Integer Programlamanın Bina Enerji Optimizasyonu'ndaki Rolü
Modern binalar küresel enerji tüketiminin yaklaşık% 40'ını ve benzer bir karbon dioksit emisyonlarının payı için hesap verir.Bu ayak izi azaltmak, mimarlar ve mühendisler, tam bir programlama, ısıtma ve soğutma ekipmanının doğru sayısını seçmek, yalıtım kalınlıklarını seçmek ve program ekipman çalışmasını seçmek zorundasınız - tüm bunlardaki modeller içinde kalmak ve tam olarak rahatlatmak için aşağıdaki seçeneklerden oluşmaktadır: bir tane ürpertici veya güneş panelini kesebilir, tam anlamıyla programlama, bir matematik optimizasyonun bir kolu, bina tasarımı problemlerini formüle etmek, tümleşik programlama modellerinde, uygulama yapanların çoğu, en küçük enerji tasarımını en aza indirmek veya en yüksek çözünürlükte bir şekilde tanımlamak için mümkün değildir.
Anlaş Integer Programlamayı Anlamak
What Makes Integer Programming different
Integer programlama (IP) en az bir karar değişkeninin tam anlamıyla değerlerle sınırlı olduğu bir optimizasyon sınıfıdır. Tüm değişkenlerin gerçek sayılarını aldığı, tam olarak değişkenleri oluşturabilmeleri için, 2.7 HVAC birimleri veya 3.2 pencereleri seçemezsiniz.Daha yaygın olarak değişkenleri ) - sadece 0 veya 1 puan alan değişkenler - belirli bir ekipman veya başka bir parçayı temsil etmek için kullanılan, belirli bir ekipman veya hangi bir pencere için seçim yapmak için tercih edebilirsiniz.
Karma-Integer Programlama
Bina uygulamaları için en pratik form, [[0)mixed-integer programlama[Dönetici: MIP), hem CPLEX hem de sürekli değişkenleri içeren modern çözücüler ve açık kaynaklı alternatifler (örneğin, HiGHS) aynı anda optimize edilebilir. MIP modelleri saf LP problemlerinden daha gerçekçi bir şekilde çözmek için daha zorlanabilir.
Integer Programlama Modelleri Yapılı
Her IP modelinin üç bileşeni vardır:
- [FONT:0)Decision değişkenleri[[Dönetici: 1 ) - belirlenen miktarlar veya seçimler (örneğin, x i = 1 ısı pompası kurulsa, 0 aksi takdirde).
- [FONT:0)Objective işlevi[Dönetici: 1) En aza indirmek veya en üst düzeye çıkarmak (örneğin, toplam yıllık enerji maliyeti, karbon emisyonları veya net mevcut değer).
- [FONT=0]Constraints[[Dönetici: 1 ) – fiziksel sınırlar, bütçe kapakları, performans gereksinimleri (örneğin, kapalı sıcaklık 20°C ve 26°C, toplam yüklü kapasite zirve yüküyle karşılamalıdır.
Tamsa ve sürekli değerlerin kombinasyonlarını, tüm kısıtlamaları tatmin ederken en iyi amacı elde eden aramalar. Çünkü arama alanı tam olarak tam anlamıyla tamsa değişken sayısı ile birlikte, heuristic ve şube-ve-bound yöntemler aramayı verimli bir şekilde ele almak için kullanılır.
Enerji-Efficient Building Design
Yenilenebilir Enerji Sistemi Sizleme ve Seçme
Tam programlamanın en etkili kullanımlarından biri yenilenebilir enerji sistemleridir. Tipik bir problem, bir 300-nbsp panel, rüzgar türbinleri veya batarya depolama birimlerinin bir bina yük profili ile birlikte, sabit bir ekipman modellerini yakalamasını içerir (örneğin, 300 W paneli vs. 400 W panel) ve bir sistem kurmak için sürekli olarak değişkenleri temsil edebilir.
Araştırma, MIP modellerinin çatı alanı ve yapısal yük kapasitesi gibi yüksek enerji miktarını azaltabileceğini gösteriyor.Özellikle zaman kullanım elektrik tarifeleri ile birleştirildiğinde, model, yüksek çözünürlükte yüksek enerji depolamak için karmaşık programlamayı kullanabilir ve ticari binalar için kısıtlamalar için hesap verebilir.
HVAC Sistemi Tasarımı ve Scheduling
Isıtma, havalandırma ve hava kontrolü (HVAC) sistemleri genellikle bir binanın enerji kullanımının% 40–60'ı hesaba katmaktadır.Integer programlama iki şekilde yardımcı olur:0)[Döneticileri ve yıllık enerji maliyetinin bir kombinasyonunun ( talep ücretleri dahil) en aza indirmek için kullanılabilir.
Programlama için, ekipman veya çıkış (binary değişkenler) olduğunda tam anlamıyla programlama kontrolleri ve hangi seviyede ısıtılmış ısıtılabilir.Bu özellikle optimize edilmiş soğutucu soğutucu akış (VRF) sistemleri veya birden fazla birim bir yük paylaştığı soğuk su döngüsü için değerli. A MIP tabanlı programlayıcı, zaman ve ön soğutma saatleri sırasında şaşırtıcı bir şekilde talep edilebilir.
Örnek: Soğutma Sequencing
Beş tane aynı soğukla bir bina düşünün, her biri ayrı bir kapasiteyle 100 ton. Soğutma yükü gün boyunca değişir.Herhangi bir tamsayı programlama modeli, hangi ısıtıcıları (0-5) ve her yıl ne kadar düşük yükün şarj oranını sağlar.
Yapı En Geliştirme Optimizasyonu: Yalıtım ve Windows
Bina zarfı - duvarları, pencereleri ve kapılar - belirli bir duvar segmentinde pencereyi kurmak veya bırakmak için karar verir.Integer programlama bu bileşenlerin yerleştirme ve tipini optimize eder.For windows, tam değişkenleri önceden tanımlanmış pencere türleri arasında seçilir (çift-pane, üç-pane, vs.) ve belirli bir duvar segmentinde pencereyi kurmak için karar verir.
Konfor için, tam anlamıyla programlama ayrı yalıtım kalınlıkları arasında seçim yapabilir (örneğin, 2, 4, 6 inç) her bina yüzeyi için. Hedef, bir yıl boyunca toplam ısıtma ve soğutma enerjisini en aza indirmek için, büyük bir bütçe sınırlaması ile ilgili olarak, iklimlerdeki en büyük kazançlara göre % 25'e kadar azaltılabilir.
Aydınlatma Sistemi Tasarımı ve Kontrol
Ticari bina enerji kullanımının yaklaşık% 15'ini aydınlatma hesapları.Integer programlama, her çalışma alanında ve üniformalı ışık dağıtımlarında minimum ışık seviyesini optimize eder ve ölçümleme seviyesi için hesaplama seviyelerinin hesaplanması.Dönetici değişkenleri hangi noktada ayarlanabilir; sürekli değişkenler ayarlandığında, ölçümleme seviyelerinin her çalışma alanında minimum ışık dağıtım seviyelerinin minimuma ulaşmasına olanak sağlar.
Integer Programming in Building Design
Maliyet-Effective Decision Making
Tam programlamanın birincil yararı, sermaye harcamalarının operasyonel tasarruflarla dengelendiğinin çözümlerini bulma yeteneğidir. Örneğin, yüksek performanslı pencerelere yatırım yapmak pahalı olabilir ancak on yıllardır enerji tasarrufu sağlar. Bir IP modeli, binlerce senaryoda ticaret-offlarını değerlendirebilir ve en uygun noktayı belirleyebilir.
Enerji ve Karbon Azaltımı
Bir binanın enerji sistemlerinin her ayrı ve sürekli yönünü optimize ederek, tam anlamıyla programlama doğrudan enerji tüketimini ve ilişkili sera gazı emisyonlarını azaltır. ABD Enerji Bakanlığı ()DOE) ile bir araya geldiğinde, MIP'i net-zero bina tasarımı için kullanarak çok sayıda proje finanse etti, enerji kullanımında% 40-60 azalma elde etti.
Yeşil Bina Sertifikaları için Destek
Integer programlama modelleri, LEED, BREEAM veya Passive House gibi sertifikalar için gerekli olan sürdürülebilirlik ölçümlerini içerebilir. Örneğin, LEED v4.1 kredi, tüm inşa simülasyonunu kullanarak enerji performansını optimize etmek gerektirir; enerji kullanımını en aza indiren bir IP modeli, bu krediye doğrudan katkıda bulunur.
Kompleksi Etkileşimleri
Bina sistemleri doğrusal olmayan bir şekilde etkileşime girer. Daha fazla yalıtım yüklemesini azaltır, ancak aynı zamanda gerekli bir ısı pompasının kapasitesini azaltır - bu da sadece enerji tasarrufu olmayan tasarımları döndürür.Integer programlama bu bağımsızlığı ele alır, çünkü objektif fonksiyon ve kısıtlamalar çift değişkenleri içerebilir.Heuristic veya eşdeğer bir tasarım yöntemiyle eşleşen bir IP modelinin yalnızca enerji verimliliğine yol açar.
Integer Programlamaya Uygulanan Zorluklar
C ⁇ Kompleksiity
Integer programlama problemleri genel olarak NP-hard, bu yüzden onları çok büyük örnekler için çözmeyi (örneğin, yüzlerce tamsayı değişken) ileri teknikler olmadan pratikleştirilebilir.Yapılabilir alt sayılarla ilgili modeller genellikle birkaç yüz tamsayı değişkenle çözülür, ancak bir yıl boyunca sürekli olarak planlamayı içeren tüm inşa optimizasyonlar milyonlarca değişkeni içerebilir.Decomposition yaklaşımları, Benders deimleme veya sütun nesli gibi, problemin çözülebilir.
Data Quality and Uncertainty
Integer programlama modelleri doğru giriş verileri gerektirir: hava dosyaları, ccupancy programları, ekipman verimliliği eğrileri, fayda oranı yapıları ve malzeme maliyetleri. Bu girişlerdeki belirsizlikler altoptimal gerçek dünya performansına yol açabilir.Bu, sağlam optimizasyon ve stochastic programlama uzantılarını ele almak için, belirsizlik setleri veya olasılık dağıtımlarını birleştirir, değişkenleri için çözümü yapar.
Simülasyon Araçları ile entegrasyon
Enerji simülasyon aletleri (örneğin, EnerjiPlus, TRNSYS), tam bir programlama çözümünde yer alan bir ticarete dahil olmak üzere tasarlanmıştır. Bunun yerine, uygulayıcılar, gerçekleme modellerini oluşturmalıdır (örneğin, gelişmiş regresyon veya sinir-network-taraflar – bu yakalama bina davranışını defalarca optimize etmek için yeterince hızlı bir şekilde yakalarlar.Bu, doğruyu ve hızın arasına dahil edilmesi için bir ticaret yapma.)
Future Yol ve Gelişen Trendler
Hibrit Yöntemler: IP + Machine Learning
Bir umut verici alan, makine öğrenimi ile tam anlamıyla programlamayı bir araya getiriyor. Örneğin, bir sinir ağı, eğitimli sinir ağları ile binayı tahmin edebilir ve sonra, mantıksal ağların büyük-M formülasyonlarını kullanarak kısıtlayıcı ağların kümesi olarak kullanılmasını sağlar.Bu, son derece iyileştirici optimizasyon sağlar.
Yapı Bilgi Modeli ile entegrasyon (BIM)
Autodesk Revit gibi BIM platformları, BIM modeline ilişkin zengin semantik veriler içeriyor ve BIM modeline uygun olarak uygun tam zamanlı değişkenleri ve kısıtlamaları ekliyor ve bunları optimize eden standartlarda manuel çabayı çarpıcı şekilde azaltabiliyor. Erken prototipler BIM-MIP boru hattının üretebileceğini gösteriyor, çözebiliyor ve sonra BIM modeline en uygun tasarım parametrelerini BIM modeline geri yazabiliyor. Endüstri temel sınıfları (IFC) standartları yakında bu amaç için optimizasyon parametrelerini içerebilir.
Bulut tabanlı Solvers ve Scalability
Bulut bilişimi küçük mimarlık ve mühendislik firmalarına erişilebilir yüksek performanslı çözücüler yapmıştır. Amazon Web Services ve Google Cloud gibi hizmetler, tasarım ofislerinde günlük kullanım için tam anlamıyla programlama sağlayabilir (Gurobi, CPLEX). Bu, giriş için bariyeri azaltır.
Standartlaştırma ve Pre-Configured Modeller
Kabulü hızlandırmayı hızlandıracak, araştırmacılar ortak bina türleri için önceden inşa edilmiş IP şablonları geliştiriyorlar (bakım, okullar, hastaneler). Bu şablonlar tipik kısıtlamalar içerir (kolay, konfor grupları) ve objektif fonksiyonlar (enerji maliyeti, karbon veya net mevcut değer) Kullanıcılar sadece giriş projesine özgü verilere ihtiyaç duyuyorlar (size, konum, muhafaza parametreleri).
Projenizde Integer Programlamayı Uygulamak için Pratik Adımlar
- [FONT:0)Köpektifin kapsamını[[Dönetici: 1 ) Tanımlayın - Hangi sistemler optimize edilecek? HVAC büyüklüğü ve yenilenebilir nesil ile başlayın, sonra zarf ve kontrollere genişletin.
- [FONT:0)Köpek verileri[[Dönetici:0)[Dönetici:0))Köpektif hava dosyaları (TMY3), faydalı tarifeler, ekipman katalogları (kendi yük eğrileri dahil), ve inşaat maliyetleri.
- [FONT=0]Choose a solutionr[Dönetici: 1 ) - Küçük modeller için ( 500 tamsa değişkenden fazla cevap), HiGHS veya SCIP gibi açık kaynaklı çözücüler yeterlidir. Daha büyük modeller için, ticari çözücüler (Gurobi, CPLEX) daha iyi performans sağlar.
- [FONT=0) Modeli[Dönlendirmek[Dönetici:0)[Dönlendirmek için Model[Dönetici:0)[Dönlendirmek için ikili değişkenleri yazın.
- [FONT:0]Solve ve yorum[[Dönetici: 1 ) – Çözülenleri çalıştırın, en iyi boşlukları kontrol edin, uygun eşitsizlikleri ekleyin veya bir heuristic to warm-start thePolonya kullanın.
- [FOD:0]Iterate[[[Dönetici:0)[[[Dönetici:0))[[Dönetici[Dönetici], tamsayın kontrolü olmadan modeli geri çevir.
Sonuç: Sürdürülebilir Bina Tasarımı için Bir Vital Tool
Integer programlama, tasarımcıların enerji verimli binalara yaklaşımının bir yolunu değiştirir.Açıkçası tercih ederek, inşaat kararlarının gerçek dünya doğasını ele alır - tüm bileşenleri seçin, kesik olmayan tasarımları sunar, ancak, daha düşük karbon, ve daha rahat olan yolcuları temsil ederken, bilgisayar destekli problemleri çözülür ve BIM entegrasyonu, daha geniş bir topluluk için IP erişilebilir hale getirir.
[FONT:0)Dönemli Referanslar[Dönemli:0)
- Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) - Güneş-Plus-Storage Sistemlerinin Optimizasyonu: 0:0)https://www.nrel.gov/anized/optimization.html).
- ABD Enerji Bölümü (DOE) - Ticari Binalar Araştırma: 03.Üye:0)https://www.enerji.gov/eere/builds/commercial-builds).
- ASHRAE – Gelişmiş Enerji Tasarımı Rehberleri: [ÜDÜT:0)https://www.ashrae.org/teknik-resources/advanced-enerji-design-guides).