设计方案。研究结果表明，在4个典型城市气象条件下，最佳设计方案可以实现建筑节能10.47%～13.48%，全局成本降低32.62～62.91元/m2。研究有助于设计者选择适用于该地区的最佳设计参数，从而实现建筑的节能目标。

关键词：多目标优化；建筑能耗；全局成本；公共建筑；离差最大化法

中图分类号：TU29文献标志码：文献标识码A

Optimization of teaching building design in Xinjiang universities based on

energy consumption and cost objectives

GAO  Ziwen1，LI  Jie1*，CHEN  Ning2，KONG  Weiliang2，XIE  Hongkai1

（1 College of Water Conservancy &Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832000，China; 2

Xinjiang Academy of Building Research，Shihezi，Xinjiang 830000，China）

Abstract： Building design parameters have an important impacton energy consumption and cost during building operation，and the severe and long winter in Xinjiang makes thebuilding energy consumption and operation cost in this region higher than other regions.Therefore，in this paper，using the deviation maximization method combined with orthogonal experimental design，the impacts of eight design parameters，including court area ratio，skylight area ratio，window-to-wall ratio of different elevations，thickness of perimeter insulation，and type of external windows，on building energy consumption and global cost are examined under typical urban meteorological conditions in four thermal subregions of Xinjiang as an example of a teaching building.The optimal building design solution is determined by integrating the building energy consumption and global cost objectives.The results of the study show that the optimal design scheme can achieve building energy savings of 10.47% to 13.48% and global cost reduction of RMB 32.62 Yuan/m2 to RMB 62.91 Yuan/m2 under the meteorological conditions of four typical cities.The study helps designers to select the optimal design parameters applicable to the region，thus realizing the energy-saving goals of the building.

Key words： multi-objective optimization;Building energy consumption;Global cost;Public buildings;Discrete maximization approach

隨着人口的增长和城市化进程的进行，中国每年建筑施工面积以3.4%的增速增长［1］。据统计2022年，建筑全过程能源消耗总量为22.7亿tce（ton of standard coal equivalent）约占中国能耗总量的45.5%［2］。为了达到中国在第75届联合国大会上提出的“双碳目标”，建筑业迫切需要减少建筑能耗。公共建筑相较于居住建筑对能源有更高的需求［2］，其也存在着巨大的节能潜力［3］。公共建筑全过程能耗中运营阶段能耗是其主要来源之一，其占到建筑全过程能耗的70%～95%［4］;运营阶段能耗主要来源于建筑的通风、供暖、制冷、照明和电气设备［5］，其中有40%的能耗可以通过初期设计改变［6］。因此，至今学者们对公共建筑节能的研究主要集中于建筑初期的节能设计，然而成本与节能设计时常产生冲突，建材高额初期投资成本、漫长投资的回收期等因素常常成为了建筑节能设计的主要阻碍之一［7］。

新疆地处中国西北冬季严寒且漫长，造成了当地供暖周期长、能耗高以及费用高的问题。新疆供暖方式主要为燃煤热水锅炉集中式供暖，低廉的燃煤价格会降低供暖的费用，但同时也会增加供暖的碳排放。据统计，北方供暖地区建筑碳排放占到全国建筑碳排放的58%［2］，其主要差异体现在建筑的供暖碳排放［8-9］。针对此问题，当地政府提出“煤改气”、“煤改电”和清洁能源联合供暖等方案来改变供暖所需的燃料，但煤改气（电）在降低碳排放的同时也会增加供暖成本。

针对建筑节能设计问题，学者们发现建筑围护结构的设计是实现建筑节能的有利途径之一［10］。Acar等［11］利用NSGA-II遗传算法分析了建筑初期围护结构合理设计对土耳其两个省份内建筑能耗与使用费用的影响；Yue等［12］以某高校体育馆为例，利用遗传算法分析了围护设计参数对建筑舒适度和能耗之间的关系；Giouri等［13］通过Grasshop软件对建筑的窗墙比、墙体参数、玻璃参数等参数进行优化，优化后建筑可节能33%；Zomorodian等［14］对德黑兰的一栋双层幕墙商业建筑进行优化，发现建筑可节能14%～17%，并提出能源碳成本作为最优方案的选择指标。

近年一些学者将成本指标也考虑在建筑的节能设计中，目的是找到经济效益更高的方案。Li等［10］将正交试验和数据包络分析相结合，提出了一种多指标分析最优方案的方法，并以某商业楼为例分析了设计参数对建筑能耗与成本的影响；Abdou等［15］对摩洛哥零能源住宅楼进行了节能设计的成本与能耗研究，提出了综合成本与能耗目标影响的最优方案选取方法；Ascione等［16］提出了近零能耗建筑的能源指标和成本指标，并结合双指标对地中海沿岸房屋的各类节能设计进行了分析。

综上可知，国内外学者对建筑节能设计优化多从能耗单方面考虑或对综合方案选取的方法不足以体现其成本效益，基于此，本文以能耗和成本作为节能设计优化指标，利用离差最大化方法和正交试验进行优化设计，建立多因素多目标的建筑参数优化方法，然后以某高校教学建筑为例分析了以天然气为供暖能源的背景下新疆4个热工分区中8个设计因素对建筑能耗与成本的影响及其综合能耗与成本指标，提出最适用于本地的设计参数，从而更好地解决在实际建筑工程中一味降低能耗而忽视经济效益的问题。

1 案例研究

1.1 区域描述

新疆位于中国的西北部，其地貌主要由三大山脉和两个盆地组成。新疆属于温带大陆性干旱气候，其地域辽阔总面积166万km2，占中国总国土面积的1/6；新疆地处东经74°～96°，北纬34°～49°，包含严寒地区A区、B区、C区和寒冷地区A区、B区共5个热工分区。其中严寒A区占地面积过小，不具有代表性，因此本文研究时不包括此区，并选取阿勒泰、乌鲁木齐、喀什和哈密分别作为严寒B区、严寒C区、寒冷A区、寒冷B区的典型城市，本研究4个热工分区及典型城市的详细信息参见XJJ034—2022《公共建筑节能设计标准》。

1.2 原建筑模型建立

以某钢筋混凝土结构的教学建筑为例，建筑面积为29456.36 m2，其中包含地下及局部屋顶面积985.26 m2；该建筑共有地上5层和局部地下室1层，1～5层建筑层高为4.2m，地下室层高为3.6m，建筑高度为21.9m；该建筑以南北立面为主，内部有2个封闭式中庭，外窗未设有任何遮阳设备，建筑平面布置及功能分区详见图1a。该建筑的屋顶配置为7mm防水卷材、30mm细石混凝土、100mmEPS和120mm钢筋混凝土楼板；楼板配置为120mm钢筋混凝土楼板；地板配置为80mmC15混凝土；外墙配置为250mm加气块混凝土、60mmEPS；外窗配置为透明双玻窗；其各类材料热工、密度等参数详见GB 50176—2016民用建筑热工设计规范。

此建筑供暖方式为天然气集中式供暖，根据各地区实际建筑运营情况，本文不考虑制冷能耗。建筑内部照度及使用时间参照GB 50033—2013《建筑采光设计标准》和XJJ034—2022《公共建筑节能设计标准》设置，建筑人员密度及变化率参照XJJ034—2022《公共建筑节能设计标准》设置，建筑内部电器设备用能密度及使用时间参照XJJ034—2022《公共建筑节能设计标准》和《建筑碳排放计算标准》GB/T 51366—2019设置。4个典型城市的建材及能源价格参照新疆工程造价信息网中数据。

本文选用Designbuilder对建筑的运营能耗进行模拟，建筑模型详见图1b、c，本文将原方案与各优化方案建筑年单位面积能耗之间的差值作为能耗指标。

1.3 优化变量设置

由建筑节能相关文献研究的优化变量与结论的对比（表1）可知：建筑围护结构和中庭几何参数都对建筑内部环境有着重要的影响。根据以往学者对建筑设计参数与能耗间的关系研究与案例建筑形态特征，本文将窗户相关参数分为南向窗墙比（下文简称C）、北向窗墙比（D）、东西向窗墙比（G）以及窗戶类型（H）4个变量。案例建筑外墙材料为加气混凝土保温性能相对较佳，因此本文不考虑外墙材料类别，只考虑外墙保温（E）与屋顶保温（F）。本文设计优化的目标是在不改变建筑内部功能分区的情况下，满足建筑能耗与成本要求，根据案例建筑内部布局，中庭长宽比和宽高比受限文本不考虑，设置中庭面积比（B）与天窗面积比（A）为变量。各因素水平设计见表2。

2 研究方法

2.1 全局成本分析

本文的建筑成本采用《欧盟建筑能效指令》EPBDrecast中的全局成本计算，此方法是评价建筑生命周期经济性的常用工具。它可计算建筑因节能技术改变而产生的初期投资成本和建筑运营计算周期内的能源成本，可以通过此方法在建筑初期设计阶段评价节能技术对建筑生命周期的经济性，其被广泛的应用于建筑节能研究中［22］。为了便于参考，本文将原方案与各优化方案建筑单位面积全局成本之间的差值作为成本指标。生命周期经济性分析考虑年限为30年［23］不考虑构件更换成本和维护成本，实际贴现率取4%［24］，并假设建筑年能耗不变。

2.2 离差最大化法

离差最大化方法可用于工业经济效益的综合评价和排序，经济效益的综合评价本质上是一个多指标决策问题。该方法是学者王应明［25］提出的，此方法对指标数值进行归一化处理后再分配权重，将多目标问题转化为第一目标问题，其具有概念清楚、涵义明确、算法简单的优点。因此，本文参照文献［25］中方法对能耗指标和成本指标进行综合分析，并选出最优方案。本文中的能耗指标和成本指标用文献［25］中效益型指标的相关公式计算。

2.3 正交试验设计

本文运用正交实验原理［22］设计解决因组合方案过多工作量大的问题，并使本文的多因素组合方案得以实现。

本文研究了8个因素，因素最高水平为7水平。选择全实验则会产生200多万种方案，因此选择正交试验进行方案的抽样模拟，以此来减少工作量。根据设计的因素数与因素水平数，选择L49（78）正交表，抽样出了49组不同的组合方案，对其进行能耗与成本指标的极差分析，得出各因素的最优水平组合和各因素对指标的影响程度排序。具体方法如下：

1）根据正交实验得出不同因素各水平对应指标的平均值，从而找到各因素的最优水平并将其组合起来得到最优水平组合。

2）根据得出的不同因素各水平对应指标的平均值，得出各因素水平均值的极差值，从而得到各因素对指标的影响程度排序。

3 结果

根据正交试验表抽取49组设计方案，在新疆4个热工分区典型城市气象条件下，对各方案年运营的建筑能耗进行模拟，计算其建筑能耗与成本指标，并对能耗与成本指标的计算结果进行极差分析。

3.1 哈密地区

图2为在哈密地区气象条件下各方案建筑能耗与成本指标的极差分析结果。

由图2可知：各因素影响程度排序为B＞C＞H＞D＞A＞E＞G＞F，各因素最优水平为A1B1C7D3E7F7G3H2，将其组成新低能耗方案50，方案50的能耗指标为13.49W·h/m2，成本指标为62.91元/m2（图2a）。各因素影响程度排序为C＞A＞D＞H＞B＞G＞E＞F，各因素最优水平为A1B1C7D3E5F6G3H2，将其组成新低成本方案51，方案51的能耗指标为12.79 W·h/m2，成本指标为57.80元/m2（图2b）。

按2.2节的方法进行本研究建筑综合能耗与成本指标最优方案的选择，结果表明：方案50为最优方案，其中，天窗面积比10%、中庭面积比10%、南立面窗墙比60%、北立面窗墙比34%、外墙保温层厚度130mm、屋顶保温层厚度180mm、东西立面窗墙比34%、透明三玻窗。在哈密地区的气候条件下原建筑模型年运营能耗为118.78W·h/m2，最优方案与其相比实现了11.36%的节能，成本节省了62.91元/m2。

3.2 喀什地区

图3为在喀什地区气象条件下各方案建筑能耗与成本指标的极差分析结果，可见：各因素对能耗指标的影响程度排序为C＞B＞H＞E＞A＞F＞D＞G，各因素最优水平为A7B1C7D4E7F7G3H2，将其组成新低能耗方案50，方案50的能耗指标为10.81 W·h/m2，成本指标为32.62元/m2（图3a）。各因素对成本指标的影响程度排序为C＞B＞H＞D＞E＞G＞A＞F，各因素最优水平为A1B7C7D3E5F6G3H2，将其组成新低成本方案51，方案51的能耗指标为7.01 W·h/m2，成本指标为51.78元/m2（图3b）。

按2.2节的方法进行本研究建筑综合能耗与成本指标最优方案的选择，结果表明：方案50为最优方案，其中，天窗面积比70%、中庭面积比10%、南立面窗墙比60%、北立面窗墙比34%、外墙保温层厚度130mm、屋顶保温层厚度180mm、东西立面窗墙比34%、透明三玻窗。在喀什地区的气候条件下原建筑模型年运营能耗为80.16W·h/m2，最优方案与其相比实现了13.48%的节能，成本节省了32.62元/m2。

3.3 乌鲁木齐地区

图4为在乌鲁木齐地区气象条件下各方案建筑能耗与成本指标的极差分析結果，可见：各因素影响程度排序为B＞H＞A＞D＞G＞E＞C＞F，各因素最优水平为A1B1C5D3E7F7G1H2，将其组成新低能耗方案50，方案50的能耗指标为14.56W·h/m2，成本指标为59.82元/m2（图4a）。各因素影响程度排序为A＞H＞B＞D＞G＞E＞C＞F，各因素最优水平为A1B1C3D3E5F6G1H2，将其组成新低成本方案51，方案51的能耗指标为12.97W·h/m2，成本指标为52.98元/m2（图4b）。

按2.2节的方法进行本研究建筑综合能耗与成本指标最优方案的选择，结果显示方案50为最优方案，其中，天窗面积比10%、中庭面积比10%、南立面窗墙比48%、北立面窗墙比34%、外墙保温层厚度130mm、屋顶保温层厚度180mm、东西立面窗墙比20%、透明三玻窗。在乌鲁木齐地区的气候条件下原建筑模型年运营能耗为139.03W·h/m2，最优方案与其相比案实现了10.47%的节能，成本节省了59.82元/m2。

3.4 阿勒泰地区

图5为在阿勒泰地区气象条件下各方案建筑能耗与成本指标的极差分析结果，可见：各因素影响程度排序为B＞H＞C＞D＞A＞E＞G＞F，各因素最优水平为A1B1C7D1E7F7G1H2，将其组成新低能耗方案50，方案50的能耗指标为17.66W·h/m2，成本指标为62.91元/m2（图5a）。各因素影响程度排序为A＞H＞D＞C＞B＞G＞E＞F，各因素最优水平为A1B1C5D3E4F6G1H2，将其组成新低成本方案51，方案51的能耗指标为15.42W·h/m2，成本指标为  55.36元/m2（图5b）。

按2.2节的方法进行本研究建筑综合能耗与成本指标最优方案的选择，结果显示方案50为最优方案，其中，天窗面积比10%、中庭面积比10%、南立面窗墙比60%、北立面窗墙比20%、外墙保温层厚度130mm、屋顶保温层厚度180mm、东西立面窗墙比20%、透明三玻窗。在阿勒泰地区的气候条件下原建筑模型年运营能耗为157.13W·h/m2，最优方案与其相比实现了11.24%的节能，成本节省了62.91元/m2。

4 讨论

（1）4个地区的最优方案都为低能耗方案，主要原因是在新疆地区供暖能耗在建筑能耗中占比过大，并且供暖能源的成本较高，导致运营成本差值对成本指标的影响要显著大于初始投资成本差值对成本指标的影响，使得除了喀什地区外，其他地区在能耗达到最佳的同时成本也达到最低。

（2）建筑中庭部分对照明的要求低，其最优值主要受到气温的影响。乌鲁木齐、阿勒泰和哈密地区冬季气温较低，导致建筑从天窗获得的太阳辐射对能耗的影响要小于从天窗散出热量对能耗的影响，因此，这3个地区最优天窗面积比都为10%。喀什地区冬季气温相对较高，使得其天窗获得的太阳辐射对能耗的影响大于从天窗散出热量对能耗的影响，因此天窗面积比最优值为70%。4个地区的中庭面积比最优都为10%。

建筑南立面是建筑主要吸收太阳辐射的面，其最优值受到冬季太阳辐射的影响较大，阿勒泰、哈密、喀什地区冬季太阳辐射量要高于乌鲁木齐地区，因此，前3个地区与乌鲁木齐地区的南立面窗墙比最优值存在差别，阿勒泰、哈密以及喀什地区其最优为60%，乌鲁木齐地区其最优值则降低为48%。新疆地区纬度较高，建筑北立面受到太阳直接辐射量很小，而东、西立面面积较小，所以这3个立面获得的太阳总辐射量较小，其窗墙比最优值主要受到冬季气温的影响，其随着冬季气温的下降而减小。东西立面最优窗墙比从喀什和哈密地区的34%降低到乌鲁木齐和阿勒泰地区的20%，北立面最优窗墙比从喀什的41%降低到哈密和乌鲁木齐地区的34%最后降低到阿勒泰地区的20%。

透明三玻窗户的传热系数在3种玻璃窗中最低，并且其太阳辐射总透射比和可见光透射比要好于LOW-E玻璃，因此在4个地区中最优的外窗类别都是透明三玻窗。外墙和屋顶的保温层只会影响建筑的供暖能耗，因此在4个地区其最优值都是保温性能最好的方案，其外墙与屋顶保温层厚度分别为130mm和180mm。

5 结论

本文利用正交试验分析了8个建筑设计参数对新疆4个热工分区典型城市气象条件下建筑能耗与成本的影响大小，并利用加权合法综合能耗与成本指标寻找最适合本地的建筑设计方案，最终得出以下结论：

（1）阿勒泰、乌鲁木齐、喀什和哈密地区的最优建筑设计方案与该地区的原设计方案相比，能耗依次可节省11.24%、10.47%、13.48%、11.76%，全局成本可减少62.91、59.82、32.62、62.91元/m2。

（2）在寒冷A和B区典型城市哈密和喀什气象条件下选出的最优设计方案中，天窗面积比在这2个地区存在较大差异，在哈密地区其为70%，在喀什地区其为10%；中庭面积比、南、北立面窗墙比、外墙和屋顶保温层厚度、东西立面窗墙比、外窗类别的最优值在两地间差异较小。

（3）在严寒C和B区典型城市乌鲁木齐和阿勒泰气象条件下选出的最优设计方案中，南、北立面窗墙比在两个地区存在较大差异，在乌鲁木齐地区其分别为48%和34%，在阿勒泰地区其则分别为60%和20%；天窗面积比、中庭面积比、外墙和屋顶保温层厚度、东西立面窗墙比、外窗类别的最优值在两地间差异较小。

参考文献（References）

［1］ 中华人民共和国国家统计局.中国建筑业统计年鉴2020［M］.北京：中国统计出版社，2020.

［2］ 中国建筑节能协会建筑能耗与碳排放数据专业委员会.中国建筑能耗与碳排放研究报告（2021）［R］.2021-12-23.

［3］ 杨斯慧，刘菁，杨天娇，等.碳交易过程中的公共建筑碳排放核算研究［J］.建筑科学，2020，36（S2）：326-330.

YANG S H，LIU J，YANG T J，et al.Carbon emission accounting of public buildings in the process of carbon trading［J］.Building Science，2020，36（S2）：326-330.

［4］ 邹一宁.朝阳万达广场全生命周期碳排放计算及减碳策略研究［D］.沈阳：沈陽建筑大学，2020.

［5］ 钟思捷.夏热冬暖地区住宅建筑碳排放研究［D］.广州：广东工业大学，2022.

［6］ PANG Z H，ONEILL Z，LI Y F，et al.The role of sensitivity analysis in the building performance analysis：A critical review［J］.Energy and Buildings，2020，209：1-28.

［7］ ROBATI M，OLDFIELD P，NEZHAD A A，et al.Carbon value engineering：A framework for integrating embodied carbon and cost reduction strategies in building design［J］.Building and Environment，2021，192.

［8］ 马康维.寒冷地区办公建筑全生命周期碳排放测算及减碳策略研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2019.

［9］ DELGARM N，SAJADIB，KOWSARY F，et al.Multi-objective optimization of the building energy performance：A simulation-based approach by means of particle swarm optimization（PSO）［J］.Applied Energy，2016，170：293-303.

［10］ LI H X，LI Y，JIANG B，et al.Energy performance optimisation of building envelope retrofit through integrated orthogonal arrays with data envelopment analysis［J］.Renewable Energy，2020，149：1414-1423.

［11］ ACAR U，KASKA O，TOKGOZ N.Multi-objective optimization of building envelope components at the preliminary design stage for residential buildings in Turkey［J］.Journal of Building Engineering，2021，42：102499.

［12］ YUE N H，LI L L，MORANDI A，et al.A metamodel-based multi-objective optimization method to balance thermal comfort and energy efficiency in a campus gymnasium［J］.Energy and Buildings，2021，253：111513.

［13］ GIOURI E D，TENPIERIK M，TURRIN M.Zero energy potential of a high-rise office building in a Mediterranean climate：Using multi-objective optimization to understand the impact of design decisions towards zero-energy high-rise buildings［J］.Energy and Buildings，2020，209：109666.

［14］ ZOMORODLAN Z S，TAHSLDOOST M.Energy and carbon analysis of double skin faAcXU]ades in the hot and dry climate［J］.Journal of Cleaner Production，2018，197：85-96.

［15］ ABDOU N，MGHOUCHI Y E，HAMDAOUI S，et al.Multi-objective optimization of passive energy efficiency measures for net-zero energy building in Morocco［J］.Building and Environment，2021，204：108141.

［16］ ASCIONEF，BIANCO N，MAURO G M，et al.Retrofit of villas on Mediterranean coastlines：Pareto optimization with aview to energy-efficiency and cost-effectiveness［J］.Applied Energy，2019，254：113705.

［17］ XUE Q W，WANG Z J，CHEN Q Y.Multi-objective optimization of building design for life cycle cost and CO2emissions：A case study of a low-energy residential building in a severe cold climate［J］.Building Simulation，2022，15：83-98.

［18］ TALEGHANI M，TENPIERIK M，DOBBELSTEEN A V D.Energy performance and thermal comfort of courtyard/atrium dwellings in the Netherlands in the light of climate change［J］.Renewable Energy，2014，63：486-497.

［19］ ASFOUR O S.A comparison between the daylighting and energy performance of courtyard and atrium buildings considering the hot climate of Saudi Arabia［J］.Journal of Building Engineering，2020，30：101299.

［20］ LAN W，QIONG H，QI Z.Role of atrium geometry in building energy consumption：the case of a fully air-conditioned enclosed atrium in Cold Climates，China［J］.2017，151：228-241.

［21］ ALDAWOUD A.The influence of the atrium geometry on the building energy performance［J］.2013，57：1-5.

［22］ TANG J，GONG G C，SU H，et al.Performance evaluation of a novel method of frost prevention and retardation for air source heat pumps using the orthogonal experiment design method［J］.Applied Energy，2016，169：696-708.

［23］ 李奇芫，楊向群，杨崴．基于BIM的小型节能建筑生命周期环境影响和成本分析［J］.南方建筑，2017（2）：45-50．

LI Q Y，YANG X Q，YANG W.BIM-based LCA and LCC study on small scale energy efficient buildings［J］.South Architecture，2017（2）：45-50.

［24］ LI H Y，GENG G，XUE Y B.Atrium energy efficiency design based on dimensionless index parameters for office building in severe cold region of China［J］.Building Simulation，2020，13：515-525.

［25］ 王应明.运用离差最大化方法进行多指标决策与排序［J］.中国软科学，1998（3）：36-38，65.

WANG Y M.The deviation maximization method is used for multi-index decision-making and ranking［J］.China Soft Science，1998（3）：36-38，65.

（责任编辑：编辑张忠）