随着城市化进程的不断加快,我国建筑能耗持续增长,建筑作为最消耗能源的部门,其能耗约占社会总能耗的30%[1].教育设施,如大学和学校建筑,约占商业部门能源需求的12%[2-4].其中高校建筑中,教学楼是教师和学生的最主要活动场所之一.因使用频率高,人员密度大,教学楼建筑能耗普遍较高.因此,通过合理手段降低高校教学楼建筑能耗,是亟待解决的问题.
常用的建筑节能手段可分为技术和管理两个手段[5],技术方面主要是通过替换更高效的暖通空调系统,管理方面主要是改进暖通空调的控制方案,或改变室内人员的行为如占用时间表[6-9].由于后者成本低,操作灵活,因此更受青睐[10].学生和学校管理方是实施管理手段节能的主要主体,但由于学生并不承担教学建筑耗能所产生的费用,其主动采取节能行为意识缺失,需要学校管理方通过强制性的管理手段实现教学楼建筑节能,排课优化就是通过改变不同教室的使用规律来降低教学楼能耗的有效方法[11-12].相关研究中,Sethanan等[13]提出了以提高能源效率为目标的泰国某大学2006—2012学年排课方法,优化后的时间表能够节约7.12%~28.59%的能源.但为了简化问题,该研究在计算教室热传递值时假设所涉及的参数固定不变,导致优化结果与实际情况不符.Song等[14]提出了一种基于能源效率的课程时间表算法,利用该算法得到的最优课程时间表能够实现4%的节能效果.但是,该研究主要考虑的是课程在不同空间上的分配问题,而未探究其在时间上的安排.Kim等[15]进行了一项研究,研究中考虑了居住者的最佳行为,以在保持教学建筑室内热舒适性的同时节约能源.但这种方法只改善了居住者的行为,没有提供一个节能的时间表.Jafarinejad等[16]利用基于元启发式的双层优化方法得到排课方案,其优化方案在第一层根据能耗最低找到最优课程人数占用率,第二层将课程分配给每个时段,以使“分配的课程中存在的学生总数”与“从第一层获得的最佳占用情况”之间的偏差之和最小,最终优化结果可实现18.97%的能源节约.Fathi等[17]分析了某大学综合楼中机械工程系、计算机工程系和礼堂的最佳时间表对供暖负荷的影响.结果表明,提前两周开始上课,且将供暖温度由26 ℃调整为23 ℃,可以减少50%以上的能耗.但由于该优化模型计算量过大,为解决这个问题,删减了部分已知值的决策变量.在以建筑节能为目标的高校课程表优化研究中,教学楼采用间歇供暖模式能够大幅减低建筑能耗,而间歇供暖需要精准计算建筑内不同时段的用能需求,这要求排课优化中的建筑能耗计算应是逐时且动态的,但以上研究中对于建筑能耗的计算均过于粗糙.为了在排课优化中精准计算建筑能耗,Sun等[18]借助Building Controls Virtual Test Bed(BCVTB)平台实现了EnergyPlus中建筑能耗模型和Matlab中排课模型的耦合仿真.但是,该研究仅以建筑节能为目的,却忽略了同一课程不同授课节次的时间间隔应尽量均匀这一常规排课优化目标,导致排课结果难以与学生的客观学习规律相适应[19].
为弥补以上研究的不足,本研究提出了间歇供暖模式下,同时考虑建筑节能和课程授课时间间隔的高校教学楼建筑多目标排课优化方法,通过BCVTB建立EnergyPlus与Matlab的联合仿真模型,并利用遗传算法进行计算求解,研究方法可为高校教学楼建筑的排课优化提供理论参考.