山东农业大学学报(自然科学版),2020,51(2):347-351 Journal of Shandong Agricultural University ( Natural Science Edition ) VOL.51 NO.2 2020 doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2020.02.032 内蒙古西部草原民居建筑节能多目标优化模型构建 金国辉 1,2,魏 雪 1*,张伟健 3 1. 内蒙古科技大学 土木工程学院, 内蒙古 包头 014010 2. 西部绿色建筑国家重点实验室/西安建筑科技大学, 陕西 西安 710043 3. 中电联电力发展研究院有限公司 电源造价部, 北京 100053 摘 要: 为了保证内蒙古西部草原民居建筑室内热舒适性的同时，降低采暖能耗，节约成本，本文以室内热舒适性、 采暖能耗、工程造价作为建筑节能的优化目标。首先，选取 10 个建筑节能优化目标的主要影响因素，以此作为优化 变量。其次，对 10 个优化变量的不同取值进行方案设计，得到 507 组实验方案，利用 DesignBuilder 软件进行模拟计 算，模拟计算的结果作为 BP 神经网络的训练样本和测试样本，建立 BPNN 的预测模型，并将其作为多目标优化的适 应度函数。最后，利用人工蜂群算法建立多目标优化模型，并进行多目标优化。 关键词: 内蒙古; 草原民居; 建筑节能; 模型构建 中图法分类号: TU17 文献标识码: A 文章编号: 1000-2324(2020)02-0347-05 Multi-objective Optimization Model Building for Energy Saving of Grassland Residential Buildings in Western Inner Mongolia JIN Guo-hui1,2, WEI Xue1*, ZHANG Wei-jian3 1. School of Civil Engineering/Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China 2. State Key Laboratory of Green Buliding in Western China, Xian University of Architecture & Technology, Xi’an 710043, China 3. China Electric Power Development Research Institute Co Ltd, Beijing 100053, China Abstract:In order to ensure indoor thermal comfort of grassland residential buildings in western Inner Mongolia and reduce heating energy consumption and save cost, this paper takes indoor thermal comfort, heating energy consumption and engineering cost as the optimization objectives of building energy saving. First of all, 10 main influencing factors of building energy efficiency optimization objectives are selected as optimization variables. Secondly, the different values of 10 optimization variables are designed to get 507 groups of experimental schemes. The DesignBuilder software is used to simulate and calculate. The simulation results are used as training and test samples of BP neural network, and the prediction model of BPNN is established. It is used as the fitness function of multi-objective optimization. Finally, the artificial bee colony algorithm is used to set up the multi-objective optimization model and carry on the multi-objective optimization. Keywords: Inner Mongolia; residential buildings in west grassland; building energy saving; model construction 近年来，随着草原上牧民生活水平的提高，人们对室内热舒适的要求也逐渐提高，但由于草原 民居建筑普遍存在建筑构造粗糙、热工性能差、牧民节能意识薄弱等问题，使得草原民居建筑基本 处于采暖能耗高和热舒适性差的状态。因此，在保证室内舒适性的前提下，降低建筑采暖能耗，节 约成本，是草原民居建筑节能优化追求的最终目标。 建筑节能优化目标主要包括建筑采暖能耗、室内热舒适性、工程造价三个方面，然而要想室内 达到满意的热舒适性，必然会导致建筑采暖能耗的增加。以建筑节能为出发点，降低采暖能耗，提 高围护结构的热工性能，建筑的经济性会有所提高。建筑节能的三个优化目标之间存在着相互影响、 相互制约的关系，可以看作是一个多目标优化问题[1]。建筑节能多目标优化问题的相关研究很多， 吴迪[2]等以能耗、夏季热舒适性和经济性作为优化目标，利用 NAGA-II 算法建立多目标优化模型， 得出优化方案。范旭红[3]等以采光、能耗、室内空气质量和使用者主观需求为优化目标，确定村镇 房屋窗户的大小。上述研究，适应度函数都是建立的数学模型，但是在实际的研究中，影响因素与 建筑节能优化目标之间存在着复杂的映射关系，BP 神经网络具有较强的非线性映射能力，可以联系 收稿日期: 2018-06-28 修回日期: 2018-12-25 基金项目: 国家自然科学基金(51768053、51668051);内蒙古自然科学基金(2016MS0516、2017MS(LH)0532);西部绿色 建筑国家重点实验室培育基地开放研究基金(LSKF201803) 作者简介: 金国辉(1965-),男,硕士,教授,研究方向:建筑节能与绿色建筑. E-mail:jinguohuimba@163.com *通讯作者:Author for correspondence. E-mail:weixue907871352@163.com 网络首发:http://www.cnki.net ·348· 山东农业大学学报(自然科学版) 第 51 卷 影响因素与建筑节能优化目标之间的映射关系，以此作为适应度函数[4]。在建筑节能领域已有相关 研究，喻伟[5]等以重庆地区典型建筑为例，采用遗传算法优化 BP 神经网络的方法，建立预测模型， 并以此作为适应度函数，再利用多目标遗传算法进行多目标优化。陈煜琛[6]等以建筑能耗和舒适度 为优化目标，建立 BP 神经网络预测模型，以此作为适应度函数，再利用 NAGA-II 算法进行多目标 优化，得到建筑能耗和舒适度的 Pareto 最优解集。孙澄和韩昀松以建筑能耗、热环境不舒适时间百 分比、全天然采光百分比、有效天然采光照度时间百分比四者作为优化目标，对严寒地区办公建筑 形态节能进行研究，建立 BP 神经网络预测模型，以此作为适应度函数，再进行多目标优化[7]。解决 多目标优化问题的方法有很多，在建筑节能领域采用多目标遗传算法的研究相对较多，利用多目标 人工蜂群算法的相关研究还相对较少，根据东北大学李云彬对多目标人工蜂群算法的研究与应用， 并与多目标遗传算法进行了比较，得出多目标人工蜂群算法比其他算法在解决多目标优化问题有一 定的优势[8]。所以，本文采用具有全局迭代和局部搜索能力的人工蜂群算法进行多目标优化。 1 多目标优化方法 1.1 BP 神经网络算法 BP（Back propagation）神经网络是一种误差反向传播学习算法，1986 年由 Rumelhart DE 等人 提出，是目前应用最广泛和较成熟的神经网络模型之一。BP 神经网络包括前向传播和误差的反向传 播两个过程，即预测实际输出是按从输入到输出的方向进行，而权值和阈值的修正是按从输出到输 入的方向进行。BP 神经网络模型拓扑结构如图 1 所示，包括输入层、隐含层、输出层。各神经元与 下一层所有的神经元联结，同层各神经元之间无联结，用箭头表示信息的流动。 图 1 三层 BP 神经网络的拓扑结构 Fig. 1 Topological structure of three-layer BP neural network 1.2 多目标人工蜂群算法 多目标优化方法包括传统算法和进化算法，由于传统优化算法对适应度函数要求是线性、连续、 可导的，导致很多复杂的实际问题很难解决。进化算法中采用遗传算法、粒子群算法等解决多目标 问题的研究较多，人工蜂群算法是一种新型的群体智能算法，具有全局迭代局部寻优的特点，解决 多目标优化问题具有一定的优势。 2 内蒙古西部草原民居建筑节能模拟研究 2.1 模型建立 本文将位于内蒙古西部严寒地区的额济纳旗一普通草原民居建筑作为研究对象，建筑为单层建 筑，朝向取正南方向。房屋东西距离为 13.5 m，南北距离为 9 m，层高 3 m，屋顶为双坡屋顶，总建 筑面积 121.5 m2。模型总体情况如图 2 所示。 (a) 模型俯视图 Overlooking model (b) Design Builder 模型 Model of Design Builder 图 2 模拟民居建筑模型 Fig.2 Simulating model of residential building 第2期 2.2 金国辉等:内蒙古西部草原民居建筑节能多目标优化模型构建 ·349· 初始参数设置 根据《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824-2013）对严寒地区居住建