[论文分享]Investigation of multi-objective decision making approaches for the optimization in building envelope thermal design
📃 基本信息
[论文标题] 《建筑围护结构热工设计优化中多目标决策方法研究》
[期刊信息] Sustainable Energy Technologies and Assessments (2025) | 作者: V Kilisa, N Ploskas, G Panaras
📌 一句话概括
本研究提出了一种决策方法，通过数学规划模型优化建筑围护结构热工设计，旨在经济、能源和环境多目标下选择最佳保温材料和窗框。
📚 深度总结
本研究聚焦于提高建筑围护结构的能源效率，提出了一种在生命周期视角下，结合经济、能源和环境多目标准则来选择保温材料及其厚度以及窗框材料的决策方法。研究背景强调了建筑能耗在全球能源消耗和碳排放中的重要地位，以及实现碳中和的紧迫性。文章指出，欧盟建筑能效指令（EPBD）要求将现有建筑改造为近零能耗建筑（NZEBs），其中，提高建筑热阻和采用被动式改造策略至关重要。
在研究方法部分，作者构建了不同的数学规划（MP）模型，将优化结果与帕累托最优解进行比较。研究选取了一栋240平方米的希腊住宅建筑作为案例，并考虑了希腊不同气候条件。设计变量包括：窗框材料（铝、PVC、木材）的二元选择变量，以及每种建筑围护结构构件（砖石、结构框架、屋顶、地板）的保温材料（膨胀聚苯乙烯EPS、挤塑聚苯乙烯XPS、聚氨酯PU、岩棉RW、玻璃棉GW）及其厚度（以1厘米为步长）的二元变量和整数变量。优化目标函数包括最小化热导系数ΣUA（衡量热阻的关键指标）以及经济、能源（非可再生一次能源NRPE）和环境（CO2当量排放）成本。研究采用GAMS工具进行MP模型的建立和求解，并使用BARON求解器处理混合整数非线性问题。此外，开发了Python脚本来计算所有可能的改造方案组合，以生成帕累托前沿，作为评估各种多目标优化方法（全局准则GC、折衷规划CP、目标规划GP、切比雪夫目标规划ChGP）性能的基准。
关键发现与结论如下：单目标优化结果显示，过度热保护的建筑（高保温厚度）会显著增加经济、能源和环境成本。例如，在气候区A，经济、能源和环境成本分别增加了4.6、2.8和8.3倍，这凸显了在不同目标间寻求平衡的重要性。在多目标优化问题中，折衷规划（CP）和切比雪夫目标规划（ChGP）表现出更好的性能，在帕累托最优结果的拟合度上达到了90%，远高于全局准则（GC）和目标规划（GP）方法的13.5%。研究还发现，当优化准则之间存在较高矛盾时（如ΣUA与成本/环境/能源），CP和ChGP能够更有效地捕捉帕累托集；而当矛盾较低时（如环境与能源），CP和ChGP甚至能识别整个帕累托集。
实际应用价值在于：该方法为决策者（如建筑师和工程师）提供了一个有效的工具，在考虑经济预算、U值限制以及生命周期能源和环境成本的前提下，评估不同保温干预方案。通过使用优化模型，可以更快地进行决策，减少传统试错法所需的时间和计算资源。
研究局限性：文章提及未来研究可以扩展到建筑运营阶段，计算能源需求并考虑其他优化标准，如室内空气质量参数或遮阳影响。
本速览仅作研究参考，不替代原文阅读。如需引用，请参考原论文。
🔍 要点追溯
- 研究方法: 数学规划模型（MP）、单目标优化 (SOO)、多目标优化 (MOO)、帕累托分析、敏感性分析
- 适用范围: 希腊住宅建筑，不同气候区，针对围护结构的热工设计优化
- 使用工具: GAMS, BARON (求解器), Python
- 数据来源: 文献数据（材料热工、经济、能源、环境特性），希腊EPBD法规
- 参考标准: 希腊能源性能建筑指令 (EPBD), ASHRAE 55-2017