使用建筑能耗模拟驱动算法预测韩国机械通风肉鸡舍的能源需求

《Biotechnology Advances》：Predicting energy needs in mechanically ventilated Broiler houses in South Korea using a building energy simulation-driven algorithm

准确预测家禽数字化养殖场能耗需求对高效设计和运营至关重要。本研究采用建筑能源模拟（BES）技术，基于韩国九大行政区的气候数据、37种建筑规格、4种朝向及12种墙体/屋顶隔热方案，构建了包含17,280种工况的动态仿真模型。通过TRNSYS平台验证，模型NMBE误差仅0.78%，CVRMSE为9.75%，MAPE为3.82%，验证精度优于ASHRAE标准。回归分析表明，屋顶隔热厚度每增加25mm，年采暖能耗可降低18.7%，而墙体隔热厚度每增加25mm，能耗降幅仅为8.4%。朝向优化可使东南-西北向建筑冬季采暖能耗降低1.75%，夏季制冷能耗增加8.43%。研究成果已开发为移动端预测工具，为韩国修订《家禽数字化养殖场设计标准》提供工程化依据，使建筑能效优化成为可能。

　　在现代农业发展过程中，精准预测畜牧业设施的能源需求对于提升设计与运营效率至关重要。当前，许多畜牧业设施的能源需求评估仍依赖于经验性知识，缺乏科学依据和系统化的数据支持。为弥补这一缺陷，本研究采用建筑能源模拟（Building Energy Simulation, BES）技术，对韩国的肉鸡舍进行热特性分析和能源需求预测，以期为提升设施设计的科学性和节能性提供理论支持。本研究通过广泛的实验数据和数值模拟，探讨了建筑方向、绝缘性能、区域气候等因素对肉鸡舍冷却与供暖能源需求的影响，并建立了适用于不同行政区域、建筑方向和绝缘配置的回归模型。这些模型不仅能够为农场主和咨询人员提供直观的能源需求预测工具，还能够支持在建设初期进行更科学的能源管理规划，从而显著降低建设和运营成本。

### 研究背景与意义

随着韩国人均鸡肉消费量逐年上升，从2000年的6.9千克增加到2020年的14.9千克，鸡肉生产在国家农业体系中的重要性日益凸显。政府为此推行了多项现代化措施，如“畜牧业设施现代化项目”和“信息技术融合推广项目”，以提高生产效率和基础设施水平。然而，目前的《畜牧业设施设计标准》（MAFRA & Nonghyup, 2019）仍存在一定的不足，特别是在通风和绝缘设计方面缺乏科学依据和工程哲学。该标准将韩国分为四个主要气候区域，未能充分考虑各地区气候差异，导致设计标准较为笼统。此外，大多数农场和建筑师在设计和建设过程中仍依赖经验性知识，缺乏基于数据的工程方法。

因此，有必要开发一种基于数据驱动的工程方法，以更精确地预测和管理能源需求。本研究正是基于这一背景，利用BES技术对韩国肉鸡舍的能源需求进行了系统评估，旨在为未来制定更加科学的绝缘设计标准提供理论依据，并推动农业设施向更可持续的方向发展。

### 研究方法与技术手段

本研究采用BES技术对肉鸡舍进行模拟，该技术能够更精确地分析建筑内的热质量和能量平衡，与传统的静态分析方法相比，具有更高的动态性和准确性。BES技术通过考虑外部和内部环境条件，模拟建筑在不同时间段内的热存储和热散失过程，从而更全面地评估建筑的能源需求。此外，BES还支持复杂控制算法的实现，如PID控制和实时逻辑，这使得其在建筑系统组件之间的交互建模和非线性行为分析方面具有显著优势。

在本研究中，我们选择了韩国多个行政区域的肉鸡养殖基地作为研究对象，包括Cheorwon-gun、Yangpyeong-gun、Chungju-si、Nonsan-si、Namwon-si、Youngam-gun、Youngju-si、Sancheong-gun和Jeju-si。这些区域的气候差异显著，能够全面反映不同条件下肉鸡舍的能源需求变化。研究还考虑了多种建筑规格、方向和绝缘配置，以评估其对能源需求的影响。通过大量的数值模拟，我们共进行了17,280个实验条件的计算，涵盖了不同区域、建筑方向和绝缘厚度的组合。

为了验证BES模型的准确性，我们采用了多种评估指标，包括归一化均方误差（Normalized Mean Bias Error, NMBE）、均方根误差的变异系数（Coefficient of Variation of the Root Mean Square Error, CVRMSE）和平均绝对百分比误差（Mean Absolute Percentage Error, MAPE）。研究结果显示，NMBE为0.7806%，CVRMSE为9.7510%，MAPE为3.824%。这些误差指标均在可接受范围内，表明模型具有较高的预测精度。

### 研究结果与分析

通过分析不同建筑方向对能源需求的影响，我们发现建筑朝向在夏季和冬季对能源需求有显著影响。例如，在Yangpyeong-gun地区，当建筑朝向为南北方向时，供暖需求最高，达到458.84 kWh?m?2?y?1，而在东南-西北方向时，供暖需求最低，为450.79 kWh?m?2?y?1。这表明，建筑朝向在冬季对减少供暖需求具有重要作用。此外，不同建筑朝向对冷却需求也有影响，南北方向的冷却需求最低，为294.40 kWh?m?2?y?1，而东南-西北方向的冷却需求最高，达到319.22 kWh?m?2?y?1。

进一步分析不同绝缘性能对能源需求的影响，我们发现，增加屋顶和墙壁的绝缘厚度能够有效降低供暖需求，但会增加冷却需求。例如，在Namwon-si地区，当屋顶厚度增加至220 mm，而墙壁厚度保持75 mm时，供暖需求减少了42.1%，达到398.38 kWh?m?2?y?1，而冷却需求仅增加了0.54%至324.42 kWh?m?2?y?1。这表明，增加屋顶绝缘厚度对降低供暖需求的影响更为显著，因为屋顶的辐射面积较大，且在冬季受到太阳辐射的影响更显著。

为了支持农场主和咨询人员进行能源需求预测，本研究还开发了一款基于回归模型的移动应用程序。该应用程序允许用户输入具体的农场参数，如位置、养殖规模、建筑方向和绝缘厚度，从而预测其供暖和冷却需求。这一工具的开发为农场在设计和运营阶段提供了直观的决策支持，有助于实现更加科学和高效的能源管理。

### 研究意义与展望

本研究的结果为韩国畜牧业设施设计标准的修订提供了坚实的工程基础。目前的《畜牧业设施设计标准》缺乏对绝缘设计的科学研究支持，导致设计标准较为模糊。通过本研究，我们能够为不同区域和气候条件下的绝缘设计提供具体的指导，从而提升设施的能效和可持续性。

此外，本研究还强调了在畜牧业设施设计中引入BES技术的重要性。BES技术能够更精确地评估建筑的热质量和能量需求，支持复杂控制算法的实现，并为未来建筑系统的优化提供理论依据。因此，推广BES技术在畜牧业设施中的应用，有助于推动农业设施向更加智能化和节能化方向发展。

然而，本研究也存在一定的局限性。首先，由于严格的生物安全规定，冬季的现场验证数据难以获取，因此无法全面评估模型在冬季的准确性。未来的研究需要进一步收集冬季的现场数据，以验证模型在不同季节的适用性。其次，本研究未使用标准的区域气象数据，而仅依赖于实验数据。随着韩国区域标准气象数据的逐步公开，未来的研究可以进一步提高模型的通用性和适用性。

综上所述，本研究通过BES技术对韩国肉鸡舍的能源需求进行了系统分析，为提升畜牧业设施设计的科学性和能效提供了重要的理论支持。未来，随着技术的进一步发展和数据的不断完善，BES技术有望在畜牧业设施设计和运营中发挥更大的作用，推动农业生产的可持续发展。