現(xiàn)有的住宅改造工具通常只優(yōu)化有限的改造措施，使用簡(jiǎn)化的經(jīng)濟(jì)假設(shè)，或者與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的能源評(píng)級(jí)軟件不兼容，這限制了它們對(duì)從業(yè)者和政策制定者的實(shí)用性。本文提出了一種生命周期能源成本模型（LECM），該模型將AccuRate建筑能源模擬與基于費(fèi)用的能源成本模型相結(jié)合，并使用遺傳算法來(lái)確定現(xiàn)有住宅的最低成本能源效率改造方案。該模型在當(dāng)前和預(yù)期的能源費(fèi)用、改造安裝成本以及補(bǔ)貼條件下，最小化了15年的年均成本。該框架同時(shí)探討了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造（地板、墻壁和天花板保溫以及窗戶）、暖通空調(diào)（HVAC）和熱水設(shè)備的電氣化、屋頂太陽(yáng)能發(fā)電以及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

LECM應(yīng)用于墨爾本一座具有代表性的2000年前的獨(dú)立住宅。通過(guò)與暴力搜索方法的對(duì)比驗(yàn)證，證實(shí)了遺傳算法能夠可靠地找到全局最小值，展示了其強(qiáng)大的收斂性和計(jì)算效率。對(duì)于本案例研究中的住宅，最低成本改造方案優(yōu)先考慮了具有成本效益的圍護(hù)結(jié)構(gòu)升級(jí)措施，包括R2.0等級(jí)的天花板保溫、R2.0等級(jí)的地板保溫、R1.9等級(jí)的墻壁內(nèi)保溫以及提高氣密性的密封措施（使NatHERS能源評(píng)級(jí)提升至約5星），用熱泵HVAC系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)替換燃?xì)庠O(shè)備，以及安裝約4.0千瓦的屋頂太陽(yáng)能系統(tǒng)。這些措施共同將能源費(fèi)用降低了約75%，回報(bào)周期約為9年。只有在特定的補(bǔ)貼和費(fèi)用條件下，更大規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能才具有經(jīng)濟(jì)吸引力。敏感性分析表明，資本成本和融資假設(shè)是經(jīng)濟(jì)可行性的主要驅(qū)動(dòng)因素，能源費(fèi)用預(yù)測(cè)的影響相對(duì)較小。研究結(jié)果展示了如何通過(guò)一個(gè)綜合的、以成本為中心的優(yōu)化框架，為溫帶氣候地區(qū)的現(xiàn)有住宅設(shè)計(jì)實(shí)用的、最低成本的脫碳路徑。

引言

建筑（住宅和商業(yè)建筑）是全球能源需求和溫室氣體排放的主要來(lái)源[1]，對(duì)提高能源效率和實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。隨著政府和家庭尋求應(yīng)對(duì)不斷上漲的能源成本和氣候壓力的方法，改善現(xiàn)有住宅的能源性能已成為全球范圍內(nèi)的關(guān)鍵策略[2][3][4]。用節(jié)能技術(shù)改造老舊住宅是一種實(shí)用的途徑，可以減少碳排放、提升熱舒適度并降低家庭能源費(fèi)用[5]。

全球范圍內(nèi)的住宅建筑在能源性能方面逐步得到改善[6]，這主要得益于各國(guó)建筑規(guī)范與國(guó)家能源評(píng)級(jí)目標(biāo)保持一致的監(jiān)管變化[7][8][9]。歐盟的《建筑能源性能指令》（EPBD）[10]要求提高建筑的熱性能標(biāo)準(zhǔn)，作為其接近零能耗（NZEB）戰(zhàn)略的一部分。在英國(guó)，《建筑法規(guī)》中的《燃料和電力節(jié)約》（Part L）[11]設(shè)定了推動(dòng)新建建筑和改造項(xiàng)目達(dá)到凈零能耗目標(biāo)的效率要求。而在澳大利亞，《國(guó)家建筑規(guī)范》（NCC）[12]要求新建筑在《全國(guó)房屋能源評(píng)級(jí)計(jì)劃》（NatHERS）[13]下的能源效率評(píng)級(jí)至少達(dá)到7星。在改進(jìn)的效率要求實(shí)施之前，已有超過(guò)700萬(wàn)棟住宅建成[14][15][16]，其中大多數(shù)能源效率極低。鑒于許多住宅預(yù)計(jì)會(huì)使用50到100年[17]，對(duì)現(xiàn)有住宅進(jìn)行改造是一個(gè)減少能源需求和家庭能源費(fèi)用的關(guān)鍵機(jī)會(huì)[18]。能源效率改造通常分為三類：建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造、設(shè)備升級(jí)以及現(xiàn)場(chǎng)可再生能源的利用[18]。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造——包括安裝墻壁、天花板、地板和屋頂保溫材料[19]；改進(jìn)窗戶玻璃和遮陽(yáng)設(shè)施[20]；以及提高氣密性[21][22]——可以顯著降低供暖和制冷負(fù)荷。多項(xiàng)研究通過(guò)案例分析和廣泛的建模練習(xí)[23][24][25]考察了保溫改造的效果。這些分析一致報(bào)告了顯著的能源節(jié)省效果；然而，它們往往采用簡(jiǎn)化的成本假設(shè)，并優(yōu)先考慮技術(shù)性能而非經(jīng)濟(jì)可行性，有時(shí)推薦的保溫水平在實(shí)際操作中并不具有經(jīng)濟(jì)可行性[26][27][28]。

設(shè)備升級(jí)可以進(jìn)一步降低運(yùn)行中的能源消耗，特別是通過(guò)采用高效供暖、制冷和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)以及熱水系統(tǒng)[29]，其中熱泵因其卓越的性能而尤為突出[30]。其他措施，如LED照明升級(jí)和廚房電氣化，也被認(rèn)為有助于節(jié)約能源[31]，但它們不在本研究的主要關(guān)注范圍內(nèi)。

住宅電氣化的趨勢(shì)增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)可再生能源發(fā)電的經(jīng)濟(jì)可行性[32]。在2024/25財(cái)年，屋頂太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)產(chǎn)生了27.9太瓦時(shí)的電能，占澳大利亞總供電量的12.8%[33]。然而，隨著太陽(yáng)能滲透率的增加，強(qiáng)制性的上網(wǎng)電價(jià)有所下降，降低了出口電力的價(jià)值[34]。為此，越來(lái)越多地采用電池來(lái)提高太陽(yáng)能的自給自足能力和改善負(fù)荷匹配[35][36]。盡管最近的優(yōu)化研究已經(jīng)考察了太陽(yáng)能和電池[37][38][39]，但這些研究通常單獨(dú)分析這些技術(shù)，而不是將其作為整體住宅改造策略的一部分。

將多種技術(shù)整合到改造方案中會(huì)增加復(fù)雜性，因?yàn)槎喾N系統(tǒng)在家庭能源系統(tǒng)中會(huì)動(dòng)態(tài)交互。例如，改進(jìn)的保溫材料可以減少供暖和制冷負(fù)荷，從而改變暖通空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)模需求[30]。同樣，太陽(yáng)能和電池系統(tǒng)可以抵消電力成本，但在有限的預(yù)算下可能會(huì)與設(shè)備升級(jí)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。有效的改造設(shè)計(jì)必須在安裝成本、運(yùn)行節(jié)省和熱舒適度之間取得平衡，同時(shí)考慮不同的氣候區(qū)、建筑標(biāo)準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)的費(fèi)率結(jié)構(gòu)以及可用的政府補(bǔ)貼。

現(xiàn)有的改造優(yōu)化工具存在若干局限性。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具主要通過(guò)能源星級(jí)評(píng)級(jí)來(lái)評(píng)估建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能，通常缺乏集成優(yōu)化能力、使用實(shí)際費(fèi)率的能源成本計(jì)算能力，或者無(wú)法模擬多種不同的改造方案[40]。許多針對(duì)特定技術(shù)的優(yōu)化研究?jī)H關(guān)注電池、太陽(yáng)能系統(tǒng)或HVAC配置，而沒(méi)有考慮更廣泛的改造策略。使用TRNSYS等軟件進(jìn)行的詳細(xì)物理模擬通常需要對(duì)建筑模型、暖通空調(diào)系統(tǒng)和熱水器進(jìn)行大量調(diào)整，計(jì)算量大、耗時(shí)較長(zhǎng)，且不適合大規(guī)模應(yīng)用[41][42]。此外，許多方法忽略了實(shí)際的成本核算，直接將能源節(jié)省轉(zhuǎn)化為成本估算，而沒(méi)有考慮設(shè)備效率、動(dòng)態(tài)費(fèi)率或可用的政策激勵(lì)措施。

這些不足表明需要一個(gè)統(tǒng)一的框架，能夠根據(jù)住宅條件優(yōu)化多標(biāo)準(zhǔn)的整體住宅改造方案，并提供現(xiàn)實(shí)的能源成本估算[5]。為滿足這一需求，本研究提出了一種新穎的優(yōu)化工具，用于設(shè)計(jì)全面的住宅能源效率改造方案。該工具同時(shí)評(píng)估多種選項(xiàng)，包括建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造（保溫和玻璃）、暖通空調(diào)和熱水系統(tǒng)的升級(jí)、屋頂太陽(yáng)能系統(tǒng)的安裝以及電池儲(chǔ)能的安裝。它與NatHERS認(rèn)證的軟件接口，以計(jì)算熱負(fù)荷和星級(jí)評(píng)級(jí)，根據(jù)特定設(shè)備的效率模擬家庭電力和燃?xì)庀�耗，并�?yīng)用遺傳算法根據(jù)模擬期間的總業(yè)主成本優(yōu)化改造方案。實(shí)際變量（包括各州的費(fèi)率、政府補(bǔ)貼、天氣條件和項(xiàng)目資本成本）被納入考慮范圍，以確保其實(shí)用性。

本研究的主要貢獻(xiàn)包括：

1. 同時(shí)優(yōu)化多種改造變量，包括保溫改造、安裝高效暖通空調(diào)和熱水設(shè)備，以及利用太陽(yáng)能和電池的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電。改造可以作為一個(gè)完整的包進(jìn)行，也可以逐步實(shí)施。

2. 與現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)能源建模平臺(tái)（AccuRate/NatHERS）集成，無(wú)需單獨(dú)進(jìn)行建筑能源模型的驗(yàn)證和培訓(xùn)

3. 采用現(xiàn)實(shí)的成本建模方法，考慮動(dòng)態(tài)的燃?xì)夂碗娏�費(fèi)率、設(shè)備效率以及補(bǔ)貼激勵(lì)結(jié)構(gòu)

4. 高效的模擬和設(shè)置時(shí)間，適用于單個(gè)家庭分析和更廣泛的投資組合規(guī)模應(yīng)用

通過(guò)模擬多種改造方案，該工具為房主、政策制定者和行業(yè)專業(yè)人士提供了實(shí)用的信息。它有助于實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源效率目標(biāo)，同時(shí)為更廣泛的氣候變化緩解工作做出貢獻(xiàn)。