基于PSO的农村建筑节能优化

可持续性

文章基于粒子群优化的中国夏热冬暖地区农村建筑被动式优化设计

1. 引言

由于全球气温显著上升，气候变化在最近几十年变得更加明显[1]。相应地，许多国家和政府已采取措施以减少气候变暖带来的不利影响[2]。在全球范围内，建筑业消耗了40%的总能源产量，产生所有固体废物的30%至40%，并排放35%至40%的CO₂[3,4]。绿色建筑（GB）作为一种最大限度减少建筑物对环境影响、实现可持续发展的解决方案，已获得广泛支持[5]。

发展绿色建筑是解决中国建筑业环境问题的重要途径。随着绿色建筑的普及，建筑业开始从高资源消耗产业转变为低环境影响的产业[6]。中国第十二个“五年计划”着重于推广绿色发展概念，提高节能技术标准，实现城乡建设模式的科学转型[7]。第十三个“五年计划”仍将节能建筑和绿色建筑的发展作为重点。此外，根据规定，新建城市民用建筑将全面满足节能标准要求，到2020年实现城市绿色建筑占新建建筑的50%[8]。中国的绿色建筑全部分布在城市和城镇，但目前中国仍是一个农业大国，农村人口约占总人口的43.9%[9]。中国农村地区的住房建筑面积总计约278亿平方米，约占全国总量的65%[10]，因此农村建筑的节能工作也尤为重要。此外，由于大多数研究人员集中在大学，缺乏适当的技术指导和政策支持，针对中国农村地区的节能技术指导或标准仍然非常匮乏。几乎所有中国的现有节能标准都是针对城市建筑[11]。随着经济发展，人们对室内热环境的需求相应增加，建筑能耗所占比例也在上升[12]。因此，农村建筑也应采取措施逐步向绿色建筑靠拢。但目前农村地区的节能设计与改造仍在盲目照搬城市居住标准，农村住宅建设始终是农民的个体行为，很少考虑节能设计[10]。与发达国家相比，中国的建筑节能工作起步较晚，尤其是在小城市和农村地区。本文基于对部分农村地区的调研总结出，农村住宅建筑主要呈现以下特点：仅有7%的农民采取了屋顶保温措施，约60%的建筑物没有遮阳装置，建筑朝向混乱。详见第2.1节。

节能研究应结合当地的自然气候条件和资源条件[13]。建筑能效主要体现在两个方面：主动节能设计和被动节能设计。前者存在于建筑施工的后期，主要目的是提高能源效率，包括安装设备、照明系统、暖通空调系统（HVAC）[14]。后者存在于建筑施工的早期阶段，主要目的是降低建筑的能源需求[15]。其中，建筑围护结构和体型系数的影响不容忽视[16–20]。被动式设计在不同的绿色建筑评价标准中占较大比例。（如图1所示）。绿色建筑设计过程要求项目团队始终关注建筑在能源效率、材料使用、室内环境质量等方面的表现。若在设计初期就采取措施，将用更少的资源对这些方面产生重大影响。主要的被动式设计参数可分为引言中提到的四类：建筑布局、围护结构热物理、建筑几何以及渗透与气密性[21–24]。此外，这些策略还可进一步细化，如图2所示。其变化范围根据当地建筑实践和工程经验确定[25–27]。例如，窗户传热系数（U值）的最大可能值由EnergyPlus生成的玻璃有效上限决定，而最大外部遮挡角（定义为窗台高度处的水平线与建筑物前方障碍物最高点连线之间的夹角[24–26]）则是根据香港建筑条例假设典型建筑高度为100米、最小道路宽度为5米推导得出[28]。

不同研究采用不同的能耗评估指标，大多数使用热负荷、冷负荷或全年空调负荷[29–31]。此外，还有一些典型指标，如EC、峰值设计负荷和负荷分布[32,33]。

为解决能耗问题，该模拟软件操作简单便捷，为被动节能优化设计提供了研究基础。这些模拟工具的可靠性已通过多项研究[34–43]进行了检验并得到证实。例如，Ya¸sa [44]开展的一项研究利用CFD软件（ANSYS，美国），分析了7种不同庭院形状对湿热、干热和寒冷气候区室内热舒适性及能耗的影响，以及在不同庭院形状下太阳辐射吸收和太阳运动对建筑表面及建筑物热性能的影响。N 萨达菲等人[9]测试了庭院利用Ecotect软件（SquareOne，英国）对热带气候区平房的热性能进行研究。

关于住宅的现有研究表明，大量学者从不同角度对不同气候区的现有住宅建筑进行了一系列有针对性且深入的研究，但涉及暖湿气候区农村住宅建筑的研究较少。此外，大多数研究仅分析了单一因素对能耗的影响。赛义代扎赫拉·米尔拉希米等人开展的一项研究[19]表明，遮阳装置、外墙、屋顶和外窗玻璃保温等各类建筑构件与降低能耗之间存在密切关系。本文以中国福建省泉州市典型农村住宅为例，旨在综合分析被动式设计参数（包括建筑体型系数、围护结构热工参数、遮阳措施和自然通风）与能耗之间的定量关系，有助于实现节能与舒适性目标，可为新农村建设及现有农村建筑的节能改造提供指导。

本文分为5个部分。第2部分描述了模拟中使用的方法论、实地调查结果以及不同的影响因素。结果在第3部分中呈现，随后是第4部分的讨论。结论在第5部分中给出。

2. 研究方法

2.1. 实地调查

通过实地调查，可以了解典型农村住宅的特点及能源使用现状，为研究提供依据。因此，作者对中国福建省泉州市三个村庄的30户农村家庭进行了调查。

由于经济水平的限制以及台风等恶劣天气的影响，加之相关部门缺乏专业指导、监督与管理，建筑施工中存在诸多需要改进的地方。

当地农舍的主要特点如下：
(1) 大多数建筑物沿街道建造。66%的建筑朝向大致为南北，其余为东西。
(2) 建筑围护结构的保温性能较差。大多数墙体采用240毫米厚实心粘土砖，传热系数(K)较大。多数房屋采用刚性水泥平屋顶，缺乏必要的保温措施，导致顶层温度明显偏高。大部分外窗(Ew)为单层玻璃窗，遮阳性能差。
(3) 外窗很少配置必要的外部遮阳构件，绝大多数遮阳形式为窗帘。因此太阳得热量较大。
(4) 热舒适性调查结果如图3所示。近90%的居住者在夏季感到炎热；超过一半的居住者在过渡季节感觉较为舒适，但仍有近30%感到炎热；冬季近一半居住者感觉较为舒适，近30%感到寒冷。
(5) 大多数住宅设有庭院，以增强自然通风。
(6) 电力是主要能源形式，其中制冷能耗占比最大。电器使用情况见表1。制冷设备主要包括空调和风扇。
(7) 该地区使用的能源包括电力、天然气和煤炭，其中电力消耗约占90.9%。根据市场统计数据，非空调季节的电力成本分布如图4所示。空调季节的平均用电量是非空调季节的2–3倍。尽管能源消耗较高，但热舒适性相对较差。如何在确保室内热舒适性的前提下降低能耗是研究的重点。

家用电器	计算机	空调	Fan	TV	洗衣机
户均数量	0.70	1.52	2.78	1.57	0.61

家用电器	冰箱	电磁炉	电饭锅	电热水器
户均数量	1.43	1.30	1.17	1.00

2.2. 仿真模型

根据上述研究成果，随着经济水平的提高，农村地区的单层住宅已逐渐被淘汰，双层住宅(TB)和三层住宅(THB)逐渐增多。因此，本研究基于这两种建筑类型。TB和THB具有相同的布局和尺寸。其基本信息为：总高度分别为7.8米和11.7米；建筑面积分别为331.8 m²和497.7 m²；空调面积分别为136.08 m²和204.13 m²。三维体模型和平面图可参见图5。该建筑采用美国能源部和劳伦斯伯克利国家实验室开发的EnergyPlus软件（8.1版本）进行建模。

基于非稳态传热原理，采用响应系数法计算建筑的动态负荷。该方法考虑了围护结构对外界温度的衰减和延迟效应，因此能够准确模拟建筑的动态负荷和能耗。EnergyPlus的核心是空气热平衡方程的计算区域，其具体形式如下[45]：

$$
-\sum_{i=1}^{N} \left(q_{i,c} A_i + Q_{\text{other}} + G_a c_p(T_a - T_{\text{out}}) + Q_{\text{heat-extra}}\right) = \rho V C_p \frac{dT}{dt}
$$

其中：
- $q_{i,c}$—对流换热，W/m²；
- $N$—围护结构表面数量；
- $A_i$—围护结构表面的实际传热面积，m²；
- $Q_{\text{other}}$—由太阳辐射、设备、照明及人员散热对流段和水蒸发引起的潜热，W；
- $Q_{\text{heat-extra}}$—需要排出的热量，W；
- $G_a$—新风与渗透风量之和，kg；
- $c_p$—空气定压比热容，W/(kg·K)；
- $T_a$—室外空气温度，K。

2.2.1. 气象数据

位于中国南部的夏热冬暖地区（SWWZ）是中国节能工作的新重点。该地区人口约1.5亿，生活水平相对较高，国内生产总值（GDP）占全国的17.4%。根据一月份的月平均气温（11.5 °C），该区域被划分为两个子区域。北部地区的建筑物不仅需要考虑夏季空调，还需要考虑冬季供暖；而南部地区的建筑物仅需考虑夏季空调。泉州位于福建省东南沿海，属于亚热带海洋性季风气候，该地区的建筑热工分区类型为夏热冬暖。由于泉州缺乏典型气象年中的气象数据，因此采用与泉州气候相似的厦门地区的气象数据代替。图6给出了厦门市测试参考年（TRY）天气数据的相关信息。

干球温度；(b) 相对湿度；(c) 直接法向辐射；(d) 散射水平辐射)

2.2.2. 围护结构参数

根据“福建省住宅建筑节能设计标准”的设计标准[46]，结合当地资源条件，模型围护结构的初始参数如表2所示。

Name	结构	TT/m	传热系数K/瓦特/(米²·开尔文)
EW	CM (20 mm) ACHB (190 mm) CM (20 mm)	0.230	1.655
Roof	MRT (30 mm) FAC (40 mm) EPS (30 mm) RC (110 mm) BP (25 mm) EPB (35 mm) CM (20 mm)	0.240	0.695
Ew	AW	-	2.822

2.2.3. 人员占用、设备和照明系统

表3列出了与人员占用、设备和照明系统相关的内部负荷。所有假设值均基于中国住宅建筑规范[47]以及调查结果。根据当地农民的生活习惯和地区发展情况，人员占用和照明利用率如图7所示。

通过研究结果可知，当地居民通常仅在白天使用自然采光。此外，该地区的自动控制系统相对落后。因此，照明系统的使用仅有两种模式：0 和 1（其中 0 表示全部关闭，1 表示全部开启）。照明系统的利用率在工作日和周末相同。代谢率根据各环境中的活动强度确定，其取值依据为 ASHRAE 标准 55[48]。考虑平均皮肤面积为 1.80 m²，各房间的代谢率定义如下：每个卧室为 81 W；客厅为 108 W；厨房为 171 W。当厨房中有超过一人时，其中一人的代谢率设为 171 W，其余人员则设为 108 W。

名称	销售	厕所	卧室	客厅	厨房	故事
人员 (p)	8	2	2	4	2	1
照明 (W/m²)	6	2	3	4	4	2
电气设备 (W)	170	0	80	70	350	0

2.2.4. 空调系统设置

根据标准[46,49]，夏热冬冷地区住宅建筑的节能设计仅考虑夏季空调。根据居住者的需求、房间功能及能源使用习惯，将食堂和卧室设为制冷房间。

分体式空调是中国农村最常用的类型。在本研究中，空调被建模为整体式终端热泵（PTHP）系统。根据标准[50]，制冷温控器设定为 26 °C。根据标准，制冷性能系数（COP）为3.0瓦/瓦。空调房间的空气渗透率为1次/小时。无空调设施房间的通风频率为5次/小时。空调运行时间表见表4。结合当地气候条件，每年的制冷时间设定为5月15日至10月15日。

房间名称	制冷时间
食堂	9:00–21:00
卧室	12:00–14:00；20:00–24:00
### 2.3. 粒子群优化算法
粒子群优化算法由肯尼迪博士和埃伯哈特博士提出[51,52]，是一种进化算法。它从一个随机解开始，然后通过迭代方法寻找最优解，最后使用适应度评估解的质量。该算法可以求解自变量为连续变量、离散变量或同时包含连续变量和离散变量的优化问题。具有易于实现、收敛速度快和精度高的优点。粒子群优化算法源于对鸟类捕食行为的研究，模拟鸟类的觅食行为。假设在搜索区域内只有一块食物，且所有鸟都不知道食物的确切位置，但它们可以根据食物搜索当前位置。粒子群优化算法利用这种“仿生学”原理，从该模型中获得启发，并用于解决实际工程中的优化问题。关于粒子群算法的详细内容，请参见文献[51,52]。

假设种群的粒子数量为N，搜索Q维（即每个粒子的维度）。每个粒子表示为Xi=(Xi1, Xi2, Xi3… XiQ)，每个粒子对应的速度可表示为Vi=(Vi1, Vi2, Vi3… ViQ)。此外，每个粒子在其搜索过程中需考虑两个因素：
1. 搜索最优历史值Pi;
Pi=(Pi1, Pi2… PiQ), i= 1, 2, 3… N
2. 所有粒子搜索到的最优值，PG，PG=(PG1，PG2… PGQ)，注意此处仅有一个PG。

粒子群算法的位置和速度更新公式如下所示：
$$
v_{i}^{k+1} = \omega v_{i}^{k} + c_1 \times \text{rand()} \times (pbest - x_{i}^{k}) + c_2 \times \text{rand()} \times (gbest - x_{i}^{k})
$$
$$
x_{i}^{k+1} = x_{i}^{k} + a v_{i}^{k+1}
$$
其中，“ω”是保持原有速度的系数，因此称为惯性权重。“c1”是粒子追踪自身历史最优值的权重系数，表示粒子自身的知识，因此称为“认知”，通常设为2。“c2”是群体最优的权重系数，表示粒子对整个群体的知识，因此称为社会知识，也常称为“社会”，通常设为2。“rand()”是在[0, 1]区间内均匀分布的随机数。“a”是在更新位置时加到速度上的一个因子，该因子称为约束因子，通常设为1。

2.4. EnergyPlus与GenOpt耦合

GenOpt优化软件与EnergyPlus模拟软件耦合，以减少模拟的工作量。针对此类研究变量（包括离散变量和连续变量）以及优化算法的应用范围，本研究在GenOpt软件中采用粒子群优化（PSO）算法对影响能耗的因素进行优化。GenOpt软件与EnergyPlus软件之间的逻辑关系如图8所示。

2.5. 被动式设计

2.5.1. 形状参数

在建筑设计初期，需要考虑建筑形体参数，包括长度、宽度和长宽比（LWR）。事实上，农村住宅所占用的面积通常是固定的，因此本文仅在建筑面积不变的情况下分析长宽比（LWR）。

窗户面积直接影响太阳辐射得热量，这是影响夏热冬冷地区的制冷负荷。长宽比和窗墙比设置为变量。参数范围及最优步长如表5所示。

变量	初始值	最小值	最大值	Step算法
LWR	1.5	0.3	3.0	0.1参数化运行
WFR（TB）	0.253	0.103	0.404	0.030参数化运行
WFR（THB）	0.265	0.104	0.426	0.032参数化运行

2.5.2. 围护结构参数

在泉州，住宅建筑注重保温、遮阳和通风，大多表现出轻质、透明的建筑特征以及外封闭内开敞的建筑模式。

1. 外墙和屋顶的热工特性
   保温材料的类型和厚度会影响传热系数(K)。福建省内广泛使用的保温材料及其主要性能如表6所示。厚度范围、离散度和最优步长如表7所示。

Type	IM密度 (kg/m³)	K (瓦特/(米·开))	S (焦耳/(千克·开))
EW EPS	24	0.035	1210
EP	16	0.052	1260
GIM	64	0.046	960
ACHB	650–750	0.53	–
Roof EPB	29	0.029	1210
EP	16	0.052	1260
EPS	24	0.035	1210
EPB	29	0.029	1210

Name	IM厚度范围（米）	离散度（米）	Step
EW PB	0–0.06	0.005	12
EP	0–0.06	0.005	12
ACHB	0–0.24	0.02	12
GIM	0–0.06	0.005	12
roof ——	0–0.15	0.01	14

2. 外窗热工特性
   外窗的得热量占围护结构总得热量的40–50%。评价外窗热性能的主要参数有两个：传热系数K（W/m²·K）和太阳得热系数（SHGC）。在建筑围护结构热工设计标准中[54]，北区主要关注外窗的K值，而南区则侧重于SHGC。保持外窗和屋顶的参数如表1所示。共选用了11种外窗类型。1–5号的SHGC相近，但K值不同；5–9号的K值相同，但SHGC不同；10号是目前普遍采用的外窗形式；11号是当前夏热冬暖气候区更受重视的一种新型节能窗。表8列出了不同类型外窗的主要参数。

数量	Form	传热系数K(瓦特/(米·开))	SHGC
1	玻璃（3毫米） 空气（6毫米） 玻璃（3毫米 无色透明普通玻璃）	3.172	0.762
2	玻璃（3毫米） 空气（12毫米） 玻璃（3毫米 无色透明普通玻璃）	2.741	0.763
3	玻璃（3毫米） 空气（15毫米） 玻璃（3毫米 无色透明普通玻璃）	2.725	0.764
4	玻璃（3毫米） 空气（16毫米） 玻璃（3毫米 无色透明普通玻璃）	2.717	0.764
5	玻璃（3毫米） 空气（9毫米） 玻璃（3毫米 无色透明普通玻璃）	2.883	0.763
6	玻璃（3毫米） 空气（9毫米） 玻璃（3毫米 灰色吸热镀膜玻璃）	2.883	0.572
7	玻璃（3毫米） 空气（9毫米） 玻璃（3毫米 绿色镀膜玻璃，吸收热量）	2.883	0.565
8	玻璃（3毫米） 空气（9毫米） 玻璃（3毫米 青铜色吸热镀膜玻璃）	2.883	0.582
9	玻璃（3毫米） 空气（9毫米） 玻璃（3毫米 低铁玻璃）	2.883	0.828
10	单层玻璃窗（6毫米 无色透明普通玻璃）	5.778	0.819
11	单层玻璃窗（6毫米 低辐射玻璃）	3.437	0.637

注：clear 表示无色透明普通玻璃，grey 表示灰色吸热镀膜玻璃，green 表示绿色镀膜玻璃，吸收热量，bronze 表示青铜色吸热镀膜玻璃，low iron 表示低铁玻璃。

2.5.3. 外遮阳系统

从实际和经济角度来看，外遮阳系统更有可能在住宅建筑中使用，尤其是在农村地区。采用外遮阳措施可以提高窗墙比，符合该地区大窗户的设计趋势。

影响能耗的变量包括不同方向的挑檐长度（OL）、遮阳板与窗户之间的距离（H）以及遮阳板延伸长度（EL）。默认挑檐长度为0.6米。为了简化计算，假设EL与EW相同。各变量的合理范围、离散度及最优步长见表9。在研究水平遮阳板（HSSB）时，ELv固定为0.20米；OLv分为0.2米、0.6米、1.0米、1.4米和1.8米。在研究垂直遮阳板（VSSB）时，Hh固定为0.10米，OLh分为0.2米、0.4米、0.6米、0.8米和1.0米。

变量	Form	变量范围（米）	离散度（米）	Step
OL	HSSB	0–1.8	0.2	9
	VSSB	0–1.0	0.1	10
H	HSSB	0–0.5	0.1	5
	VSSB	0–0.3	0.05	6
EL	HSSB	0–0.5	0.05	10
	VSSB	0–0.5	0.05	10

2.5.4. 自然通风

受季风气候影响，泉州的通风潜力较优。然而，夏季天气中仍有30%为静风。因此，热压通风在住宅通风中起到补充作用。农村住宅建筑在建筑设计中更加注重热压通风的组织，“庭院式建筑”由此产生。通过实地调查与CFD模拟，瓦吉萨尼·加马格为中式店屋中通风井在过渡空间穿堂风中的潜力提供了证据[55]。本文研究了不同庭院条件对能耗与室内环境的影响。表10显示了四种条件的设置，表11展示了相应的模型。

工作条件	庭院	开启状态
1	No	顶部封闭
2	Yes	顶部开启
3	Yes	顶部半封闭
4	Yes	顶部封闭

工作条件	TB	THB
1
2
3
4

注：“开敞庭院”条件下，顶层客厅与庭院相连的墙体被视为外墙。首层和中间楼层被视为内墙。

3. 结果

3.1. 单目标优化

3.1.1. 建筑形体参数

由图9可知，随着长宽比LWR的增加，能耗EC先减小后逐渐增大。对于典型建筑TB和THB，当LWR分别为0.9和1时，EC达到最小值。当LWR变化时，TB和THB的EC分别变化了0.05 kWh/m²和0.20 kWh/m²，这可能与建筑功能和建筑体量有关。因此，通过设置农村住宅的LWR对降低能耗EC的影响不大。从图10可知，EC与窗墙比WFR成正比，TB和THB的EC增长趋势均为线性。

SPSS20.0 是一种用于分析相关性的统计软件。表12显示了能耗与长宽比在0.01水平上呈显著正相关；THR的皮尔逊相关系数大于TR，THR的长宽比对能耗影响更大。窗墙比与能耗的回归分析如表13所示。两条曲线的线性拟合度非常好，差异显著。

能耗 (kWh/m²)	r
TB 皮尔逊相关性	0.623 **
显著（双侧）	0.001
TRB 皮尔逊相关性	0.775 **
显著（双侧）	0.000

注：** 在0.01水平（双侧）上显著相关。

建筑类型	回归方程	回归系数（R²）	显著性检验(sig.)
TB	Y = 23.150X + 23.608	1.000	0.000
THB	Y = 23.400X + 20.296	1.000	0.000

3.1.2. 围护结构参数

1. 保温材料
   保温材料厚度与能耗之间的关系呈双曲线，且趋势逐渐减缓，如图11所示。三种保温材料的保温性能由好到差依次为聚苯乙烯板（EPS）、无机干粉保温砂浆玻璃珠（DIM）、膨胀珍珠岩（EP），但差异较小。当保温层厚度小于120毫米时，属于自保温结构的陶粒混凝土空心砌块（CCHB）的保温性能比上述三种材料差；当厚度大于120毫米时，其隔热效果显著提高。根据三种屋面保温材料的隔热效果，挤塑聚苯板（EPB）最好，其次为EPS，最差的是EP。

对顶层客厅在无需制冷情况下的平均室内温度进行了模拟，以揭示不同保温材料的影响，如图12所示。为了保证模拟结果的可比性，外墙保温层厚度设为30毫米（由于自保温结构的特殊性，CCHB的厚度为110毫米），屋顶保温材料厚度设为60毫米。

两层住宅（外墙）；(b) 三层住宅（外墙）；(c) 两层住宅（屋顶）；(d) 三层住宅（屋顶）)
两层住宅（外墙）；(b) 三层住宅（外墙）；(c) 两层住宅（屋顶）；(d) 三层住宅（屋顶）)

图12a,b 显示：外墙保温措施对室内平均温度的影响不大，四种材料的影响都非常小。此外，外墙保温能在白天有效降低温度；但在夜间不利于外部散热。

图12c,d 显示：屋顶保温对降低室内平均温度具有更明显的效果，且三种材料的影响相似。由于滞后效应，降温在19:00达到峰值。结合房间特性和当地习惯，此时正是房间人员活动的密集时段。因此，屋顶保温可改善顶层房间的热舒适性。

2. 外窗热性能
   图13中可以观察到能耗与外墙窗户的传热系数（K值）和太阳得热系数之间的相关性。当太阳得热系数保持不变时，随着传热系数K的降低，能耗增加；当传热系数K相同时，能耗随太阳得热系数的增大而减小。此外，当普通墙体住宅采用7号形式（3毫米厚绿色镀膜中空吸热玻璃），热工优化住宅采用6号形式（3毫米厚灰色镀膜中空吸热玻璃）时，其能耗达到最低水平。

相关性分析见表14。在两种类型的建筑中，能耗与外墙的传热系数K之间无显著相关性。然而，太阳得热系数SHGC与能耗在0.01水平上呈显著正相关。该结果与福建省地方标准[56]一致。相较于太阳得热系数SHGC，外墙传热系数K的影响可忽略不计。

建筑类型	传热系数K（瓦特/米²·开尔文）	SHGC
TB	皮尔逊相关性 0.155	0.969 **
	显著（双侧） 0.650	0.000
THB	皮尔逊相关性 0.172	0.968 **
	显著（双侧） 0.612	0.000

注：** 在0.01水平（双尾）显著相关。

3.1.3. 外遮阳系统

1. 遮阳板挑出长度
   遮阳板悬挑长度（OL）对能耗（EC）的影响如图14所示。从图14a、b可以看出，水平遮阳板显著降低了能耗。随着不同方向遮阳板悬挑长度（OL）的增加，东西朝向的EC下降速度比南北朝向更快。从图14c、d可以看出，EW在南北朝向更适用于垂直遮阳板，尤其是在南侧；在东西侧设置垂直遮阳板的节能效果略差。对比图14a、d发现，北侧的水平遮阳板和垂直遮阳板的节能效果均不显著。

2. 遮阳板与窗户之间的距离
   图15a,b 显示了能耗与水平遮阳板距离之间的关系。随着水平遮阳板距离从0增加到0.5米，能耗逐渐增加。其中，南北和西向的增长率最快。此外，在北向和东向，影响相对较小。在东向，当水平遮阳板距离增加到0.4米时，能耗的减少非常小。总体而言，从能源角度考虑，在条件允许的前提下，距离越小，能效越高。垂直遮阳在东西方向上的节能效果很差；因此，本节分析了南北方向上水平遮阳板距离和外墙对能耗的影响，如图15c,d所示。在南北方向，随着水平遮阳板距离的增加，能耗也随之增加。如果南北方向外墙设有垂直遮阳板，在条件允许的情况下，垂直遮阳板与外墙之间的距离应尽可能选择较小值。

3. 遮阳板延伸长度
   图16a,b 显示了能耗与电气等级h之间的关系。电气等级h（从0增加到0.5米）和遮阳板悬挑长度h（在0.2米、0.6米、1.0米、1.4米和1.8米之间变化）均影响节能性能。当遮阳板悬挑长度h为0.2米时，增加电气等级h的节能效果较小；随着遮阳板悬挑长度h的增加，电气等级h的节能效果更加明显。因此，当遮阳板悬挑长度h达到一定值时，通过增加电气等级h可减少太阳得热；而当电气等级h较小时，节能效果不理想。

图16c,d 显示了能耗与遮阳板悬挑长度（OL）v之间的关系。当遮阳板悬挑长度（OL）v从0增加到0.5米时，若水平遮阳板的悬挑长度不同（0.2米、0.4米、0.6米、0.8米和1.0米），其节能效果也不同，但变化幅度较小。遮阳板悬挑长度（OL）的节能效果v随水平遮阳板悬挑长度的增加而增加v。然而，与水平遮阳板相比，遮阳板悬挑长度（OL）的节能效果v非常小。

3.1.4. 自然通风

1. 自然通风对能耗的影响
   年能耗如图17所示。四种情况下的差异较小，主要原因是家用空调设备仅安装在卧室，而未安装在与外界相连的区域（客厅、厨房和餐厅）。此外，与相对封闭的空间相比，庭院的设计对与之相连空间的能耗影响更大。

2. 庭院对室内环境的影响
   先前的研究表明，庭院可增强炎热气候地区住宅建筑的通风，从而有效改善室内热环境[57,58]。不同工况下顶层和一楼客厅的室内温度变化如图18–20所示。

TB顶层的客厅；(b) TB一层的客厅；(c) THB顶层的客厅；(d) THB一层的客厅)
TB顶层的客厅；(b) TB一层的客厅；(c) THB顶层的客厅；(d) THB一层的客厅)
TB顶层的客厅；(b) TB一层的客厅；(c) THB顶层的客厅；(d) THB一层的客厅)

结合图18a,b，对于TB和THB而言，庭院可在夏季有效降低室内温度，最高可降低约1.81 °C。不同工作条件下的室内温度如下：工作条件 3 < 工作条件 2 < 条件4。主要原因是，尽管开启状态能增强自然通风，但强烈的直接太阳辐射使顶层客厅在夏季获得更多的热量；而封闭状态又不利于空气流动。因此，在半开状态下降温效果最佳。与图18a,b相比，庭院对一楼客厅的影响比对顶层客厅更为明显。图18a,d的对比表明，当TB和THB的庭院分别处于半开状态和开启状态时，一楼客厅的室内温度相较于其他情况最低。主要原因是随着楼层高度增加，太阳辐射对一楼客厅的影响减弱。对于THR而言，完全开放状态下的空气流通效果优于半封闭状态。

与夏季相比，庭院在过渡季节和冬季对室内温度没有明显影响，如图19和20所示。设置庭院会提高一楼客厅的室内温度。其对顶层的影响与工况有关。四种工况下的室内温度为：TB：条件 2 > 条件 1 ≈ 条件 4 > 条件3；THB：条件 2 > 条件 1 ≈ 条件 3 > 条件4。在四种工况下，顶层客厅的平均温度相同。

根据作者之前的研究，选择适用于湿热气候自然通风条件下室内操作温度评估的ASHRAE标准 55自适应模型的90%可接受性。操作温度的90%可接受性限值由公式(5)和(6)[48]定义。
$$
T_{o,up90} = 0.31T_{ao} + 20.3
$$
$$
T_{o,low90} = 0.31T_{ao} + 15.3
$$
其中，$T_{o,up90}$为可接受操作温度的上限；$T_{o,low90}$为可接受操作温度的下限；$T_{ao}$为主导平均室外空气温度。

在自适应模型下，不同自然通风条件下典型日的室内舒适度条件如表15所示。对于THB，四种工作条件仅能在过渡季节典型日完全满足通风舒适条件，但在冬季和夏季的满足率较低。可通过通风与空调来维持室内热舒适性。对于TB，四种工作条件在三个典型设计日均无法满足舒适条件。从热舒适条件来看，THB更为合适。此外，工作条件2更有利。

建筑类型	楼板工作条件	1月1日	4月15日	7月21日
TB Top	1	0.0%	58.3%	0.0%
	2	0.0%	62.5%	20.8%
	3	0.0%	50.0%	33.3%
	4	0.0%	54.2%	0.0%
First	1	37.5%	58.3%	0.0%
	2	62.5%	62.5%	45.8%
	3	54.2%	50.0%	54.2%
	4	54.2%	54.2%	29.2%
THB Top	1	0.0%	100.0%	0.0%
	2	0.0%	100.0%	0.0%
	3	0.0%	100.0%	0.0%
	4	0.0%	100.0%	0.0%
First	1	0.0%	100.0%	4.2%
	2	0.0%	100.0%	4.2%
	3	0.0%	100.0%	4.2%
	4	0.0%	100.0%	4.2%

3.2. 多维优化

影响因素之间可能存在相互作用，因此单变量分析可能具有片面性。因此，有必要同时考虑各类因素。结合第3.1.3节和3.1.4节的模拟结果，东西向外窗设置水平遮阳，南北向外窗设置垂直遮阳，并选择开放式庭院模型作为研究基础。

优化变量的取值范围、初始值和变量类型见表16。参数设置见表17。多目标优化结果见表18。当建筑类型为TB时，优化后的农舍能耗比现有农舍降低8.2%；当建筑类型为THB时，降低约10.4%。这表明设计参数的优化能显著降低能耗。

参数名称	取值范围	初始值	变量类型	最优步长
O	0–180°	0	连续变量	10
LWR	0.3–3	1.5	连续变量	0.1
WARTB	0.103–0.404	0.253	连续变量	0.03
WARTHB	0.104–0.426	0.265	连续变量	0.032
EWI	1–4	3	离散变量	1
EWIT1,2,4 (米)	0–0.06	0.03	连续变量	0.005
EWIT3（米）	0–0.24	0.19	连续变量	0.02
RIM	1–3	3	离散变量	1
RIT（米）	0–0.15	0.030	连续变量	0.01
EWT	1–9	8	离散变量	1
OLh	0–1.8	0.8	连续变量	0.2
Hh	0–0.5	0.1	连续变量	0.1
ELh	0–0.5	0	连续变量	0.05
OLv	0–1.0	0.5	连续变量	0.1
HV	0–0.3	0.1	连续变量	0.05
ELv	0–0.5	0	连续变量	0.05

注：1–4 类外墙保温材料分别为 EPS、EP、CCHB 和 GIM。

参数名称	参数值
领域拓扑	冯·诺依曼
粒子数量 (nP)	10
子代数 (nG)	10
认知加速 (c1)	2.8
社会加速 (c2)	1.3
速度收缩系数（λ）	0.5
最大速度离散度系数 (νmax)	4
初始迭代权重 (w0)	1.2
最终迭代权重（w1）	0

参数名称	TB	THB典型建筑（未优化）	THB（未优化）
O	SE10°南	南	南
LWR	0.9	1.0	1.5
WFR	0.193	0.200	0.253
电磁波成像	3	3	3
电磁波层析成像（米）	0.24	0.24	0.19
顶板成像	1	1	3
电阻率成像（米）	0.06	0.06	0.03
EWT	7	7	11
OLh	1.4	1.4	0.8
Hh	0.1	0.1	0.1
ELh	0.5	0.5	0
OLv	0.8	0.8	0.5
HV	0.05	0.05	0.1
ELv	0	0	0
能耗 (kWh/m²)	28.24	24.41	30.75
迭代次数	340	340	–

第三种外墙保温材料为混凝土空心砌块；屋顶保温材料的第一种和第三种类型分别为EPB和聚苯板；第七种和第十一种窗户分别为镀绿膜中空玻璃窗和单层普通玻璃窗。

3.3. 经济分析

优化模型中外墙的热性能相对得到改善，保温层厚度相应增加，这必然导致初期投资的增加。因此，本节将进行经济分析。按照《夏热冬暖地区居住建筑节能标准》设计的农舍定义为“标准农房”（SF）。为了简化计算，取该地区电价为0.082美元/千瓦时。三种类型农舍的年能耗及费用如表19所示。

根据对当地建筑材料市场的调查，聚苯板、EPB、混凝土空心砌块、铝合金单框单层玻璃窗、塑料钢单框中空玻璃窗以及塑料钢单框镀绿色膜中空玻璃窗的价格分别为74.96美元/m³、112.44美元/m³、20.99美元/m³、25.49美元/m²、44.98美元/m²和74.96美元/m²。三种农舍初期投资的增加情况如表20所示。

表格21显示，从能耗角度来看，优化农舍（OF）相对于现有农舍（EF）的节能率为26–30%，单层住宅（SF）为