6
* M.Sc. Eng. Jolanta Gintowt, Institute of Building Materials and Structures, Faculty of Civil Engine- ering, Cracow University of Technology. ** Paulina Łysik, student, Cracow University of Technology. TECHNICAL TRANSACTIONS CIVIL ENGINEERING 5-B/2014 CZASOPISMO TECHNICZNE BUDOWNICTWO JOLANTA GINTOWT, PAULINA ŁYSIK * COMPARATIVE ANALYSIS OF THE CRITERIA USED TO SELECT THE OPTIMAL ENERGY SAVING VARIANTS IN BUILDINGS. SELECTED ISSUES ANALIZA PORÓWNAWCZA KRYTERIÓW STOSOWANYCH DO WYBORU OPTYMALNYCH WARIANTÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W BUDOWNICTWIE. WYBRANE ZAGADNIENIA Abstract Comparative analysis of multi-criteria Pareto and SPBT optimization, for a single-family, detached residential building used as an example. Main elements of interest include minimum power and minimum cost of investment. Keywords: multi-criteria optimization, Pareto, Kuhn-Tucker, SPBT Streszczenie Analiza porównawcza dla kryterium optymalizacji wielokryterialnej w sensie Pareto i SPBT na przykładzie budynku mieszkalnego jednorodzinnego, wolnostojącego. Funkcjami kryte- rialnymi są minimum energii i minimum kosztów inwestycyjnych, zmiennymi decyzyjnymi – izolacyjność termiczna przegród zewnętrznych, wielkość przeszklenia, orientacja budynku względem stron świata. Słowa kluczowe: optymalizacja wielokryterialna, Pareto, Kuhn-Tucker, SPBT

TECHNICAL TRANSACTIONS CZASOPISMO TECHNICZNEsuw.biblos.pk.edu.pl/resources/i5/i1/i0/i7/i0/r51070/GintowtJ...ANALIZA PORÓWNAWCZA KRYTERIÓW ... WARIANTÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W BUDOWNICTWIE

  • Upload
    ngodiep

  • View
    215

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: TECHNICAL TRANSACTIONS CZASOPISMO TECHNICZNEsuw.biblos.pk.edu.pl/resources/i5/i1/i0/i7/i0/r51070/GintowtJ...ANALIZA PORÓWNAWCZA KRYTERIÓW ... WARIANTÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W BUDOWNICTWIE

* M.Sc.Eng.JolantaGintowt,InstituteofBuildingMaterialsandStructures,FacultyofCivilEngine-ering,CracowUniversityofTechnology.

**PaulinaŁysik,student,CracowUniversityofTechnology.

TECHNICAL TRANSACTIONSCIVIL ENGINEERING

5-B/2014

CZASOPISMO TECHNICZNEBUDOWNICTWO

JOLANTAGINTOWT,PAULINAŁYSIK*

COMPARATIVEANALYSISOFTHECRITERIAUSED TOSELECTTHEOPTIMALENERGYSAVINGVARIANTS

INBUILDINGS.SELECTEDISSUES

ANALIZAPORÓWNAWCZAKRYTERIÓWSTOSOWANYCHDOWYBORUOPTYMALNYCH

WARIANTÓWENERGOOSZCZĘDNYCH WBUDOWNICTWIE.WYBRANEZAGADNIENIA

A b s t r a c t

Comparative analysis of multi-criteria Pareto and SPBT optimization, for a single-family,detachedresidentialbuildingusedasanexample.Mainelementsofinterestincludeminimumpowerandminimumcostofinvestment.

Keywords: multi-criteria optimization, Pareto, Kuhn-Tucker, SPBT

S t r e s z c z e n i e

AnalizaporównawczadlakryteriumoptymalizacjiwielokryterialnejwsensieParetoiSPBTna przykładzie budynku mieszkalnego jednorodzinnego, wolnostojącego. Funkcjami kryte-rialnymisąminimumenergii iminimumkosztów inwestycyjnych,zmiennymidecyzyjnymi– izolacyjnośćtermicznaprzegródzewnętrznych,wielkośćprzeszklenia,orientacjabudynkuwzględemstronświata.

Słowa kluczowe: optymalizacja wielokryterialna, Pareto, Kuhn-Tucker, SPBT

Page 2: TECHNICAL TRANSACTIONS CZASOPISMO TECHNICZNEsuw.biblos.pk.edu.pl/resources/i5/i1/i0/i7/i0/r51070/GintowtJ...ANALIZA PORÓWNAWCZA KRYTERIÓW ... WARIANTÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W BUDOWNICTWIE

98

Designations

f(x) – vectorofobjectivefunctionx – vectorofdecisionvariablesr – positivemultiplier,controlsthemagnitudeofthepenaltytermsh(x) – vectorofequalityconstraintsGj – Heavisideoperatorgj(x) – vectorofinequalityconstraints,ρi – randomnumber<0;1>P[f(x)] – preferencefunction(substitutefunction)F1 – criterionfunction,energy[kWh]F2 – criterionfunction,investmentcost[zł]g(i) – boundaryconditionsx(5) – thermalresistance[m2K/W]x(6) – simplexsidesofthebaseofthebuilding

1. Optimization method to determine reasonably low energy consumption

1.1.UnconstrainedMinimization

Oneofthemostdevelopedgroupsofnumericaloptimizationmethodsistheiterativetype [1].For thismethod,apoint isestablishedon thebasisof thepreviouslyobtainedresults,which indicateswhere theminimum is likely to be, or the general direction inwhichitislikelytolie.Thisapproachincludes,withoutlimitation,thefollowingmethods:Direct Search Method of Hooker and Jeeves, Simplex Method of Nelder and Mead,VariableMetricMethodofDavidon-Fletcher-Powell.Thesemethodshowever,shouldnotbeused toevaluateenergy-efficientbuildings,as theyprimarilydetermine the technicalrequirements,suchasmaximumheattransfercoefficient.Inthiscaseitispossiblefindingalocaloptima.

1.2.ConstrainedMinimization

Themostcommonapproachtosolvingconstrainedminimizationproblemsinvolvestheuseofpenaltyfunctionstoconverttheseproblemsintounconstrainedproblems.Themostpopularpenaltyfunctionistheone,whichassociatesapenalty–whichisproportionaltothesquareofaviolation–asinthefollowingformula(1).

min ( , ) ( ) [ ( )] [ ( )]φx Rn

jj

p

jj

m

x r f x r h x r Gj g x∈ = =

= + +∑ ∑2

1 1

2 (1)

where:Gj –HeavisideoperatorsuchthatGj=0forgj(x)≥0andGj=1forgj(x)<0.

Oneofthewidelyusedformulationsofthetransformedinteriorfunctionistheoneshowninformula(2):

Page 3: TECHNICAL TRANSACTIONS CZASOPISMO TECHNICZNEsuw.biblos.pk.edu.pl/resources/i5/i1/i0/i7/i0/r51070/GintowtJ...ANALIZA PORÓWNAWCZA KRYTERIÓW ... WARIANTÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W BUDOWNICTWIE

99

φ( , ) ( )( )

x r f x rg xjj

n

= +=∑ 11

(2)

Ifanyofconstraintfunctionsgj(x)approaches0,thepenaltytermincreasesveryrapidly.Inthismethod,itisnecessarytostartthesearchfromaninterior,feasiblestartingpoint.

FlexibleToleranceMethod.TheflexibletolerancemethodwasdevelopedbyHimmelblau.Inthismethod,T(x)isdefinedasapositivesquarerootofthesumofsquaredvaluesofallviolatedinequalitiesor/andequalityconstraints.Formula(3)describesthedependency.

T x hj x Gj g xjj

n

j

p

( ) [ ( )] [ ( )]= +

==∑∑ 2 2

11

12

(3)

AsmallvalueoftheT(xt)impliesthatxtisrelativelyfarfromthefeasibleregion.ExploratoryMethods.Theaccuracyofthismethoddependsonhedensityofthegrid,that

iswhywesetupthegridwithpointsspacedtogethercloseenoughtodefineaminimum,asdeterminedbytheinspectionofeachpoint(CombinationalMethod).

RandomSearchMethod(MonteCarloMethod,ModalMethod).Thevalueofobjectivefunctionisevaluatedforeachpointandthebestresultistakenastheminimum.Thismethodofferstwoapproachesfordealingwithconstraints.Firstmethod:apenaltyisusedforviolatingthesolutionoutsidethefeasibleregion.Inthiscase,theobjectivefunctionisevaluatedforallgeneratedpoints.Secondmethod:eachgeneratedpointistestedforviolationanddiscarded,ifitisnotafeasiblesolution.Inthiscase,theobjectivefunctionisevaluatedonlyforafeasiblesolution.Weselectvaluesofxi–vectorofdecisionvariables.Usedformula(4):

x x x xi ik

i iu

ik= + −ρ ( ) (4)

Usually,thismethodwilllocatethesolutionintheneighborhoodoftheglobalminimum.MethodforDiscreteandIntegerVariables.Solvingoptimizationproblemswithdiscrete

variables directly is much more difficult than solving similar problems with continuousvariables.

1.3.Multi-criterionOptimizationMethods

Inordertosolvetheproblem,weusedthePreferenceFunctionMethod,describedbytheformula(5):

P f x P f xx X

[ ( )] min [ ( )]* =∈

(5)

asaWeightingObjectiveMethod,NormedWeightingObjectiveMethod,GlobalcriterionMethod,Min-MaxMethod,WeightingMin-MaxMethod,MethodofIdealVectorDisplace-mentorConstraintTransformationMethod.

Page 4: TECHNICAL TRANSACTIONS CZASOPISMO TECHNICZNEsuw.biblos.pk.edu.pl/resources/i5/i1/i0/i7/i0/r51070/GintowtJ...ANALIZA PORÓWNAWCZA KRYTERIÓW ... WARIANTÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W BUDOWNICTWIE

100

1.4.MethodofSelectingaSetofParetoOptimalSolution,Kuhn-Tuckermethod

TheParetoOptimalSolutionbasedonarandomsearchmethod.ForKuhna-TuckeramethodweformulatetheLagrangefunctionasa

L(x,l)=f(x)–Σligi(x) (6)

ThenecessaryconditionsforsaddlepointoftheLagrangefunctionL(x,l),whichhavetobefulfilledsimultaneously,areasfollows:

∂∂

≥{ < ≤ }

≤ < ≤= < ≤

Ll

i u

u i vv i m

i

0 0

00

∂∂

≤{ < ≤ }

≥ < ≤= < ≤

Lx

j s

s j tt j n

j

0 0

00

l Llii

∂∂

= 0 x Lxjj

∂∂

= 0 andforalli,j (7)

1.5.Taskdescription

Criterion functions were: minimum energy consumption for heating F1, minimuminvestmentcostsF2.Coolingwasnotanalyzed.Suchanalysistakesseveralhours[11].Theoptimization’sdecisivevariableswere:thethicknessofwallinsulation(thermalresistanceof the layer), the size of the glazing on all elevations, the ratio of the sides of the base.Fixedparameterswere:thermalresistanceonthegroundfloor,flatroof,buildingareaandventilationairstream.Theanalysis’subjectwasasingle-familybuilding;inparticular,thegroundfloor–fixedfloorareaof120m2.Theboundaryconditionslimitingtheinsulationwereequaltoabout10[m2K/W]<R<3.33[m2K/W].

1.6.Results

Table1describes the resultsof theSPBT[years]and table2describes the results fromKuhn-Tucker.Duetothelowthicknessoftheinsulation,theSPBTvalueliesbetween15and20cm.This is illustratedbyFig.1a.Thesolutionmethodofmulti-criteria thicknessof theinsulationisapprox.36cm.ThisisdepictedinFig.1b.Thedifferencebetweentheresultsofbothmethodsisalmost20cm(onemethodrecommendsinsulaiontwiceasthickastheother).

T a b l e 1

SPBT dependence onthetypeof energy carrier andthickness ofinsulation

Thicknessofinsulation[cm] SPBT[year]coal gas electricity

10 122 69 2620 119 67 2530 132 74 28

Page 5: TECHNICAL TRANSACTIONS CZASOPISMO TECHNICZNEsuw.biblos.pk.edu.pl/resources/i5/i1/i0/i7/i0/r51070/GintowtJ...ANALIZA PORÓWNAWCZA KRYTERIÓW ... WARIANTÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W BUDOWNICTWIE

101

Ta b l e 2

Dependence of thickness x (5) and F1 and F2 (method Kuhn–Tucker)

F1 314244 314634.6 315174.8 314950.6 314135.6

F2 5754.035 5739.386 5721.686 5728.87 5724.476

x(5) 10–3.33 max max max max max

x(6) 2.5–1 1.119 1.2457 1.23 1.25 1.3069

Fig.1a)Theoptimalthicknessofinsulation,SPBT,b)theresultsofKuhn–Tuckermethod

2. Conclusions

1.TheSPBTmethodofchoosingtheoptimumthicknessofinsulationseemstobeonlyanestimate.

2.ThedifferenceinresultsbetweentheSPBTandmulti-criteriaoptimizationmethodesisnotwithoutsignificance.

3.Itseemsthatoneshouldapplyadvancedmethodstoevaluatetheinsulationefficiency(asopposedtothesimplemethodwhichSPBTundoubtedlyis).

4.Theuseofsimpleandeasywaysisnotagoodchoiceamongtheavailablecomputationaltools.

R e f e r e n c e s

[1] OsyczkaA.,Computer aided mulicriterion optimization system (CAMOS),Software Package in Fortran,InternationalSoftwarePublisher,1992,56-58.

[2] HoblerT.,Ruch ciepła i wymienniki,wyd.3,WNT,Warszawa1968.[3] BogosłowskiW.N., Procesy cieplne i wilgotnościowe w budynkach,Arkady, 1985,

63-68.

a)b)

Page 6: TECHNICAL TRANSACTIONS CZASOPISMO TECHNICZNEsuw.biblos.pk.edu.pl/resources/i5/i1/i0/i7/i0/r51070/GintowtJ...ANALIZA PORÓWNAWCZA KRYTERIÓW ... WARIANTÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W BUDOWNICTWIE

102

[4] Recknagel,Springer,Hofmann,Schramek,Poradnik. Ogrzewanie i klimatyzacja,wyd.1,EWFE,Gdańsk1994,986-989.

[5] Gordon B. Davis, Thomas r. Hoffmann, Fortran a structured, disciplined style,UniversityofMinnesota,McGraw-HillBookCompany,1970,ISBN0-07-015901-7,1978.

[6] MorrisH.deGroot,Optima statistical decisions,McGraw-Hill,Inc.,122-133,1981.[7] MirkowskaG.,Elementy matematyki dyskretnej,Wyd.PJWSTK,Warszawa2003.[8] FindenseinW.,Szymanowski J.,WierzbickiA.,Metody obliczeniowe optymalizacji,

Wyd.PolitechnikiWarszawskiej,Warszawa1974,158-194.[9] KittlerR.,MiklerJ.,Zaklady vyużivania slnećneho żiarenia,VEDA,1986,32-58.[10] KosseckaE.,BzowskaD.,Obliczanie dobowych sum promieniowania słonecznego na

płaszczyzny nachylone przy wykorzystaniu zależności dla współczynników przezroczy-stości atmosfery,Materiały konferencyjneKNTŁódź `93, Fizyka budowliw teoriiipraktyce,naprawachrękopisu,45-52.

[11] Dz.U.2013poz.45,RozporządzenieMinistraTransportu,BudownictwaiGospodarkiMorskiejzdnia3stycznia2013r.zmieniającerozporządzeniewsprawiemetodologiiobliczaniacharakterystykienergetycznejbudynkuilokalumieszkalnegolubczęścibu-dynkustanowiącejsamodzielnącałośćtechniczno-użytkowąorazsposobusporządza-niaiwzorówświadectwichcharakterystykienergetycznej.

[12] JędrzejukH.,MarksW.,O korzyściach z optymalizacji budynków mieszkalnych,Fizykabudowliwteoriiipraktyce,TomII,2007, 109-112.

[13] JędrzejukH.,MarksW.,Evolutional optimization of energy-saving buildings,ArchivesofCivilEngineering,LI,3,2005, 395-413.

[14] MikulskiL.,Teoria sterowania w problemach optymalizacji konstrukcji i systemów,Wyd.PolitechnikiKrakowskiej,Kraków2007,ISBN:978-83-7242-440-2.

[15] JędrzejukH.,KlemmK.,MarksW.,Multicriteria optimization of buildings arrangement based on wind criteria,ArchivesofCivilEngineering,LIV,4,2008,751-767.