基于安全系数法的零能耗建筑能量系统的设计理论与方法

Zero energy buildings are a kind of extremely sensitive buildings, in which the building thermal environmental control is largely affected by the design of energy systems. Both the climate zone and local electricity strategy have significant effect on the design and control of the building energy systems. This project aims to propose a design optimization method based on safety factor for zero energy buildings by adopting deterministic method, uncertainty method and sensitivity analysis, which can provide the reliability performance of different design options. Building the models of zero energy buildings as well as energy systems and validating these models using the on-site monitoring data in Hong Kong zero carbon building, optimal control strategy of energy systems in the dynamic electricity pricing will be investigated, followed by establishing mathematical model for design optimization considering optimal control strategy. A single objective optimization using Genetic Algorithm and a multi-objectives optimization using Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) will be employed to search the optimal design options. The project also plans to conduct quantitative analysis using Mento Carlo to investigate the fluctuation of building performance (e.g. cost, reliability) considering uncertain parameters. Impact of uncertain parameters on the choosing of safety factor will be explored using sensitivity analysis. Then, the benchmark of determining safety factor values for different energy systems will be analyzed. This project contributes to the development of design optimization by introducing safety factor into the design stage for zero energy buildings, which also assists in establishing the foundation and theory for zero energy buildings robust design.

零能耗建筑是一类极其“敏感”的建筑，其能量系统的优化设计是建筑热环境控制的重要研究内容之一。不同气候区和即将普及的动态电价对其能量系统的选择和运行可靠性均有着重要的影响。本项目在实现零能耗目标的基础上，研究不确定性设计参数对建筑能量系统设计的影响规律，旨在提出一种基于安全系数法的零能耗建筑能量系统的设计理论和方法。首先建立零能耗建筑及能量系统模型并验证模型的准确性，在此基础上研究实时动态电价下的系统优化控制策略，进而建立基于优化控制策略的优化设计数学模型。采用蒙特卡洛法分析各参数的不确定性及不同分布对零能耗建筑性能（成本、可靠性等）的影响，寻找参数的不确定性对安全系数取值的影响规律。研究设计过程中安全系数的取值与零能耗建筑可靠性的关系，分析不同组合系统的安全系数取值范围及取值基准，从而为零能耗建筑的设计规范的制定提供理论依据。

零能耗建筑是一类极其“敏感”的建筑，其能量系统的优化设计是建筑热环境控制的重要研究内容之一。本项目在实现零能耗目标的基础上，研究不确定性设计参数对建筑能量系统设计的影响规律，旨在提出一种基于安全系数法的零能耗建筑能量系统的设计理论和方法。主要从以下几个内容展开：.(1) 以香港零碳建筑为平台，对零能耗建筑设计与运行特性进行分析；.(2) 基于确定性设计方法的零能耗建筑能量系统的优化设计研究；.(3) 基于不确定性设计方法的零能耗建筑能量系统的优化设计研究；.(4) 并网型零能耗建筑的供能系统优化设计及其敏感性分析；.(5) 离网型零能耗建筑的供能系统优化设计及其敏感性分析；.(6) 安全系数法基本模型的提出；.(7) 基于安全系数法的零能耗建筑奖惩函数的设计及其参数的确定；.(8) 安全系数法下零能耗建筑系统可靠性分析.通过对中国五个典型气候区城市：北京、乌鲁木齐、上海、昆明和广州的建筑能耗和不同安全系数法下的PV尺寸对比，得到各地区零能耗建筑不同安全系数选择下的成本回收期同时光伏板价格是影响回收期最大的参数。基于安全系数引入奖惩成本可大大降低零能耗建筑的总成本，对三种情况下（i.e., 无奖惩成本、奖惩成本1、奖惩成本2）的建筑总成本与安全系数的关系进行了研究，拟合得到的公式可为建筑用户设计选型提供参考依据。本项目有助于决策者和建筑用户认清零能耗建筑不同设计方案的区别，为其选择合适的安全系数提供科学的决策依据；为政府部门进一步制定有效可行的零能耗建筑策略提供科学依据，同时也对未来实现建筑节能与环境保护的协调发展具有重要意义。