建筑节能设计优化工具的比较研究

2014·建筑热工与节能

建筑节能优化设计工具的比较研究

田志超1，石邢2

（1,2东南大学建筑学院，城市与建筑遗产保护教育部重点实验室，江苏南京210096）

摘要： 建筑节能设计面对理论模型复杂、设计参数众多、多重耦合等挑战。建筑能耗计算模型是建筑节能设计的基石，在此基础上研发具有智能优化功能的设计工具是当前国际建筑节能领域前沿研究方向之一。目前，国际上已存在若干具有初步智能优化能力的建筑节能优化设计工具，但功能完善、适合大规模商业化应用的仍比较欠缺。本文首先阐述了建筑节能优化设计工具的基本概念和理想框架，然后对国际上较有影响力的几类工具进行了比较研究，通过对比了解不同优化设计工具的特点和技术路线。

关键词：建筑节能；优化设计；能耗

1.前言

在过去约半个世纪里各国的研究者开发了大量的建筑能耗模拟分析软件。美国能源部网站上列出的与能耗相关的模拟分析软件多达416种[1]。建筑能耗模拟分析软件虽然众多，但很难将其用于设计方案优化，且能耗模拟主要在建筑设计的后期使用。这是因为建筑节能设计受到理论模型复杂，不同的模拟分析软件协调性差，设计参数众多但缺乏有效建模数据等众多挑战[3,4]。为了解决建筑节能设计中遇到的这些难题，开发具有智能自动优化功能设计工具的研究成为当今国际建筑节能研究领域的前沿方向之一。通过文献调研可以看出这一趋势。Attia等对165篇关于建筑能耗优化工具的文献进行了综述，访谈了28位相关领域的专家[5]；以Michael和Zhang为首的研究团队正在进行的虚拟设计工作室（VDS，Virtual Design Studio）项目的研究，旨在研发一个能够进行建筑综合性能（含能耗）优化设计的技术平台[6]。

本文首先概要地阐述了建筑节能优化设计的基本概念和理想框架。之后通过表格的方式对比了不同建筑节能优化设计工具的特性和功能，对比的6种建筑节能优化设计工具分别为Beopt、Opt-E-Plus、MOBO、jEPlus系列软件、GenOpt、和DesignBuilder。对比的内容为：能耗模型输入、优化变量定义、优化处理能力和优化结果的可视化及输出。本文期望通过分析这些工具的功能和特性，从而了解其技术路线和开发思路。

2.建筑节能优化设计的基本概念和理想框架

建筑节能优化设计是指在满足设计标准前提下从众多可供选择的方案中选择出最优方案过程。建筑节能优化设计是以建筑的能耗为出发点的设计过程，这和传统的设计重视建筑的空间、形式和

基金资助：国家科技支撑计划，编号：2012BAJ14B01

作者简介：田志超（1990-），男，河南新乡人，在读硕士研究生 email:tzchao123@

2014·建筑热工与节能

美学有很大的区别。建筑节能优化设计是将传统的设计流程和能耗模拟相结合的过程，这是个反复循环螺旋上升的优化过程。

建筑节能优化设计工具是有助于建筑节能优化设计工具的总称。建筑节能优化设计工具能够采用合适的优化算法，以降低能耗为目标将建筑能耗模拟和设计过程结合从而自动地对设计方案进行计算、调整、比较、判定，最终得到最佳的设计方案，其理想框架如图1所示。

图1 建筑节能优化设计的理想框架

3.6种节能优化工具简介

3.1 GenOpt

GenOpt能够和任何以文本格式输入和输出的软件接合。GenOpt含有算法库，其中有单一目标和多目标优化算法，在进行具体优化时可选择算法，能够在多核计算机上平行计算。由于GenOpt 不具有友好的输入界面，采用文本格式输入，其出的可视化能力较差，对使用者的专业能力要求极高[7]。

3.2 BEopt

BEopt的优点在于能够快速地建立优化模型，可视化能力较好，能够根据标准建立基准模型，采用预定义的方式定义优化变量。但其建筑的几何建模能力较弱，可以定义选择的优化变量有限，且只适用在北美地区使用[8]。

3.3 Opt-E-Plus

Opt-E-Plus和BEopt的功能类似，其最大的特点是能够同时计算上千次模拟从而大大降低计算时间，同样只适合在北美地区使用[9]。

3.4 jEPlus系列软件

jEPlus系列节能优化软件由jEPlus、JESS和jEPlus+EA三个软件组成。jEPlus系列软件在优化变量的定义，算法的选择和结果的可视化等功能实现较好，但使用时需要切换软件，且不能结合相关标准[10]。

3.5MOBO

现在版本的MOBO（0.3a版）和GenOpt的功能相似，两者都更像一个优化处理器，缺乏友好的用户界面，且只能优化数值类型的变量，对使用者的专业要求较高[11]。

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3.6 DesignBuilder(V

4.0 beta ）

DesignBuilder 在其4.0测试版本中加入了优化模块。DesignBuilder 优化模块的算法较为单一，不能自定义算法的具体特性，优化变量是已经预定好的，结果可视化能力较差

[12]

。

4. 节能优化工具的对比

尽管有众多研究者致力于开发建筑节能优化设计工具，国际上也有数十种不同的工具，但功能完善，能够大规模商业化应用的还很少。结合文献调研中其他研究者提出的影响节能优化工具使用的“障碍”和优化设计工具的理想框架中的关键点，本文分别从“能耗模型输入”、“优化设计变量定义”、“优化处理能力”和“结果的可视化及输出”4个方面对上述的6种工具进行对比分析。 4.1能耗模型输入

表1直观地表现出几种建筑节能优化工具的建模能力或导入已有能耗模拟模型的能力。

表1 建筑能耗模型输入对比

注：X 能较容易地全部实现；P 能够部分实现；O 能够实现部分很少；R 需具研究者能力；E 需专业性能力（表2、3和4中X 、P 、O 、R 和E 的意义相同）。BES ，Building Energy Simulation ，建筑能耗模拟；BIM ，Building Information Model ，建筑信息模型。

4.2优化设计变量定义

影响建筑能耗的设计变量较为复杂，既有数值类，又有非数值类，；既有独立影响建筑能耗的变量，又有非独立的变量，如建筑的形体。优化变量的定义是节能优化工具的关键功能。

表2 优化变量定义对比

注： GUI ，Graphic Users Interface ，图形用户界面。

4.3 优化处理能力

如上节所提到的，建筑能耗优化面对的问题复杂，不可能采用单一的算法解决所有的问题，算法的选择和算法具体特性定义对计算效率有较大影响。

表3 优化处理能力对比

jEPlus 系列

建筑建模 P X X 结合标准 O P 导入BIM 模型 P 导入BES 模型

R

X

X

GenOpt

BEopt Opt-E-Plus

jEPlus 系列

MOBO DesignBuilder

优化变量定义GUI

离散数值类 X X X X X X 连续数值类 X X X 复杂非数值类

P

P

E

P

GenOpt BEopt Opt-E-Plus

jEPlus 系列

MOBO DesignBuilder

优化算法选择 R X X 平行计算 X X X X 主动停止优化 X X 算法特性设定 R X 不确定性分析 O 敏感性分析

X