Проектирование экологически безопасных зданий

Проектирование экологически безопасных зданий

В последние годы неуклонно растет внимание к экологическому строительству. Соответственно активизировалась и проектно-исследовательская работа по подбору методов оценки влияния на окружающую среду. Существует множество разнообразных систем такой оценки. В данной статье проанализирована одна из них — метод многокритериальной оптимизации, основанный на экологическом анализе всего цикла жизни (существования) дома.

Важнейшей проблемой всех циклов существования дома являются затраты энергии. Чем меньше потребляется энергии, тем меньше вреда наносится окружающей среде. Дом должен «генерировать» меньше загрязнений. В то же время для его эксплуатации должны использоваться все богатства окружающей среды, то есть различные формы возобновляемой энергии и доступное природное сырье.

Системы создания комфортного микроклимата в экологическом доме должны гармонировать с окружением. Поэтому и в архитектурном проекте, и в проекте озеленения необходимо учитывать характер местного ландшафта и климатические условия, обеспечивающие инсоляцию соответствующих элементов дома.

К сожалению, развитие экологического строительства пока сдерживается высокой стоимостью — на 25% выше стандартного строительства. Однако в жизненном цикле здания стоимость его сооружения составляет лишь 11% от всей стоимости. Ниже рассмотрен вспомогательный метод проектирования экологических домов с учетом экономических критериев.


Формулировка главной задачи

Крайне важный аспект экологического строительства — оптимальный выбор элементов, из которых будет состоять объект. В качестве основного критерия выбора соответствующих материалов принят принцип сбалансированности трех показателей: кумулятивного потребления энергии (Е), кумуляции эмиссии двуокиси углерода (С) и стоимости конструкции (К). Эти показатели зависят от конфигурации дома, которые можно выразить через вектор решающих переменных Х. Такая задача формально относится к многокритериальной оптимизации, которую после введения функции цели F(x) можно записать следующим образомformula-8-1

Найти оптимальную конфигурацию х, что обеспечит минимум общей стоимости дома при ограничениях по применению технологий выполнения.

Приведенные здесь значения являются неотъемлемыми градуированными коэффициентами, причем Wс и Wе содержат соответствующие единицы пересчета энергии и эмиссии СО2 для эквивалентных затрат. Функции Е, С, К являются суммами удельной стоимости отдельных компонентов. Определенные осложнения возникают с выбором главного вектора, который однозначно характеризует конфигурацию дома. Здесь применяются бинарные переменные х,= 0 или 1, которые означают отсутствие или наличие данного компонента. При таком условии функцию К можно записать как сумму удельных затратformula-8-2

Аналогично определяем функцию энергии и эмиссии СO2. Условия ограничения при таком подходе имеют вид:formula-8-3что соответствует выбору только одного варианта для определенного класса компонентов (например деревянное окно, или ПВХ, или алюминий и т.п.). Окончательную математическую модель главной задачи можно свести к бинарному программированию. Основной сложностью такого подхода является огромное количество решающих переменных. Альтернативой для непосредственных методов бинарного программирования могут быть генетические алгоритмы, которые делают возможным эффективный поиск допустимых вариантов.


Практическое использование оптимального метода

Базой для анализа является архитектурно-строительный проект сооружения, исполненный согласно действующим в стране строительным нормам и правилам вместе с детальной сметой.

Закладывается возможность изменения материало-конструкционных вариантов проектируемого объекта, однако такие факторы как его форма, расположение относительно сторон света и положение на участке не является предметом оптимизации и не могут изменяться в результате оптимизации.

Принципиальные размеры в осях перегородок должны оставаться неизменными, а полезную площадь и кубатуру объекта можно изменять лишь незначительно, относительно изменениям толщины стен и перекрытий для различных материалов.

Принято, что эксплуатационный срок объекта — 50 лет.

Исходной точкой метода оптимизации является принципиальная схема дома со всеми элементами структуры, необходимыми для его сооружения — от получения разрешения на строительство до его частичной отделки, например — для жилого дома — это состояние без полов, внутренних дверей и «белого» ​​монтажа (именно в таком состоянии чаще помещения передают клиенту). Точность разделения на элементы структуры здания зависит от будущего пользователя и предлагаемого метода оптимизации. Для каждого элемента структуры здания (стены, перекрытия, крыша и т.д.) предусматривается возможность выбора материалов для определенной технологии. На рисунке 1 приведен фрагмент принципиальной схемы здания.

Для всех ветвей «дерева решений», созданного проектировщиком (рис. 1), определяются:Фрагмент схемы "Дерева решений"

Ei- кумулятивное потребление энергии как следствие выполнения элемента структуры доме для  «і-го» варианта материала;

Сi — кумулятивная эмиссия двуокиси углерода, возникающая вследствие производства элемента структуры  дома «і-го» варианта материала;

Кi — суммарная стоимость выполнения элемента структуры дома «і-го» варианта материала.

Таким образом образуется база данных для главной задачи, определенной зависимостями (1), (2) и (3). Задачу можно решить с помощью алгоритма, приведенного ниже.


 Метод числового решения

Допустимые конструкционные варианты дома приведены на схеме. Древовидная конструкция графика имплицирует численный метод решения. Большие фрагменты графика, например касающиеся вариантов конструкции стен, перекрытий, крыш, повторяются. Следовательно, задача разделяется на множество подпроблем, которые можно решить отдельно, по общему алгоритму. В результате получаем: значение полиоптимальной функции V* = V (x*) и числовые значения вектора х* — математическое отражения оптимального решения. Представим математическую модель и компьютерный метод решения для подпроблемы «окна и застекленные поверхности».

Обозначения: переменные решающиеformula-8-3-1

Последующие определения – аналогичные:

у21, у22, у23 –решение в пользу окон из ПВХ,

у31, у32, у33 – решение в пользу алюминиевых окон,

у41, у42, у43 – решение в пользу окон из стекловолокна,

у51, у52, у53 — решение в пользу комбинированных окон.

Функция цели:

при ограниченияformula-8-4-5

Задания (4) — (5) являются известными  в сетевом программировании заданиями расчета затрат V=1 в ациклической сети.

Каждому из путей графика на рисунке 1 соответствует неотъемлемое число dij, назовем его длиной. В случае путей, выходящих из узла решений, эта длина будет:

  • Стоимостью энергии (МДж/м2), если задание относится к минимизации полной аккумулированной энергии;
  • Величиной эмиссии двуокиси углерода (кгСО22), если задание относится к минимизации эмиссии двуокиси углерода.

Эффективным числовым методом решения проблемы является алгоритм исключения дефекта (англ, out-of-kilter), разработанный Фордом и Фалкерсоном. Этот метод применяется для многоэтапных задач распределения средств и многоэтапных транспортных задач. Проблема сводится к определению уровня обтекания в определенной ациклической закрытой сети, для которой принято:

mij — нижнее ограничение расхода;

gij — верхнее ограничение расхода;

dij — стоимость расхода.

Схеме решений (рис. 1) подчиняется сеть, представленная на рисунке 2. На обратном пути вводится нижнее ограничение, равное верхнему — в сети обтекания обеспечивается значение 1, поскольку реализовать можно только одно решение.Сеть с данными для компьютерной программы

Обозначаем:

L — комплекс всех путей сети; согласно рис. 2, он состоит из 4 + 12 + 12 + 1 = 29 элементов;

W — комплекс узлов сети;

Аi= {jЄW: <i; j> Є L} — комплекс узлов, к которым ведут пути, выходящие  из «i-го» узла, для i = 1, …, n;

Вi = {jЄW: < j; i> ЄL} — комплекс узлов, из которых ведут пути, входящие в  «i-го» узла, для i = 1,…, n.

Математическая модельformula-8-6

переменные решающие: уij, j Є formula-8-7-8

Решение всех подпроблем этого вида сводит исходное задание к простой структуре схемы решений, для которой полиоптимальное решение можно определить расчетами на калькуляционном листе.

Правильность приведенного алгоритма следует из принципа оптимальности Беллмана: оптимальная последовательность решений имеет такое свойство, что, независимо от исходного состояния и решений, которые это состояние определяют, остальные решения должны составлять оптимальное решение.


 Итоги

Проектирование экологических, безопасных для окружающей среды домов — сложный процесс, требующий комплексного сочетания архитектурно-урбанистических требований c технологическими и экологическими и предусматривает применение многокритериальной оптимизации. На современном этапе правильное проектирование способны обеспечить компьютерные методы, в частности сетевые алгоритмы.

0 комментариев

Оставить комментарий

Хотите присоединиться к дискуссии?
Приглашаем поучаствовать!

Добавить комментарий