建筑能量与环境系统集成优化方法研究

摘要

在当前能源紧张与环境污染日趋严重的大背景下，建筑能量与环境系统的高效控制与优化策略受到学界的普遍重视。由于建筑能量与室内环境是一类复杂的分布式参数系统，目前建模方法主要依靠计算流体力学等工具迭代求解获得，这给优化策略的实现带来困难。本文针对建筑能量与环境系统的特点，运用集成优化基本原理，围绕建筑能量与室内环境的建模与优化展开研究。主要内容包括：
　　（1）参考美国能源部开发的 GenOpt软件，自主开发针对建筑能量与环境系统的交互式集成优化框架，该框架特点在于利用建筑能量与环境模拟工具和Matlab各自接口组成不同模块，运用数据交互技术将建筑系统仿真中的多种分布式参数直接传递给优化算法，使优化策略能充分考虑空间分布对环境参数的影响。相比目前的建筑能量与环境优化方法，交互式集成优化框架具有通用性好、优化精度高等优点。
　　（2）为验证交互式集成框架在室内环境参数优化中的有效性，对典型公共建筑的室内热舒适度和通风系统能耗进行建模与优化。在此基础上，将上述方法与基于神经网络的数据驱动优化方法做性能对比。结果显示交互式集成优化框架的优化精度优于神经网络方法，且具有通用性好、易于操作等特点。
　　（3）为验证交互式集成框架在建筑能量系统优化中的有效性，分别运用交互式优化框架、GenOpt以及数据驱动优化方法对典型建筑能量系统的优化问题展开对比研究。结果表明交互式集成优化框架的优化精度与通用优化框架GenOpt相当，优化速度上有明显优势；相比于数据驱动优化方法，交互式集成优化框架的结果更精确，更适用于复杂建筑能量系统优化设计问题的求解。
　　（4）针对南京某实际住宅建筑案例，在建筑设计阶段运用交互式集成优化框架对其全生命周期成本、环境影响和室内舒适度三个方面展开多目标优化研究。运用四种主流多目标优化算法，比较其在复杂建筑能量系统设计问题中的性能表现，为上述交互式集成优化框架的实际应用提供有益参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 建筑能量与环境系统优化方法研究现状

1.3 优化算法在建筑能量与环境系统优化中的应用

1.4本文的主要研究内容及章节安排

第二章 建筑能量与环境系统建模方法

2.1 引言

2.2 建筑能量系统建模方法

2.3 建筑室内环境建模方法

2.4 建筑能量与环境系统实现方法

2.5 本章小结

第三章 建筑能量与环境系统集成优化方法

3.1 引言

3.2 集成优化技术原理

3.3 通用集成优化软件GenOpt

3.4 交互式集成优化框架设计

3.5 优化算法

3.6 本章小结

第四章 基于交互式集成优化框架的建筑环境优化

4.1 引言

4.2 模型描述

4.3 设计变量及优化目标

4.4 交互式集成优化框架搭建

4.5 数据驱动优化框架搭建

4.6 优化结果比较

4.7 本章小结

第五章 基于交互式集成优化框架的建筑能量优化

5.1 引言

5.2 简单建筑单目标优化设计问题

5.3 典型建筑多目标优化设计问题

5.4 本章小结

第六章 建筑性能设计多目标优化实例与分析

6.1 引言

6.2 模型描述

6.3 设计变量

6.4 优化目标

6.5 算法主要性能指标

6.6 四种算法性能比较

6.7 优化结果分析

6.8 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得的成果及参与的科研项目

附录