《Energy and Buildings》：Decarbonization-as-a-Service: A Mixed-Integer Linear Programming Model for Optimal Retrofit Planning in Buildings
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建筑脱碳优化与多约束下混合整数线性规划方法研究，通过DaaS框架整合被动围护升级、主动系统改造和可再生能源系统，在预算和兼容性约束下实现减排路径规划。两个案例验证显示，在欧盟气候目标下，建筑碳排放可减少37.51%-97.44%。
Dimitris Giannakakos|Symeon Chorozoglou|Elissaios Sarmas|Nikos Dimitropoulos|Vangelis Marinakis
希腊雅典国立技术大学电气与计算机工程学院，决策支持系统实验室
摘要
建筑行业的脱碳仍然是气候行动的关键组成部分，因为建筑物在全球二氧化碳（CO?）排放和能源消耗中占据重要比例。尽管付出了许多努力，现有方法在应对建筑系统的复杂性、用户特定需求、预算限制以及实际决策过程方面往往存在不足。本研究介绍了一种混合整数线性规划（MILP）方法，该方法嵌入在“脱碳即服务”（Decarbonization-as-a-Service, DaaS）框架中，帮助利益相关者确定针对每栋建筑特点的最佳改造策略。该框架整合了用户提供的详细信息（包括被动和主动系统、能源使用模式及翻新预算），并通过结构化的优化模型从预定义的脱碳措施中选择最佳方案。这些措施包括提高能源效率的围护结构升级、更换暖通空调（HVAC）和电气设备，以及安装光伏（PV）和蓄电池储能系统。该模型旨在在遵守成本和技术可行性的前提下，实现年度二氧化碳排放量的最小化。通过两个案例研究验证了该方法的有效性：一个是单户住宅原型建筑，另一个是位于奥地利维也纳的多户住宅建筑群。结果与高保真模拟器EnergyPlus和SIM-VICUS进行了对比，证实了所提出的能源评估模型的准确性。随后在不同预算水平下评估了代表性的翻新方案，展示了该框架实现接近完全脱碳的能力（奥地利案例中达到了97.44%）。这些结果证明了该方法能够提供符合欧盟气候目标和翻新计划目标的有效、可扩展的脱碳路径。
引言
建筑行业的脱碳是欧洲气候政策的优先事项，因为该行业约占欧盟二氧化碳排放量的36%和最终能源消耗量的40%[1],[2],[3]。这一现象主要是由于建筑物的老旧和低效：约75%的建筑物超过了能源基准[4]，而只有不到3%的建筑物达到A级标准[5]。大量建筑物建于现代能源要求出台之前——42%的非住宅建筑和38%的住宅建筑建于1970年之前[6]，大多数建筑物的建造时间可追溯到1990年和2001年之前[7]。除了运营过程中的排放外，建筑物在能源供应链和生命周期建设过程中也会产生大量的间接和嵌入式二氧化碳排放[8],[9]。尽管有诸如欧洲绿色协议、气候目标计划和翻新计划等重大举措[10],[11]，但翻新活动仍然不足。特别是深度翻新（能源减少≥60%）每年仅发生在约0.2%的建筑物中[7]，这表明目标与实际实施之间存在持续差距。
缩小这一差距需要综合性的改造策略，这些策略结合了需求减少、热系统的电气化以及可再生能源的使用增加[12],[13]。典型的措施包括围护结构升级、更智能的控制系统、高效热泵，以及现场可再生能源（如建筑集成光伏和热系统）和储能系统的集成[14],[15],[16],[17],[18]。鉴于供暖和制冷在住宅能源使用中的主导地位，改造规划还必须体现“能源效率优先”（Energy Efficiency First, EE1st）原则，并利用数字化技术（如人工智能/物联网）在现实运行条件和舒适度限制下评估各种措施[19],[20],[21]。高分辨率能耗和建筑数据的日益普及进一步促进了可扩展的数据驱动决策支持[22]。
要应对这些挑战，需要既全面又实用的翻新规划框架。然而，当前的改造规划存在三个主要局限：(i) 依赖静态或预定义的方案，优化能力有限；(ii) 未充分考虑建筑物的具体配置、使用模式或预算限制；(iii) 将被动、主动和可再生能源干预措施整合到统一决策模型中的程度不足。此外，专家级工具通常非专业用户难以使用，而用户友好型平台往往过于简化了技术和经济复杂性[23],[24]。
为了解决这些局限，本研究提出了一个“脱碳即服务”（Decarbonization-as-a-Service, DaaS）框架，提供定制化的改造建议。其核心是一个混合整数线性规划（MILP）模型，该模型在用户定义的约束条件下（如预算和现有基础设施）优化改造措施的选择和组合，包括围护结构升级、暖通空调更换、可再生能源发电和储能。该框架的贡献包括：
•开发了一个基于MILP的统一优化框架，能够同时模拟被动围护结构升级、主动暖通空调系统改造和现场可再生能源集成，从而在单一决策模型内实现全面的跨领域脱碳规划；
•明确纳入了多维的现实世界约束条件，包括资本投资限制、系统兼容性和安装可行性，从而提供技术上和经济上可行的改造方案，而不仅仅是理想化的场景。
•直观的用户输入工作流程和异构场景分析，架起了先进优化技术和非专家利益相关者之间的桥梁，使其能够使用该框架进行翻新规划。
该框架通过两个代表性案例进行了验证：一个是单户住宅原型建筑模型，另一个是位于维也纳的58单元住宅建筑群。在第一个案例中，二氧化碳排放量在1万欧元至3万欧元的预算范围内减少了37.51%至80.90%；在第二个案例中，根据预算和干预措施的不同，空间供暖产生的二氧化碳排放量减少了48.95%至97.44%。这些结果展示了所提出方法在多种建筑背景下支持基于约束的脱碳规划的潜力。
本文的其余部分结构如下：第2节回顾了建筑改造优化和决策支持系统的最新进展。第3节详细介绍了所提出的方法，包括数据采集、基线建模和MILP公式化。第4节展示了该框架在案例研究中的应用，并分析了关键结果。最后，第5节总结了主要贡献，并指出了未来研究和发展的方向。
相关工作和研究空白
由于建筑行业对全球温室气体排放的显著贡献，建筑脱碳已成为一个关键的研究领域。许多关于建筑性能优化（Building Performance Optimization, BPO）的研究集中在通过改造和高效系统集成来减少碳排放、能源需求和生命周期成本。同时，也出现了指导翻新规划的决策支持工具。本节回顾了这两类主要文献：基于优化的改造模型
方法论概述
本节介绍了用于支持数据驱动、预算受限的建筑脱碳规划的方法论框架。该方法分为三个核心阶段：(1) 建立详细的能源和排放基线；(2) 评估潜在的脱碳措施库；(3) 通过解决受限优化模型来确定最佳翻新方案。该方法论框架在图1中进行了详细阐述。
第一阶段
案例研究
在本节中，我们展示了两个案例研究，以证明所提出框架的应用性、可扩展性和适应性。第一个案例研究使用了美国能源部提供的单户住宅原型模型[56]，第二个案例研究则针对位于奥地利维也纳的多户住宅建筑群。这种方法展示了该框架在处理不同规模建筑物时的可扩展性和灵活性。
此外，通过这些案例
结论
本文提出了一种用于建筑可扩展和定制化改造规划的优化框架，其最终目标是在特定预算下实现脱碳。所提出的“脱碳即服务”（Decarbonization-as-a-Service）工作流程采用MILP公式化方法，在明确的资金和兼容性约束下，识别出具有成本效益和技术可行性的干预措施组合，从而实现被动措施、暖通空调改造和现场可再生能源选项的集成规划
CRediT作者贡献声明
Dimitris Giannakakos：撰写——原始草稿，验证。
Symeon Chorozoglou：撰写——审阅与编辑，方法论研究，概念化。
Elissaios Sarmas：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。
Nikos Dimitropoulos：撰写——审阅与编辑，监督。
Vangelis Marinakis：监督，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
