夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)敏感性分析

摘 要：確定關(guān)鍵的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)有助于既有建筑的節(jié)能改造和建筑節(jié)能設(shè)計(jì)。本研究以六安某公寓建筑為例，使用EnergyPlus軟件對(duì)該公寓進(jìn)行數(shù)值建模。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的方法，確定了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)因素對(duì)該建筑冷負(fù)荷的影響程度：綜合窗墻比>外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC>外墻傳熱系數(shù)>外遮陽(yáng)投影因子。進(jìn)一步，采用敏感性分析法對(duì)綜合窗墻比和外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)進(jìn)行分析。研究結(jié)果顯示，綜合窗墻比的敏感性系數(shù)約0.257 3，而外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)的敏感性系數(shù)約為0.182。為建筑節(jié)能改造與建筑節(jié)能設(shè)計(jì)工程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇和調(diào)整提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能;建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu);建筑冷負(fù)荷;敏感性分析

中圖分類號(hào)：TU241;TU114.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-260X（2024）09-0001-06

2020年，習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出了中國(guó)在2030年前達(dá)到碳峰值和在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。為此每個(gè)行業(yè)都需要節(jié)能減排。而目前，建筑能耗是我國(guó)社會(huì)總能耗的主要組成部分之一，建筑節(jié)能在近年來(lái)逐漸成為國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的重要領(lǐng)域。據(jù)了解，我國(guó)的建筑能耗占總能耗的三分之一左右，并且呈逐年遞增的趨勢(shì)，因此節(jié)能減排也成了建筑行業(yè)發(fā)展的重中之重[1]。2020年全國(guó)建筑與建造能耗總量為22.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的比重為45.5%;2020年全國(guó)建筑與建造碳排放總量為50.8億噸二氧化碳，占全國(guó)碳排放的比重為50.9%;2020年全國(guó)建筑運(yùn)行碳排放總量為21.6億噸二氧化碳，占全國(guó)碳排放的比重為21.7%[2]。因此通過(guò)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)和建筑節(jié)能改造來(lái)降低建筑能耗是十分有必要的。

馬先睿[3]等人對(duì)我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)村鎮(zhèn)住宅建筑能耗的15個(gè)動(dòng)力因子進(jìn)行了歸納分析，其中最能影響建筑能耗的因子是“技術(shù)應(yīng)用因子”，該因子主要是建筑節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。謝慧[4]等人通過(guò)對(duì)農(nóng)居圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造前后的碳排放信息收集和分析后得出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造后農(nóng)居碳排放量可降低52.85%到86.72%的結(jié)論。金虹[5]等人以哈爾濱某多層住宅為研究對(duì)象，研究了寒冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物的采暖能耗的敏感程度：外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)≈外窗傳熱系數(shù)>外墻傳熱系數(shù)>屋頂傳熱系數(shù)。王燁[6]等人對(duì)辦公建筑負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明對(duì)寒冷地區(qū)，建筑各因素對(duì)建筑總負(fù)荷的重要程度從大到小依次為窗墻比、窗戶傳熱系數(shù)、玻璃遮陽(yáng)系數(shù)。Albatayneh[7]等人對(duì)地中海半濕潤(rùn)氣候區(qū)住宅建筑的12個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了敏感性分析，評(píng)估了其對(duì)冷負(fù)荷和熱負(fù)荷的影響程度。Sun Y[8]等人對(duì)太陽(yáng)溫室熱損耗進(jìn)行了研究，結(jié)果表明與前屋頂和后屋頂相比，墻壁對(duì)熱損耗更敏感。Zhu L[9]等人對(duì)辦公樓進(jìn)行了案例研究，分析了建筑負(fù)荷（峰值冷負(fù)荷、峰值熱負(fù)荷、年制冷需求和年供熱需求）的不確定性和敏感性。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響建筑物室內(nèi)冷負(fù)荷的因素較多，在進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)或建筑節(jié)能改造時(shí)都必須考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各種因素對(duì)整個(gè)建筑能耗的影響。本文選取了對(duì)建筑物夏季室內(nèi)冷負(fù)荷較為重要的幾個(gè)因素，采用數(shù)值模擬和正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物室內(nèi)冷負(fù)荷進(jìn)行分析研究，同時(shí)采用敏感性分析法計(jì)算較為重要的因素的敏感性系數(shù)。在采用Energy plus進(jìn)行整個(gè)建筑的能耗模擬的基礎(chǔ)上，使用正交實(shí)驗(yàn)和敏感性分析的方法研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)各種因素參數(shù)的變化對(duì)整個(gè)建筑空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響程度，為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)或建筑節(jié)能改造提供相關(guān)的依據(jù)。

1 工程概況

1.1 初始工況

選取六安市某公寓建筑作為研究對(duì)象，該建筑建于2006年，房間類型包括公寓、衛(wèi)生間、辦公室、走廊、樓梯等。該建筑共6層，層高3.6m，建筑面積6 884.86m2，空調(diào)面積5 584.39平方米，南向窗墻比0.25，北向窗墻比0.23，綜合窗墻比0.24，體形系數(shù)0.328。

1.2 初始熱工結(jié)構(gòu)

建筑主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

外墻主要由240mm紅黏土磚墻和20mm水泥砂漿以及20mm混合砂漿構(gòu)成;內(nèi)墻主要由120mm紅黏土磚墻和兩層20mm混合砂漿構(gòu)成;樓地由400mm鋼筋混凝土和20mm水泥砂漿構(gòu)成;樓板由100mm鋼筋混凝土和20mm水泥砂漿以及20mm混合砂漿構(gòu)成;屋頂由100mm鋼筋混凝土和20mm水泥砂漿、20mm混合砂漿以及20mm防水層構(gòu)成。各種結(jié)構(gòu)的材料物性參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 軟件選擇

本研究選用Energy plus對(duì)建筑空調(diào)的冷負(fù)荷進(jìn)行模擬分析。EnergyPlus是美國(guó)能源部（DOE）和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）基于BLAST和DOE-2開(kāi)發(fā)的建筑能源時(shí)序仿真軟件，應(yīng)用集成同步的負(fù)載/系統(tǒng)/設(shè)備仿真方法[10]。

Energy Plus基于物理的建筑模型，可以模擬建筑結(jié)構(gòu)、照明、空調(diào)、暖氣、通風(fēng)和太陽(yáng)能等系統(tǒng)的交互作用，以提供全面的能源性能分析。EnergyPlus的優(yōu)點(diǎn)之一是其準(zhǔn)確性和可靠性。它基于物理原理和算法，能夠模擬建筑系統(tǒng)的真實(shí)行為，并考慮到諸如熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流等復(fù)雜的物理過(guò)程。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是Energy Plus是一個(gè)開(kāi)放源代碼的軟件，可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行定制和擴(kuò)展。對(duì)于本研究而言，Energy Plus能夠很好地模擬公寓內(nèi)部的人員活動(dòng)、電器工作所產(chǎn)生的熱擾動(dòng)，并且能夠模擬室外天氣溫度的逐時(shí)變化情況。

2.2 氣象數(shù)據(jù)

研究采用的六安市設(shè)計(jì)日和典型氣象年的天氣數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可從Energy Plus官網(wǎng)進(jìn)行下載，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局與清華大學(xué)聯(lián)合編制的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)天氣資料（CSWD）。根據(jù)《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》[11]，六安市屬于夏熱冬冷地區(qū)，逐時(shí)及月度干球溫度如圖2所示。

2.3 模型建立

夏季室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)溫度設(shè)為26℃?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為4月1日到11月30日。根據(jù)基準(zhǔn)建筑的實(shí)際情況以及材料參數(shù)建立詳細(xì)的建筑三維模型，建筑整體結(jié)構(gòu)及建筑處于夏季早上八點(diǎn)十分的陽(yáng)光照射情況如圖3所示。同時(shí)根據(jù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際組成部分對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3 正交實(shí)驗(yàn)

3.1 正交實(shí)驗(yàn)

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行均等采樣，從而減少需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，準(zhǔn)確分析各種因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度[12]。正交實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)之一是高效性。通過(guò)使用正交設(shè)計(jì)，可以在相對(duì)較少的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行次數(shù)下獲得大量的信息。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是正交實(shí)驗(yàn)的可靠性和穩(wěn)定性。正交設(shè)計(jì)的選擇是基于數(shù)學(xué)原理和統(tǒng)計(jì)學(xué)的均衡性，可以確保在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)受到因素之間的相互干擾。

3.2 正交設(shè)計(jì)

通過(guò)給外墻加入可發(fā)性聚苯乙烯保溫板（EPS）降低外墻的傳熱系數(shù)，從而達(dá)到降低整體建筑物室內(nèi)冷負(fù)荷的目的。保溫層厚度選取范圍為20mm—80mm，以20mm為梯度遞增;外窗則考慮太陽(yáng)得熱系數(shù)（SHGC）對(duì)建筑冷負(fù)荷的影響，外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)選取范圍為0.2—0.8，以0.2為梯度遞增分析;外遮陽(yáng)投影因子是外遮陽(yáng)的寬度與窗戶高度的比值，外遮陽(yáng)投影因子選取范圍為0.2—0.8，以0.2的梯度遞增分析;綜合窗墻比是指外窗總面積與外墻總面積的比值，該比值的變化會(huì)引起整個(gè)建筑外表面的綜合傳熱系數(shù)的變化，綜合窗墻比選取范圍為0.1—0.4，以0.1為梯度遞增計(jì)算，每組參數(shù)選取4個(gè)值進(jìn)行正交分析。各因素不同水平取值如表2所示。

為了使組內(nèi)誤差減小，將正交表的第一列作為誤差列不設(shè)置影響因素。因此采用5因素4水平的正交表L16（45），具體情況如表3所示。

根據(jù)正交設(shè)計(jì)表一共可以得到16種數(shù)值模擬方案，采用Energy plus模擬軟件分別對(duì)不同組進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同方案下建筑整體的空調(diào)冷負(fù)荷。模擬結(jié)果如表4所示。

3.3 極差分析

極差分析法可以評(píng)價(jià)各因素對(duì)某項(xiàng)指標(biāo)的影響程度，利用測(cè)試結(jié)果的最大和最小均值之差來(lái)衡量和論證各因素的影響范圍[13]。該方法采用計(jì)算極差值Rj來(lái)分析各種不同的因素對(duì)最終結(jié)果的影響程度。根據(jù)極差分析法的原理可知，極差值Rj越大就說(shuō)明該因素對(duì)結(jié)果的影響程度越大，極差值Rj越小就說(shuō)明該因素對(duì)最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響也越小。極差分析法各項(xiàng)計(jì)算公式如下所示。

Ki=∑i（1）

ki=Ki/n（2）

Rj=max（k1，k2，…ki）-min（k1，k2，…ki）（3）

式中，Ki代表每個(gè)因素各個(gè)水平下的指標(biāo)總和;ki為第i水平對(duì)應(yīng)的不同參數(shù)和Ki的平均值;Rj代表極差值。

使用正交表L16（45）進(jìn)行數(shù)值模擬，以整個(gè)建筑空調(diào)系統(tǒng)的平均冷負(fù)荷的模擬結(jié)果作為考核指標(biāo)進(jìn)行極差分析，具體的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

由表5可知，極差值Rj從大到小依次為9.017 5、8.28、2.297 5、2.232 5、0.862 5，分別所對(duì)應(yīng)的影響因素依次為綜合窗墻比、外窗SHGC、外保溫厚度、外遮陽(yáng)投影因子、誤差列。因此，各個(gè)影響因素對(duì)整個(gè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響程度由大到小依次為綜合窗墻比、外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC、外保溫厚度、外遮陽(yáng)投影因子。因此，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，在進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮建筑的窗墻比，其次是考慮外窗的太陽(yáng)得熱系數(shù)。同樣的，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，在建筑進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮通過(guò)選取太陽(yáng)得熱系數(shù)小的外窗來(lái)對(duì)建筑進(jìn)行節(jié)能改造。

4 敏感性分析

4.1 敏感性分析法

敏感性分析法是研究模型中輸入變量對(duì)輸出變量影響程度的一種方法[14]。敏感性分析可以幫助決策者更好地理解系統(tǒng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，并在決策過(guò)程中提供有價(jià)值的信息。單因素敏感性分析是最簡(jiǎn)單和常見(jiàn)的敏感性分析方法之一。它通過(guò)逐個(gè)改變模型中的一個(gè)參數(shù)或輸入因素，并觀察輸出結(jié)果的變化情況，以評(píng)估該參數(shù)對(duì)輸出的影響。敏感性分析的公式如下。

式中，IC表示敏感度;ΔOP為因素在變化允許范圍內(nèi)的變化量;ΔIP為評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化量。

選取弧均值彈性MMAE作為指標(biāo)，分析各圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)建筑能耗的影響程度。

在確定了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)和建筑節(jié)能改造的不同側(cè)重點(diǎn)之后，選取綜合窗墻比和外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的模擬。采用控制變量法和敏感性分析法分別對(duì)這兩種因素進(jìn)行進(jìn)一步的敏感性分析。外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)選取范圍為0.2—0.8，按0.1的梯度遞增計(jì)算;綜合窗墻比選取范圍為0.2到0.38，以0.03的梯度遞增。每組取7個(gè)值。

4.2 外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)與空調(diào)冷負(fù)荷的關(guān)系

外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)變化與冷負(fù)荷的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，太陽(yáng)得熱系數(shù)由0.2增至0.8時(shí)，建筑冷負(fù)荷由40.805W/m2增加到50.58W/m2，建筑冷負(fù)荷上升約24%;外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)每增加0.1，平均冷負(fù)荷增加約為1.63W/m2;敏感性系數(shù)在0.097 8到0.368之間，平均敏感性系數(shù)為0.182 0。

4.3 綜合窗墻比與空調(diào)冷負(fù)荷的關(guān)系

綜合窗墻比系數(shù)變化與冷負(fù)荷的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)綜合窗墻比由0.2增加至0.38時(shí)，建筑冷負(fù)荷由48W/m2增加到了56.33W/m2，建筑總冷負(fù)荷上升約17.35%;綜合窗墻比每增加0.03，平均冷負(fù)荷增加約為1.29W/m2;敏感性系數(shù)在0.248 3到0.265 9之間，平均敏感性系數(shù)為0.257 3。

4.4 太陽(yáng)得熱系數(shù)和綜合窗墻比敏感性比較

在選取的四種影響因素之中，各個(gè)影響因素對(duì)整個(gè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響程度由大到小依次為綜合窗墻比、外窗SHGC、外保溫厚度、外遮陽(yáng)投影因子。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，太陽(yáng)得熱系數(shù)與綜合窗墻比的平均敏感性系數(shù)分別為0.182和0.257 3。因此建筑綜合窗墻比是最容易影響到建筑空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的因素，平均敏感性系數(shù)達(dá)到了0.257 3;其次是外窗的太陽(yáng)得熱系數(shù)，平均敏感性系數(shù)為0.182。所以在夏熱冬冷地區(qū)既有公寓建筑或者是其他建筑進(jìn)行夏季空調(diào)制冷能耗的節(jié)能改造時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮對(duì)外窗的改造，在允許的條件下改用太陽(yáng)得熱系數(shù)更小的外窗，以達(dá)到減少建筑夏季制冷能耗的目的;同樣的，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)建筑進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該首先考慮的因素是綜合窗墻比，在條件允許的情況下，越小的綜合窗墻比對(duì)應(yīng)著越小的空調(diào)制冷能耗，以此達(dá)到建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的目的。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)典型公寓建筑四個(gè)不同影響建筑空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的因素進(jìn)行研究與分析得出了以下的結(jié)論：

（1）通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)影響建筑冷負(fù)荷的四種因素進(jìn)行模擬，得出R綜合窗墻比>R外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)>R外墻傳熱系數(shù)>R外遮陽(yáng)投影因子，對(duì)整個(gè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的影響程度為綜合窗墻比>外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC>外墻傳熱系數(shù)>外遮陽(yáng)投影因子。

（2）通過(guò)敏感性分析法計(jì)算出綜合窗墻比的敏感性系數(shù)約為0.257 3;外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)的敏感性系數(shù)約為0.182。

（3）對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)的建筑節(jié)能改造，應(yīng)該首先考慮通過(guò)降低外窗的太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC來(lái)降低夏季的空調(diào)冷負(fù)荷來(lái)達(dá)到節(jié)能改造的目的;對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)首先考慮減少綜合窗墻比來(lái)降低夏季的空調(diào)冷負(fù)荷以達(dá)到建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的目的。

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