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气候变化下建筑能效与绿色翻新：基于多目标优化和后悔分析的稳健设计研究
Jongbaek An|Dahyun Jung|Taehoon Hong|Jimin Kim|Hyounseung Jang|Donggeun Oh
韩国首尔延世大学建筑与建筑工程系，邮编03722
摘要
气候变化正在从根本上改变建筑物的能源需求模式，政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测能源消费将从以供暖为主转变为以制冷为主。然而，大多数绿色改造研究仅针对单一气候情景进行优化，当未来条件与初始假设偏离时，可能会导致性能大幅下降。本研究开发了一个综合框架，结合了能源模拟、生命周期成本分析、多目标优化和遗憾分析，以识别在多种未来气候条件下仍然有效的绿色改造设计方案。以韩国一个28年历史的社区服务中心为例，分析了8种共享社会经济路径（SSP）情景，评估了墙体、屋顶、窗户隔热和照明的1680种绿色改造方案在能源消耗、热舒适性和经济性能方面的表现。结果表明，在极端变暖情景下，夏季制冷负荷显著增加，而冬季供暖负荷减少，从而从根本上重塑了建筑物的能源结构。基于单一SSP情景的优化方案在气候适应性方面表现有限。相反，通过遗憾分析确定的稳健最优绿色改造方案在所有情景下的平均遗憾值为0.0003，最大遗憾值为0.0022，在八种情景中有六种情况下与特定情景的最优方案相匹配。然而，在25年的时间范围内，所有改造方案在财务上均不可行，净现值（NPV）为负，简单投资回报率（SIR）小于1。值得注意的是，仅仅最大化隔热性能并不能保证最优结果。在平衡能源效率与热舒适性的同时管理成本权衡的绿色改造方案，在多种气候未来情景下表现出更强的稳健性。该框架为制定具有气候适应性的绿色改造策略提供了重要指导，证明了在气候不确定性较高的情况下，多标准稳健性导向的方法显著优于传统的单一情景优化方法。
引言
政府间气候变化专门委员会（IPCC）的预测表明，在气候变化背景下，建筑物的能源需求将越来越多地受到制冷需求的影响[1]。这一转变意味着建筑物热需求的基本重组[2,3]，表明传统的以供暖为导向的设计逻辑可能逐渐与新的气候现实不兼容。现有的建筑物是在假设供暖负荷占主导地位的情况下规划和运营了几十年的，因此面临无法有效应对日益增长的制冷需求的风险[4]。这一由气候变化驱动的转型在文献中已有大量记载。多项研究表明，气候变化对建筑物性能有显著影响[[5], [6], [7], [8]]。先前的研究指出，随着全球平均温度的上升，负荷模式逐渐从以供暖负荷为中心转变为以制冷负荷为中心，夏季室内过热现象以及不满意用户比例（PPD）的增加变得更加明显，从而导致建筑物运营成本和长期经济性能的变化[[9], [10], [11]]。为了应对这些挑战，反映未来气候条件的建筑物性能分析已成为一个重要的研究课题。
对现有建筑进行绿色改造需要非常谨慎的态度，因为这不仅仅是一项简单的维护活动，而是一项高成本且长期的投资决策[12]。更换主要部件需要大量投资，并且在几十年内几乎是不可逆的，这意味着一个错误的决策可能会导致持续的性能和成本负担[[13], [14], [15]]。因此，基于单一气候条件或单一情景的改造决策是不可靠的。未来气候条件不会遵循单一轨迹，这进一步复杂化了绿色改造的决策过程。IPCC提出了多种共享社会经济路径（SSP），每种情景根据人口增长、政策方向和技术发展水平产生根本不同的温度升高和气候模式[16]。在假设采取缓解措施的SSP1-2.6中，供暖负荷的减少相对有限；而在假设强烈变暖的SSP5-8.5中，制冷负荷急剧增加，供暖负荷继续下降[17]。换句话说，相同的绿色改造方案在能源消耗减少、热舒适性和经济性能方面的表现可能会因未来采取的不同SSP轨迹而完全不同[18]。
对于公共建筑等设施而言，这一问题尤为关键，因为它们的运营周期较长，前期投资成本较高，容易受到未来气候不确定性的影响，从而导致长期的负担。因此，目标不应是找到仅在特定SSP下最优的绿色改造方案，而应是确定一种在所有可能的未来气候条件下都能保持稳定和优异性能的方案，即具有稳健性的绿色改造方案。为此，本研究旨在开发一个综合评估和优化框架，能够识别在多种未来气候情景下始终有效且具有适应性的绿色改造设计方案。
气候变化下建筑改造的性能评估指标
大量文献利用明确的气候情景框架研究了气候变化对建筑物性能的影响，最常用的是IPCC的代表性浓度路径（RCPs），最近也使用了SSP（见表1）。这些研究一致表明，未来的气候变化会改变不同类型建筑和气候区域的能源需求规模和室内环境条件。
最早和最全面的研究流派...
数据库建立
为了分析在公共建筑中实施绿色改造后的技术、环境和经济性能，收集了以下数据。
基础模拟模型的验证
使用EnergyPlus开发的基础模拟模型的有效性通过CV(RMSE)和MBE（参见方程式（1）、（2）进行了验证。用于验证的实际能源消耗数据来自韩国政府运营的公共数据门户[72]。由于参考建筑在2021年至2022年间进行了改造，因此使用2020年的能源消耗数据作为实际值。
图2展示了基于该基础模拟模型生成的CV(RMSE)和MBE值...
结论
本研究提出了一个综合评估框架，结合了能源模拟、生命周期成本（LCC）分析、多目标优化和遗憾分析，以确定在未来气候不确定性下公共建筑的最佳绿色改造方案。该框架量化了气候变化的长期技术、环境和经济影响，并证明了在所有八种SSP情景下都能实现稳定的改造性能。
未来气候条件改变了能源...
作者贡献声明
Jongbaek An：概念构思、方法论、研究、数据分析、可视化、撰写——初稿；
Dahyun Jung：方法论、研究、可视化、撰写——初稿、数据管理；
Taehoon Hong：方法论、研究、撰写——审稿与编辑、可视化、监督、项目管理、资金筹集；
Jimin Kim：可视化、撰写——初稿；
Hyounseung Jang：撰写——审稿与编辑、监督；
Donggeun Oh：
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冲突或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金会由韩国政府（科学技术信息通信部）资助（NRF-2021R1A3B1076769）。
