摘要
建筑领域节能降碳对实现碳达峰碳中和战略目标，促进国民经济发展和社会全面进步具有极其重要意义，是我国建设生态文明、实现可持续发展的必然选择。严寒地区建筑能耗碳排放大、可再生能源占比低、环境污染等问题突出，建筑节能减排形势十分严峻。近零能耗建筑因其能效高、碳排放低等特点已成为建筑行业发展的新趋势，然而在研究过程中还面临一些挑战，光伏建筑一体化组件对近零能耗建筑性能影响机制不明晰，光伏建筑一体化组件与建筑围护结构缺少协同优化设计，综合考虑成本、环境、光伏利用潜力提升等目标的性能优化设计方法缺失，严寒地区多能源系统高效耦合设计和匹配方法亟需重构等。因此，开展近零能耗建筑多目标优化与能源系统耦合匹配方法研究，必将为严寒地区近零能耗建筑设计推广提供理论依据和技术支撑。 本文从近零能耗建筑的内涵和实现路径出发，构建了光伏/光热幕墙集成设计的近零能耗建筑模型，分析了光伏/光热幕墙组件对近零能耗建筑性能的影响机理，筛选出影响建筑本体节能、光伏利用潜力提升和建筑碳排放的关键设计参数。建立了光伏/光热幕墙集成设计的近零能耗建筑多目标优化方法，以光伏/光热幕墙组件和建筑围护结构设计参数协同作为优化变量，以建筑能源需求、全生命周期成本和全生命周期碳排放为目标函数，以光伏利用潜力为约束条件，利用优化算法和性能模拟软件相结合的方法，权衡了带光伏/光热幕墙组件设计的近零能耗建筑设计过程中能源、经济和环境三者之间的关系，给出严寒地区近零能耗建筑围护结构和光伏/光热幕墙组件在不同优选方案下的最佳设计参数。 以严寒地区近零能耗建筑案例为研究对象，建立了光伏/光热幕墙和空气-土壤双源热泵为主的多能源耦合系统，搭建了多能源耦合系统的实验平台和智能监测平台，利用数值模拟和实验研究等手段，分析了多能源耦合系统运行特性，揭示了光伏/光热幕墙对系统性能的影响及其与热泵系统的耦合关系。采用 NSGA-Ⅱ优化算法对多能源耦合系统进行多目标优化配置，优化了光伏/光热幕墙面积、热泵机组容量、水箱体积、钻井深度和数量等设计参数，通过敏感性研究定量分析了目标函数和设计变量之间的关系；利用多准则决策方法确定多目标优化均衡解，得到了多能源耦合系统在严寒地区的最佳配置规模和适宜性设计策略。 研究表明，光伏/光热幕墙对建筑性能的影响受光伏组件自身结构参数和墙体保温性能的影响较大，当墙体保温材料达到一定厚度时，近零能耗建筑性能几乎不再受光伏/光热幕墙的影响；近零能耗建筑多目标优化后的设计方案在保证性能的前提下大大降低了建筑全生命周期成本和生命周期碳排放，根据获得的Pareto前沿，大部分优化方案下建议南向光伏满铺率为98%～100%，夏季幕墙内空气流速为4000～5000 kg/h（0.56～0.7 m/s），冬季幕墙内空气流速为200～500 kg/h（0.03～0.07 m/s），墙体保温材料厚度在0.19～0.30 m之间；多能源耦合系统和热泵机组COP模拟值和实验值误差分别为8%和5%，误差允许范围内可以验证模型的准确性；光伏/光热幕墙作为辅助热源既能提高光伏/光热幕墙余热利用率和多能源耦合系统性能，又能降低系统全生命周期成本；与无光伏/光热幕墙辅助的双源热泵系统相比，系统和热泵机组的供热季性能系数分别提高了5%和6%；光伏幕墙面积和总钻孔长度对系统性能和成本影响较大，应根据气候条件和建筑特征等因素综合给出适宜性设计策略。 本文围绕光伏建筑一体化组件和近零能耗建筑协同设计建立了一套科学有效的多目标优化设计方法，从技术、经济、环境可行性及光伏利用潜力等方面，综合给出近零能耗建筑和多能源耦合系统的最佳设计方案，有利的推进了近零能耗建筑在严寒地区的推广与实践。
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