Integer Programming עיצוב בניין אנרגיה-חסכוני מערכות

תפקידה של Integer Programming in Building Energy Optimization

מבנים מודרניים מהווים כ-40% מצריכת האנרגיה העולמית ונתח דומה של פליטות פחמן דו חמצני.הפחתת טביעת הרגל הזו דורשת החלטות עיצוב זהירות כי מעבר לאינטואיציה פשוטה.אדריכלים ומהנדסים חייבים לבחור את המספר הנכון של חלונות, ציוד חימום וקירור בגודל, לבחור בידוד, ומבצע ציוד לוח הזמנים - כל זאת תוך שמירה בתוך מערכת עיבוד אנרגיה יעילה ושמירה על נוחות של אנשים רבים של אפשרויות אלה כרוכים ב-לא ניתן להתקין חצי או במקום קבוע של עיצוב, כאשר הם יכולים למזעריים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, שימוש קבוע, שימוש בתבניות עיצוב, כאשר הם יכולים למזעריים, כאשר הם יכולים למזעריים, כאשר הם יכולים למזעריים, כלומר, כלומר, על ידי עיצוביים, כלומר, על ידי עיצוב, על ידי עיצוב, על ידי עיצוביים, על ידי עיצוביים, על ידי עיצוב יעיל של כלי עיצוב, כאשר הם יכולים להיות גמישים, באופן שיטתי, כאשר הם יכולים להפחית את רוב הסיכויים חיוניים, כאשר הם יכולים להיות מצמצם באופן שיטתי של כלי עיצוב, כאשר הם יכולים להיות מצמצם את רוב הסיכויים, כאשר הם יכולים להיות מדגמיצים, כלומר, כאשר הם יכולים להיות מצמצם את רוב הסיכויים הדרושים, כאשר הם יכולים להיות מדג

המונחים: Integer Programming

מה הופך את Integer Programming שונה

תכנות Integer (IP) הוא סוג של אופטימיזציה שבו לפחות משתנה החלטה אחת מוגבל ערכים integer. זה ניגודים עם תכנות ליניארי (LP), שבו כל המשתנים יכולים לקחת מספר אמיתי.בעיצוב בנייה, משתנים integer באופן טבעי להתעורר: אתה לא יכול לבחור 2.7 יחידות HVAC או 3.2 חלונות.

תכנות Integer

הצורה המעשית ביותר לבניית יישומים היא FLT:0 [התכנות] משולבת-integer תכנות FLT:1 (MIP), הכולל גם אינטגרטור ומשתנה מתמשך.לדוגמה, מספר הלוחות הסולאריים (integer) וזווית הטיה שלהם (continent) ניתן לייעל בו-זמנית. MIP מודלים הם יותר מציאותיים אך חישוביים יותר לפתרון בעיות של ⁇ , כמו GRETCR-S-T.

כיצד מודל תכנות Integer הוא מבנה

לכל מודל IP יש שלושה מרכיבים:

• (ב) ,0) משתנה משתנה (FLT:1) - את הכמויות או האפשרויות להיות נחוש (למשל, x i = 1 אם משאבת חום מותקנת, 0 אחרת).
• (ב) ,0 (Objective functionFLT:1) - המדד לצמצום או למקסימום (למשל, עלות אנרגיה שנתית כוללת, פליטות פחמן או ערך נוכחי נטו).
• (FLT:0)ConstraintsFLT:1 - גבולות פיזיים, מכסה תקציב, דרישות ביצועים (למשל, טמפרטורה מקורה חייב להישאר בין 20 ו-deg;C ו-26°C, יכולת מותקנת הכוללת חייבת לעמוד בעומס שיא).

המפתור מחפש שילוב של ערכים פנימיים ומתמשכים השואפים את המטרה הטובה ביותר תוך סיפוק כל המגבלות. כי מרחב החיפוש גדל באופן אקספוננציאלי עם מספר המשתנים, הייסטריים והחילה משמשים כדי לחדד את החיפוש ביעילות.

דרישות מפתח בעיצוב אנרגיה-Efficient Building design

מערכת אנרגיה מתחדשת Sizing ובחירת

אחת מהשימושים המשפיעים ביותר בתכנות אינסטלגרס היא למערכות אנרגיה מתחדשות.בעיה טיפוסית כרוכה להחליט כמה לוחות פוטו-וולטאיים סולאריים (PV), טורבינות רוח, או יחידות אחסון סוללות להתקין, יחד עם היכולות שלהם, כדי לעמוד בפרופיל עומס בנייה. Integer משתנים ללכוד מודלים של ציוד דיסקרטי (למשל, 300 &nb; לעומת פאנל של מערכת טעינה) או מערכת טעינה (Ob).

מחקרים מראים כי מודלים MIP יכולים להפחית את העלות המטבולית של אנרגיה (LCOE) על ידי 10-20% בהשוואה לכללים פשוטים של אצבע, במיוחד כאשר בשילוב עם מכסי חשמל של שימוש בזמן.המודל יכול לשנות את הדור המתחדש כדי להתאים את הביקוש, לאחסן אנרגיה עודף סוללות, ולחשבון עבור מגבלות כמו אזור גג וקיבולת עומס מבני.

עיצוב מערכת HVAC ו- Scheduling

ההרחבה, האוורור והמיזוג אוויר (HVAC) לעתים קרובות מהווים 40-60 אחוזים של שימוש באנרגיה של בניין.Integer תכנות מסייע בשתי דרכים: FLT:0sizingFLT:1 (ציוד ו-FLT:2scheduling FLT 3: 3) פעולתו.

עבור לוח זמנים, בקרות תכנות אינסטלגר כאשר הציוד מופעל או כבוי (משתנים בינאריים) ואת האזור מותנה באיזו רמה.זה חשוב במיוחד עבור מערכות זרימה קירור משתנה (VRF) או לולאות מים מצמררות שבו יחידות מרובות חולקות עומס. לוח זמנים מבוסס MIP יכול להפחית את הביקוש לשיא על ידי מגמת עלייה של זמני התחלה ומסה תרמית לפני זמן מ off-fak שעות להראות אופטימיזציה של צריכת אנרגיה.

תגית: Chiller Sequencing

שקול בניין עם חמישה צ'יפים זהים, כל אחד עם יכולת דיסקרטית של 100 טון. העומס הקירור משתנה לאורך כל היום.מודל תכנות integer היה מחליט כמה צ'ריפים לרוץ (0–5) ובאיזה יחס של עומס חלק.המגבלות מבטיח כי יכולת כוללת עונה על העומס, וכי הצמרנים פועלים ביעילות (מבטלים עומסים נמוכים מאוד אנרגיה) אובייקטיבית מצמצם את צריכת החשמל הכוללת, במהירויות של רזולוציה פשוטות.

פיתוח Envelope Optimization: Insulation ו-Windows

המעטפה הבניין - קירות, גג, חלונות ודלתות - קובע כמה חום נכנס או עלים. תכנות אינסטלגר מייעל את המיקום ואת סוג של רכיבים אלה. עבור חלונות, משתנים integer נבחרים בין סוגים חלון מוגדר מראש (double-pane נמוך, משולש-pane, וכו ') ולהחליט אם להתקין חלון על קטע קיר נתון.

עבור בידוד, תכנות integer יכול לבחור בין עוביים בידוד דיסקרטי (למשל, 2, 4, 6 אינץ ') עבור כל משטח בניין.המטרה עשויה למזער אנרגיה חימום וקירור הכולל לאורך שנה, בכפוף לקצוב תקציב. Constraints גם להבטיח יושרה מבנית וקוד.

עיצוב מערכת ושליטה

תאורה מהווה כ 15% של שימוש באנרגיה בבניית מסחרי.Integer Programming מייעל את הבחירה של luminaires (וואטים אחרים ויעילות), מיקום חיישני אור יום, ותזמון של רמות dimming. Binary משתנים להחליט אילו תיקונים להתקין ואשר הם דימונים; משתנים מתמשך להגדיר רמות תאורה מלאכותיות.

היתרונות של Integer תכנות בבנייה

החלטות בעלות עלות

היתרון העיקרי של תכנות integer הוא היכולת למצוא פתרונות אשר מאזן הוצאות הון עם חיסכון תפעולי.לדוגמה, השקעה בחלונות ביצועים גבוהים עשוי להיות יקר upfront אבל לחסוך אנרגיה במשך עשרות שנים. מודל IP יכול להעריך את הבורסות על פני אלפי תרחישים לזהות את הנקודה האופטימלית.זה איזון מפורש למנוע פיזור על תכונות עם החזרים שוליים ולהימנע מהשתתפות שמובילה לחשבונות שירות גבוה.

אנרגיה ונפטון

על ידי אופטימיזציה של כל היבט מתמשך של מערכות האנרגיה של הבניין, תכנות integer ישירות להפחית צריכת אנרגיה פליטת גזי החממה הקשורים פליטות גזי החממה. מחלקת האנרגיה של ארה"ב (IRLT:0DOEFLT:1) מימן פרויקטים מרובים באמצעות MIP עבור עיצוב בניין אפס אפס, השגת ירידה של 40-60 אחוזים באנרגיה בשימוש אנרגיה לעומת מבנים קוד-מינימאט בשילוב עם אנרגיה.

תמיכה ב-Green Building Certifications

מודלים תכנות Integer יכול לכלול מדדים קיימות הנדרשים עבור הסמכה כגון LEED, BREEAM, או Passive House. לדוגמה, אשראי LEED V4.1 דורש אופטימיזציה של ביצועים אנרגיה באמצעות סימולציה של בנייה מלאה; מודל IP הממזער את השימוש באנרגיה תורם ישירות לאשראי זה. בדומה, המודל יכול לקחת בחשבון עבור emboated של חומרי פחמן, דרישות הסמכה מתפתחת אחרת.

אינטראקציה מורכבת

מערכות בנייה אינטראקציה לא ליניארית.הוספת יותר בידוד מפחיתה את העומס HVAC, אבל גם מפחית את היכולת של משאבת חום הנדרשת - אשר בתורו משנה את המספר האופטימלי של לוחות סולאריים.Integer תכנות ללכוד את התלויות הבין-תחומיות האלה כי הפונקציה האובייקטיבית והמגבלות יכולים לכלול תנאים כי זוג משתנים.לא הואי או שיטת עיצוב סייטרלי יכול להתאים את האופטימיזציה הוליסטית מודל IP יחיד מספק זה עיצובים לא רק אנרגיה פנימית יעילה.

אתגרים ביישום Integer Programming

מורכבות

בעיות תכנות באנטגר הן NP-Hard בכלל, כלומר פתרון אותם למקרים גדולים מאוד (למשל, מאות אלפי משתנים integer) יכול להיות לא מעשי ללא טכניקות מתקדמות.עבור עיצוב בנייה, מודלים עם כמה מאות משתנים integer בדרך כלל כל כך ברם בתוך דקות, אבל אופטימיזציה של בנייה מלאה הכוללת תזמון של שעות לאורך שנה עשויה לכלול מיליוני משתנים.

איכות נתונים ו unquity

מודלים תכנות Integer דורשים נתונים קלט מדויק: קבצי מזג אוויר, לוח זמנים דיקור, עקומות יעילות ציוד, מבני קצב השירות, ועלויות חומריות. Unוודאויות בקלטות אלה יכולות להוביל לביצועים של עולם המציאות suboptimal. כדי לטפל זה, אופטימיזציה חזקה ותוספים סטוצ'סטיים משלבים מערכות אי ודאות או התפלגות הסתברות, מה שהופך את הפתרון למשתנים.

שילוב עם כלי סימבול

רוב כלי סימולציה אנרגיה (למשל, אנרגיהPlus, TRNSYS) אינם נועדו להיות מוטבע בתוך מפתרי תכנות integer. במקום זאת, מתרגלים חייבים ליצור מודלים חלופיים - תוקפנות מוגברת מוגברת או נטיות עצביות - שלוכדים את התנהגות הבנייה במהירות מספיק עבור המפת לקריאה חוזרת על פני השטח בין דיוק ומהירות המחקר האחרון מתמקדת ב-Fgreating מודל: שיפור פיפסת נתונים ללא תיקון מהיר.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

שיטות היברידיות: IP + Machine Learning

אזור מבטיח משלב תכנות integer עם למידת מכונה.לדוגמה, רשת עצבית יכולה לחזות תגובה תרמית, ולאחר מכן את השימושים כי בחיזוי בתפקוד האובייקטיבי. כי רשתות עצביות הן לא לינאריות (אפילו לאconvex), טכניקות מיוחדות כגון FLT:0mixed-integer תכנות ללא אופטימיזציה עצבית של רשתות עצביות מאוישות:1 פותחים.

שילוב עם בניית מודל מידע (BIM)

פלטפורמות BIM כמו Autodesk Revit מכיל נתונים סמנטיים עשירים על בניית גאומטריה, חומרים ומערכות. באופן אוטומטי תמצית של משתנים ומגבלות רלוונטיים ממודלים BIM ולהאכיל אותם לאופטימיזציה יכול להפחית באופן דרמטי את המאמץ ידני. אבות טיפוס מוקדמים להוכיח כי צינור BIM-to-MIP יכול ליצור, לפתור, ולאחר מכן לכתוב פרמטרים עיצוב אופטימלי למודל BIM, המאפשרים פתרונות עיצוב אמיתי-זמן עבור קטגוריות (מעבדות זמן קצר) של זמן.

פתרונות מבוססי ענן ו Scalability

מחשוב ענן הפך פותרים ביצועים גבוהים נגישים לחברות אדריכלות קטנות והנדסתות.שירותים כמו Amazon Web Services ו-Google Cloud מספקים גישה לפתרי ביצועים מתקדמים (Gurobi, CPLEX) על בסיס תשלום-שימושי.זה מוריד את המחסום לכניסה. בשילוב עם מחשוב מקביל, מודלים שפעם לקח שעות ניתן לפתור תוך דקות, מה שהופך תכנות אפשרי לשימוש יומיומי במשרדי עיצוב.

מודלים מתקדמים ומודלים מוגדרים מראש

כדי להאיץ אימוץ, החוקרים מפתחים תבניות IP שנבנו מראש עבור סוגי בנייה משותפים (משרדים, בתי ספר, בתי חולים) תבניות אלה כוללות מגבלות אופייניות (ציות קוד, להקות נוחות) ופונקציות אובייקטיביות (עלויות אנרגיה, פחמן או ערך נוכחי נטו) משתמשים רק צריכים קלט נתונים ספציפיים לפרויקט (גודל, מיקום, פרמטרים) מחסנים רחב יותר (pLT:0ASHRAEFLT:1 Handbook ו-Educerreative Buildings) כוללים הנחיות לשימוש בפרמטרים מסחריים.

צעדים מעשיים ליישום תכנות Integer בפרויקט שלך

1. (ב) [ה]ההיקף של ההיקף של ה- 1 (ה- 1:0) – אילו מערכות יתאים?התחל עם הדור המתחדש וה-HVAC, ואז יתרחבו לעטוף ולבקרות.
2. (FLT:0)Collect DataFLT:1 - קבצי מזג האוויר Gather (TMY3), מכסי תועלת, קטלוגי ציוד (כולל עקומות מטען חלקי), ועלויות הבנייה.
3. (FLT:0) בחרה פתרון של ®FLT:1 - עבור מודלים קטנים (ביותר מ 500 משתנים integer), קוד פתוח פותרים כמו HiGHS או SCIP מספיקים.עבור מודלים גדולים יותר, פותרים מסחריים (Gurobi, CPLEX) מספקים ביצועים טובים יותר.
4. (FLT:0) לבודד את המודל של מודל FLT:1 - לכתוב משתנים החלטות, תפקוד אובייקטיבי ומגבלות. השתמש במשתנה בינארי עבור כן / ללא החלטות ובאופן כללי לסעיפים.
5. (ב) ,0) , פרש ופרשן 1 (לרוץ את המפת, לבדוק את פער אופטימליות.אם הפער גדול, להוסיף אי-שוויון תקף או להשתמש בהיסטרי כדי למזג אוויר חם.
6. (FLT:0)Iterateph:1 ; סירוב המודל מבוסס על ניתוח רגישות.לדוגמה, הפעלת המודל ללא הגבלת התפוצה (LPרגיעה) מראה היכן הפתרון המתמשך נמצא; זה יכול להדגיש אילו החלטות אינטגרטיביות הן קריטיות ביותר.

ההרחבה: A Vital Tool for Sustainable Building Design

תכנות Integer משנה את הדרך שבה מעצבים ניגשים לבניינים יעילים באנרגיה.על ידי ייצוג מפורש של אפשרויות דיסקרטיות, הוא ללכוד את הטבע האמיתי של החלטות בנייה - אתה בוחר מספר שלם של רכיבים, לא רקיקים.הטכניקה מספקת עיצובים זולים יותר לרוץ, נמוך פחמן, ונוח יותר עבור הדיירים, בעוד אתגרים חישוביים נשארים, התקדמות באלגוריתמים, מחשוב ענן, ושילוב BIM הם מקבל IP רחב יותר כדי להפוך את הטכנולוגיה הטובה ביותר, כמו אדריכלים אנרגיה מתקדמת.

---

(ב) ◄ [13]

• המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) – אופטימיזציה של מערכות השמש-Plus-Storage Systems:0 ,https: www.nrel.gov/analysis/optimization.htmlאנדרט
• משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) - מחקר בנייה מסחרי:0https: www. Energy.gov/eere / Buildings/ Commercialss EvolutionFLT:1
• ASHRAE - Advanced Energy Design Guides:0.25s: www.ashrae.org/technical-resources/advanced- EnergydesignsFLT 1