一种以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法与流程

1.本发明涉及一种建筑外围护结构优化设计方法，尤其是一种以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法。


背景技术：

2.温室效应和极端气候已经成为全球性的环境问题，对人类社会和经济发展带来了巨大影响。据报道，建筑业的碳排放量占全球总排放量的30％以上，且呈上升趋势，亟需采取节能减排措施来应对气候变暖带来的挑战。
3.外围护结构作为建筑内外热环境交换的媒介，对运行阶段的碳排放量起着关键性作用。然而，随着保温材料用量的增多，其对应的碳排放也不断增加，导致运行阶段的碳排放降低的数值可能难以抵消材料生产碳排放的增加值，不能指导建筑行业节能减排发展。因此，从材料生产与运行两个阶段综合分析优化建筑外围护结构对降低方案全生命周期碳排放有重要意义。
4.目前已有针对普通民用建筑外围护结构的低碳设计方法。然而，作为电力系统中的重要组成部分，变电站属于工业建筑类型，有着独特的室内热环境指标需求。变电站建筑主要包括主变压室、控制室、配电装置室、二次设备室、蓄电池室等。不同房间对应不同的机械设备布置与室内热工环境需求。不考虑各房间差异性的外围护结构低碳优化设计方法在民用建筑中较为常用，而不适用于变电站建筑。这些特点使得针对变电站建筑的外围护结构低碳优化设计面临特殊挑战。
5.针对变电站建筑外围护结构低碳优化设计方法有着迫切的需求。其在设计阶段帮助设计师在短时间内综合考虑材料生产与运行阶段碳排放，从而筛选出表现最优的外围护结构设计方案。这对于提高变电站建筑的环境性能和实现可持续发展具有重要意义。


技术实现要素：

6.发明目的：提供一种以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，能够在设计阶段帮助设计师在短时间内综合考虑材料生产与运行阶段碳排放，从而筛选出表现最优的外围护结构设计方案。
7.技术方案：本发明所述的以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，包括如下步骤：
8.步骤1，收集变电站建筑的几何信息、构造信息、房间温度计划信息、人员活动计划信息、外界气象信息以及用电碳排放因子信息，建立综合考虑变电站建筑方案的生产阶段以及运行阶段的碳排放模型；
9.步骤2，选定变电站建筑方案的外围护结构优化设计变量，包括各外围护结构界面的保温材料种类以及各外围护结构界面的保温材料厚度；
10.步骤3，以各种外围护结构界面的保温材料厚度为优化变量，以生产阶段以及运行阶段的碳排放总值最小化为优化目标，调用遗传算法对变电站建筑的外围护结构进行低碳
优化，输出各外围护结构界面的保温材料厚度。
11.进一步的，步骤1中，建立生产阶段以及运行阶段的碳排放模型的具体步骤为：
12.步骤1.1，确定生产阶段以及运行阶段的碳排放量作为变电站建筑全生命周期碳排放量；
13.步骤1.2，通过变电站建筑的施工图纸获取建筑的几何信息、构造信息、房间温度计划信息以及人员活动计划信息，再获取变电站所在地的外界气象信息以及电网的用电碳排放因子；
14.步骤1.3，计算变电站建筑典型气象年中空调与排风扇的总耗电量，再结合变电站建筑使用年限以及用电碳排放因子建立运行阶段的碳排放计算模型为：
15.c
运行
＝(e
制冷
+e
制热
+e
风扇
)
×y×
0.5839
16.式中，c
运行
为运行阶段的碳排放；e
制冷
为典型气象年变电站空调制冷耗电量；e
制热
为典型气象年变电站空调供暖耗电量；e
风扇
为典型气象年变电站风扇耗电量；y为变电站建筑使用年限；0.5839为电网的用电碳排放因子；
17.步骤1.4，提取变电站建筑的各外围护结构界面的面积信息，再结合各外围护结构界面的保温材料厚度以及材料生产对应的碳排放因子建立生产阶段的碳排放计算模型为：
[0018][0019]
式中，c
生产
为变电站建筑外围护结构生产阶段的碳排放；mi为第i种保温材料的用量；mfi为第i种保温材料生产对应的碳排放因子；
[0020]
步骤1.5，结合生产阶段的碳排放以及运行阶段的碳排放得到变电站综合碳排放数值为：
[0021]c总
＝c
生产
+c
运行
[0022]
式中，c
总
为总碳排放量，单位为kgco2；c
生产
为生产阶段的碳排放，单位为kgco2；c
运行
为运行阶段的碳排放，单位为kgco2。
[0023]
进一步的，步骤1.2中，在获取变电站所在地的外界气象信息时，是通过energyplus数据库获取变电站所在地的典型气象年epw文件，并将典型气象年epw文件作为外界气象信息。
[0024]
进一步的，步骤1.3中，在计算变电站建筑典型气象年中空调与排风扇的总耗电量时，是通过在grasshopper/rhino参数化平台上输入获取的几何信息、构造信息、房间温度计划信息人员活动计划信息、外界气象信息以及碳排放因子，再结合honeybee能耗模拟插件调用energyplus引擎来计算的。
[0025]
进一步的，步骤1.4中，在提取变电站建筑的各外围护结构界面的面积信息时，是根据获取的几何信息以及构造信息在grasshopper参数化设计平台中用surface电池提取的。
[0026]
进一步的，步骤1.4中，第i种保温材料的用量mi的计算公式为：
[0027][0028]
式中，ii为第i种保温材料的用量，单位为m3；d
j,i
为第j个外围护结构界面构造中第
i种保温材料的保温材料厚度，单位为m；sj为第j个外围护结构界面的面积，单位为m2。
[0029]
进一步的，步骤2中，选定变电站建筑方案的外围护结构优化设计变量的具体步骤为：
[0030]
步骤2.1，在建筑常用的保温材料中选择一种保温材料作为变电站建筑外围护结构的保温材料，并获得选择的保温材料对应的热工参数以及生产时对应的碳排放因子；
[0031]
步骤2.2，将变电站建筑外围护结构的界面分为若干保温材料厚度相同的界面，并将界面的保温材料厚度作为优化变量。
[0032]
进一步的，步骤3中，调用的遗传算法为galapagos单目优化插件内置的遗传算法。
[0033]
本发明与现有技术相比，其有益效果是：发明公开的以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，能够综合考虑生产阶段以及运行阶段碳排放量，优化外围护结构热工性能与保温材料层厚度，实现全生命周期的低碳绿色效果，对于我国建筑行业节能减排发展具有一定实践意义。
附图说明
[0034]
图1为本发明以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法流程图；
[0035]
图2为本发明的典型变电站建筑三维模型图；
[0036]
图3为本发明的典型变电站建筑单片三维模型图；
[0037]
图4为本发明的典型变电站建筑的负一层平面图；
[0038]
图5为本发明的典型变电站建筑的一层平面图；
[0039]
图6为本发明的典型变电站建筑的二层平面图；
[0040]
图7为本发明的典型变电站建筑的屋面图；
[0041]
图8为本发明的变电站建筑待优化外界图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0043]
实施例1：
[0044]
如图1所示，本发明公开的以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，包括如下步骤：
[0045]
步骤1，收集变电站建筑的几何信息、构造信息、房间温度计划信息、人员活动计划信息、外界气象信息与用电碳排放因子信息，建立综合考虑变电站建筑方案的生产阶段以及运行阶段的碳排放模型；
[0046]
步骤2，选定变电站建筑方案的外围护结构优化设计变量，包括各外围护结构界面的保温材料种类以及各外围护结构界面的保温材料厚度；
[0047]
步骤3，以各种外围护结构界面的保温材料厚度为优化变量，以生产阶段以及运行阶段的碳排放总值最小化为优化目标，调用遗传算法对变电站建筑的外围护结构进行低碳优化，输出各外围护结构界面的保温材料厚度。
[0048]
进一步的，步骤1中，建立生产阶段以及运行阶段的碳排放模型的具体步骤为：
[0049]
步骤1.1，确定生产阶段以及运行阶段的碳排放量作为变电站建筑全生命周期碳
排放量；生产阶段以及运行阶段的碳排放量通常能够占到建筑全生命周期碳排放量的90％左右，本发明采用生产阶段碳排放以及运行阶段碳排放总量代替建筑全生命周期碳排放进行计算，旨在通过优化变电站建筑外围护结构设计达到节能减排的目的；因此，碳排放计算过程中仅考虑与外围护结构相关的部分：首先，生产阶段碳排放仅计算外围护结构材料生产产生的碳排放量，其余建筑部分的材料碳排放不计算在内；其次，运行阶段碳排放仅考虑为调节室内热环境，空调与排风扇工作耗电产生的碳排放，而照明、热水等耗电产生的碳排放不计算在内；此外，变电站建筑的窗墙比数值较小，外窗热工参数对生产阶段的碳排放影响不大，因此外窗优化不在考虑之内；外围护结构外墙与屋面保温材料层厚度的变化对生产阶段以及运行阶段的碳排放影响均较大，是本发明优化设计的因变量；
[0050]
步骤1.2，通过变电站建筑的施工图纸获取建筑的几何信息，并在rhino软件中将如图2所示的三维结构转换成单片模型，如图3所示，再通过施工图纸获得建筑的构造信息、房间温度计划信息以及人员活动计划信息，施工图纸如图4-7所示，再获取变电站所在地的外界气象信息，再获取电网的用电碳排放因子；
[0051]
其中，构造信息包括两种构造的外墙方案，外墙构造方案
①
为地下外墙：由内至外构造分别为300mm钢筋混凝土、15mm水泥砂浆、2mm防水涂料、120mm砖墙、50mmeps保温板；外墙构造方案
②
为地上外墙：由内至外构造分别为240mm钢筋混凝土、12mm水泥砂浆、8mm防水砂浆、30mmxps保温板、15mm水泥砂浆；还包括两种构造形式的屋面方案，屋面构造方案
①
为二楼屋面平台：由下至上构造分别为120mm钢筋混凝土、30mm轻料混凝土、50mmxps保温板、40mm细石混凝土、4mm防水卷材、10mm水泥砂浆、50mm细石混凝土，屋面构造方案
②
为最上层屋顶：由下至上构造分别为120mm钢筋混凝土、20mm水泥砂浆、50mmxps保温板、40mm细石混凝土、4mm防水卷材、10mm水泥砂浆、50mm细石混凝土；还包括六种构造形式的地面方案，地面构造方案
①
为地下电缆层地面：由下至上构造分别为素土夯实、100mm混凝土垫层、20mm水泥砂浆、2mm防水涂料、40mm细石混凝土、400mm钢筋混凝土、160mm轻料混凝土、30mm细石混凝土；地面构造方案
②
为楼梯间地面：由下至上构造分别为150mm碎石垫层、100mm钢筋混凝土、20mm水泥砂浆、10mm地砖；地面构造方案
③
为一层房间除卫生间地面：由下至上构造分别为100mm钢筋混凝土、40mm水泥砂浆、10mm地砖；地面构造方案
④
为二层gis室、走道、资料室地面：由下至上构造分别为100mm钢筋混凝土、150mm轻料混凝土、40mm水泥砂浆、10mm地砖；地面构造方案
⑤
为控制室地面：由下至上构造分别为100mm钢筋混凝土、20mm水泥砂浆、40mm地砖；地面构造方案
⑥
为卫生间：由下至上构造分别为100mm钢筋混凝土、20mm水泥砂浆、1.5mm聚氨酯膜、30mm水泥砂浆、10mm地砖；还包括四种构造形式的内墙构造方案，内墙构造方案
①
为除卫生间、地下室、主变室内墙：由内至外构造分别为基层处理剂一道、12mm水泥砂浆、5mm石灰膏、乳胶漆；内墙构造方案
②
为卫生间内墙：由内至外构造分别为基层处理剂一道、12mm水泥砂浆、6mm食汇砂浆、5mm面砖；内墙构造方案
③
为地下室内墙：由内至外构造分别为基层处理剂一道、15mm水泥砂浆、5mm水泥砂浆、涂料；内墙构造方案
④
为主变室内墙：由内至外构造分别为镀锌钢管、z字龙骨、吸声棉、1.2mm穿孔铝板；
[0052]
房间温度计划信息如下表所示：
[0053]
房间温度计划表
[0054][0055][0056]
人员活动计划信息中的人员密度信息为0.02人/m2，人员活动计划信息如下表所示：
[0057]
周一人员活动信息表
[0058]
时间01234567891011计划000000000111时间121314151617181920212223计划111111110000
[0059]
周二至周日人员活动信息表
[0060]
时间01234567891011计划000000000000时间121314151617181920212223计划000000000000
[0061]
步骤1.3，计算变电站建筑典型气象年中空调与排风扇的总耗电量，再结合变电站建筑使用年限(一般为50年)以及用电碳排放因子建立运行阶段的碳排放计算模型为：
[0062]c运行
＝(e
制冷
+e
制热
+e
风扇
)
×y×
0.5839
[0063]
式中，c
运行
为运行阶段的碳排放，单位为kgco2e；e
制冷
为典型气象年变电站空调制冷耗电量，单位为kwh；e
制热
为典型气象年变电站空调供暖耗电量，单位为kwh；e
风扇
为典型气象年变电站风扇耗电量，单位为kwh；y为变电站建筑使用年限(一般为50年)，单位为年；0.5839为我国目前电网的用电碳排放因子，单位为kgco2/kwh；
[0064]
步骤1.4，提取变电站建筑的各外围护结构界面的面积信息，再结合各外围护结构界面的保温材料厚度以及材料生产对应的碳排放因子建立生产阶段的碳排放计算模型为：
[0065][0066]
式中，c
生产
为变电站建筑外围护结构生产阶段的碳排放，单位为kgco2；mi为第i种保温材料的用量，单位为m3；mfi为第i种保温材料生产对应的碳排放因子，单位为kgco2/m3；具体材料的碳排放因子如下表：
[0067]
所需碳排放因子表
[0068]
材料碳排放因子(kg/m3)混凝土295水泥砂浆367.5砖250xps160eps150,6混凝土配筋303
[0069]
步骤1.5，结合生产阶段的碳排放以及运行阶段的碳排放得到变电站综合碳排放数值为：
[0070]c总
＝c
生产
+c
运行
[0071]
式中，c
总
为总碳排放量，单位为kgco2；c
生产
为生产阶段的碳排放，单位为kgco2；c
运行
为运行阶段的碳排放，单位为kgco2。
[0072]
进一步的，步骤1.2中，在获取变电站所在地的外界气象信息时，是通过energyplus数据库获取变电站所在地的典型气象年epw文件，并将典型气象年epw文件作为外界气象信息。
[0073]
进一步的，步骤1.3中，在计算变电站建筑典型气象年中空调与排风扇的总耗电量时，是通过在grasshopper/rhino参数化平台上输入获取的几何信息、构造信息、房间温度计划信息、人员活动计划信息、外界气象信息以及碳排放因子，再结合honeybee能耗模拟插件调用energyplus引擎来计算的。
[0074]
进一步的，步骤1.4中，在提取变电站建筑的各外围护结构界面的面积信息时，是根据获取的几何信息以及构造信息在grasshopper参数化设计平台中用surface电池提取的。
[0075]
进一步的，步骤1.4中，第i种保温材料的用量mi的计算公式为：
[0076][0077]
式中，mi为第i种保温材料的用量，单位为m3；d
j,i
为第j个外围护结构界面构造中第i种保温材料的保温材料厚度，单位为m，具体的保温材料厚度由构造信息获知；sj为第j个外围护结构界面的面积，单位为m2。
[0078]
进一步的，步骤2中，选定变电站建筑方案的外围护结构优化设计变量的具体步骤为：
[0079]
步骤2.1，依据工程实践经验与市场情况在建筑常用的保温材料中选择一种保温材料作为变电站建筑外围护结构的保温材料，并获得选择的保温材料对应的热工参数以及生产时对应的碳排放因子，本实例选用eps保温板作为地下外墙的保温材料，xps保温板作为地上外墙的保温材料，xps保温板作为屋面的保温材料；
[0080]
步骤2.2，将变电站建筑外围护结构的界面分为若干保温材料厚度相同的界面，并将界面的保温材料厚度作为优化变量，具体外围护结构的界面划分如图8所示，共包括28种保温厚度变量。
[0081]
进一步的，步骤3中，调用的遗传算法为galapagos单目优化插件内置的遗传算法，调用的遗传算法以不同界面保温材料层厚度(d
地下
、d
东向1
、d
东向2
、d
东向3
、d
东向4
、d
东向5
、d
西向1
、d
西向2
、d
西向3
、d
西向4
、d
南向1
、d
南向2
、d
南向3
、d
南向4
、d
南向5
、d
南向6
、d
南向7
、d
北向1
、d
北向2
、d
北向3
、d
北向4
、d
北向5
、d
屋面1
、d
屋面2
、d
屋面3
、d
屋面4
、d
屋面5
、d
屋面6
)为优化变量。
[0082]
步骤3中，遗传算法优化后碳排放量为892652kgco2，对应的保温层厚度以10mm为最小单位计量后分别为d
地下
＝80mm、d
东向1
＝40mm、d
东向2
＝40mm、d
东向
3＝40mm、d
东向
4＝40mm、d
东向
5＝40mm、d
西向1
＝40mm、d
西向
2＝40mm、d
西向
3＝40mm、d
西向
4＝40mm、d
南向
1＝40mm、d
南向
2＝40mm、d
南向
3＝40mm、d
南向4
＝40mm、d
南向5
＝60mm、d
南向6
＝60mm、d
南向7
＝60mm、d
北向1
＝40mm、d
北向2
＝40mm、d
北向3
＝40mm、d
北向4
＝40mm、d
北向5
＝60mm、d
屋面1
＝80mm、d
屋面2
＝80mm、d
屋面
3＝80mm、d
屋面
4＝80mm、d
屋面
5＝80mm、d
屋面6
＝130mm。
[0083]
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

技术特征：
1.一种以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，收集变电站建筑的几何信息、构造信息、房间温度计划信息、人员活动计划信息、外界气象信息以及用电碳排放因子信息，建立综合考虑变电站建筑方案的生产阶段以及运行阶段的碳排放模型；步骤2，选定变电站建筑方案的外围护结构优化设计变量，包括各外围护结构界面的保温材料种类以及各外围护结构界面的保温材料厚度；步骤3，以各种外围护结构界面的保温材料厚度为优化变量，以生产阶段以及运行阶段的碳排放总值最小化为优化目标，调用遗传算法对变电站建筑的外围护结构进行低碳优化，输出各外围护结构界面的保温材料厚度。2.根据权利要求1所述的以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，其特征在于，步骤1中，建立生产阶段以及运行阶段的碳排放模型的具体步骤为：步骤1.1，确定生产阶段以及运行阶段的碳排放量作为变电站建筑全生命周期碳排放量；步骤1.2，通过变电站建筑的施工图纸获取建筑的几何信息、构造信息、房间温度计划信息以及人员活动计划信息，再获取变电站所在地的外界气象信息以及电网的用电碳排放因子；步骤1.3，计算变电站建筑典型气象年中空调与排风扇的总耗电量，再结合变电站建筑使用年限以及用电碳排放因子建立运行阶段的碳排放计算模型为：c
运行
＝(e
制冷
+e
制热
+e
风扇
)
×
y
×
0.5839式中，c
运行
为运行阶段的碳排放；e
制冷
为典型气象年变电站空调制冷耗电量；e
制热
为典型气象年变电站空调供暖耗电量；e
风扇
为典型气象年变电站风扇耗电量；y为变电站建筑使用年限；0.5839为电网的用电碳排放因子；步骤1.4，提取变电站建筑的各外围护结构界面的面积信息，再结合各外围护结构界面的保温材料厚度以及材料生产对应的碳排放因子建立生产阶段的碳排放计算模型为：式中，c
生产
为变电站建筑外围护结构生产阶段的碳排放；m
i
为第i种保温材料的用量；mf
i
为第i种保温材料生产对应的碳排放因子；步骤1.5，结合生产阶段的碳排放以及运行阶段的碳排放得到变电站综合碳排放数值为：c
总
＝c
生产
+c
运行
式中，c
总
为总碳排放量，单位为kgco2；c
生产
为生产阶段的碳排放，单位为kgco2；c
运行
为运行阶段的碳排放，单位为kgco2。3.根据权利要求1所述的以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，其特征在于，步骤1.2中，在获取变电站所在地的外界气象信息时，是通过energyplus数据库获取变电站所在地的典型气象年epw文件，并将典型气象年epw文件作为外界气象信息。4.根据权利要求2所述的以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，其特
征在于，步骤1.3中，在计算变电站建筑典型气象年中空调与排风扇的总耗电量时，是通过在grasshopper/rhino参数化平台上输入获取的几何信息、构造信息、房间温度计划信息、人员活动计划信息、外界气象信息以及碳排放因子，再结合honeybee能耗模拟插件调用energyplus引擎来计算的。5.根据权利要求2所述的以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，其特征在于，步骤1.4中，在提取变电站建筑的各外围护结构界面的面积信息时，是根据获取的几何信息以及构造信息在grasshopper参数化设计平台中用surface电池提取的。6.根据权利要求2所述的以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，其特征在于，步骤1.4中，第i种保温材料的用量m
i
的计算公式为：式中，m
i
为第i种保温材料的用量，单位为m3；d
j,i
为第j个外围护结构界面构造中第i种保温材料的保温材料厚度，单位为m；s
j
为第j个外围护结构界面的面积，单位为m2。7.根据权利要求1所述的以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，其特征在于，步骤2中，选定变电站建筑方案的外围护结构优化设计变量的具体步骤为：步骤2.1，在建筑常用的保温材料中选择一种保温材料作为变电站建筑外围护结构的保温材料，并获得选择的保温材料对应的热工参数以及生产时对应的碳排放因子；步骤2.2，将变电站建筑外围护结构的界面分为若干保温材料厚度相同的界面，并将界面的保温材料厚度作为优化变量。8.根据权利要求1所述的以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，其特征在于，步骤3中，调用的遗传算法为galapagos单目优化插件内置的遗传算法。

技术总结
本发明公开了一种以低碳为导向的变电站建筑外围护结构优化设计方法，步骤包括：收集变电站建筑的各种信息，建立生产阶段与运行阶段的碳排放模型；选定变电站建筑方案的外围护结构优化设计变量；以外围护结构界面的保温材料厚度为优化变量，以生产阶段以及运行阶段的碳排放总值最小化为优化目标，调用遗传算法对变电站建筑的外围护结构进行低碳优化，输出各外围护结构界面的保温材料厚度。该优化设计方法能够综合考虑生产阶段与运行阶段碳排放量，优化外围护结构热工性能与保温材料层厚度，实现全生命周期的低碳绿色效果，对于我国建筑行业节能减排发展具有一定实践意义。业节能减排发展具有一定实践意义。业节能减排发展具有一定实践意义。


技术研发人员：黄峥 吴静云 刘浩 丁静鹄 鄢博 陈俊杰
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司经济技术研究院
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/24