中国寒冷地区住宅建筑围护结构的生命周期碳排放、全球成本及热舒适度的优化

建筑行业是碳排放主要来源之一，本研究提出基于机器学习和进化算法的协同优化框架，综合考虑生命周期碳排放、成本及热舒适度。通过参数建模、混合代理模型和NSGA-II算法实现设计-操作参数的协同优化，并运用SHAP分析量化变量贡献。案例研究表明优化后碳排放减少19.2%，成本降低21%，不适时数减少73.6%。

邹Patrick X.W. | 李浩泽

长安大学，中国陕西省西安市710064

摘要

全球建筑行业是碳排放的主要来源之一，建筑围护结构材料和几何配置的选择对建筑的生命周期碳排放和总成本有着显著影响。此外，人们对建筑室内热舒适性的需求持续增加，这要求从生命周期的角度对减少碳排放、降低成本和降低热不适小时数这三个目标进行综合优化。现有的研究主要集中在静态设计优化或单独的操作控制上，缺乏对同时考虑这三个目标的“设计-操作”协同效应的系统性研究。为了解决这一差距，本研究开发并验证了一个基于生命周期的三目标优化框架，该框架整合了仿真建模、基于机器学习的替代模型和进化算法，以实现建筑碳排放、经济成本和热舒适性的协调优化。具体而言，本研究开发并验证了一个多目标优化框架，该框架将LightGBM与NSGA-II相结合，同时考虑了建筑围护结构设计和操作中操作变量组合的影响。为了提高可解释性，进一步采用了基于SHAP的敏感性和交互分析方法来量化设计和操作变量对这三个目标的贡献和耦合效应。研究结果表明，与基准设计相比，优化后的解决方案将不适小时数减少了约73.6%，总成本降低了约21%，生命周期碳排放减少了约19.2%。研究结论认为，所提出的优化框架有效提升了建筑围护结构的性能，并为在保持热舒适性的同时减少建筑围护结构的碳排放和总成本提供了实用工具。

章节摘录

引言和研究目的

建筑行业在全球温室气体（GHG）减排中占据关键地位。根据国际能源署（IEA）2025年发布的数据，建筑运营和建设过程中的排放占全球能源相关排放量的三分之一以上[1]，这使得建筑行业在减排方面具有最大的潜力[2]。为应对气候变化和温室效应，中国提出了相应的战略...

方法论

本研究提出了一个针对住宅建筑围护结构的三目标优化框架，优化目标是生命周期碳排放（LCCE）、总成本（GC）和热不适小时数（TDH）。该框架基于参数化建模、能源性能仿真、混合替代建模、基于SHAP的敏感性和交互分析以及进化多目标优化的综合应用构建。整体工作流程如图所示...

生命周期碳排放（LCCE）的计算

隐含碳排放的计算采用了基于中国国家标准《建筑碳排放计算标准（GB/T 51366-2019）》的排放因子方法。标准中规定的方程和因子被用来建立隐含碳排放模型。隐含碳排放的计算包括了原材料提取、建筑材料生产、运输和建筑机械运行过程中的排放...

典型案例描述

本研究选择的案例研究建筑位于中国呼和浩特市（北纬40°52′26.98″，东经111°43′29.11″）。呼和浩特属于寒冷气候区，冬季供暖需求较高，供暖期为180天。为了确保设计与实际运行的一致性，设备、照明和人员使用计划参考了中国国家标准《建筑节能通用规范》中的相关标准...

结论

本研究的结果强调了在统一优化框架内整合设计和操作参数及变量的有效性。通过共同优化建筑围护结构配置和操作参数，该框架有效解决了生命周期碳排放、总成本和热舒适性之间的权衡问题。案例研究结果表明，对绝缘厚度、窗墙比等参数的协调控制...

CRediT作者贡献声明

邹Patrick X.W.：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，资源管理，项目协调，资金筹集，数据整理，概念构思。李浩泽：撰写 – 初稿，可视化，验证，软件开发，资源管理，方法论研究，数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。