住宅建筑能耗模擬設(shè)定參數(shù)影響分析

梁若非 白雪蓮

重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

建筑系統(tǒng)的能耗預(yù)測(cè)模型是建筑節(jié)能和運(yùn)行策略的核心組成部分。然而，建筑本身是一個(gè)多系統(tǒng)耦合、非線性、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度的建筑能耗模擬并非易事[1]。對(duì)于住宅建筑來說，建筑能耗主要受到氣候條件參數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能和居民用能行為的綜合影響。其中，氣候條件因素和建筑結(jié)構(gòu)因素通常在建筑設(shè)計(jì)、建造階段就已經(jīng)確定了，因此在進(jìn)行建筑能耗模擬計(jì)算時(shí)，這兩個(gè)方面因素就比較容易取定，這時(shí)影響建筑能耗的主要因素是在使用階段的人員行為因素[2]。然而，建筑內(nèi)人員行為具有隨機(jī)性，并且對(duì)建筑能耗有重要的影響，在建筑能耗模擬中，人員行為成為建筑能耗預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確定性的主要來源。目前的建筑模擬能耗模擬軟件如 Energy Plus，DeST 等，通常采用固定作息時(shí)間和啟動(dòng)溫度過度簡(jiǎn)化了建筑中人的行為，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際值有很大偏差[3]。因此，在建模過程中如何反映真實(shí)的居民用能行為，即如何合理取值該部分設(shè)定參數(shù)，從而最終準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑能耗，是一項(xiàng)迫切且非常有科學(xué)價(jià)值的研究。

1 模型建立

本文以重慶市某一示范工程住宅建筑作為基準(zhǔn)模型，采用Energy Plus 進(jìn)行建模。該建筑共 31 層，建筑面積為 24028.50 m2，建筑高度為 97.9 m，每層 4 戶家庭，其建筑能耗計(jì)算模型圖、標(biāo)準(zhǔn)層平面圖分別如圖1、圖 2 所示。

圖1 建筑能耗計(jì)算模型

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

建筑模型室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)、室內(nèi)設(shè)備負(fù)荷以及空調(diào)設(shè)備能效比根據(jù)JGJ134-2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中規(guī)定，照明負(fù)荷根據(jù)GB50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]中規(guī)定，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 能耗模擬設(shè)定參數(shù)

表2 為該建筑的全年各分項(xiàng)能耗，主要包括供暖能耗，供冷能耗，照明能耗，設(shè)備能耗和風(fēng)機(jī)能耗。

表2 建筑全年各分項(xiàng)能耗值

2 模擬工況設(shè)置

表3 為 Energy Plus 軟件在建筑能耗模擬過程中所需要輸入的設(shè)定參數(shù)，通常在氣候條件因素和建筑結(jié)構(gòu)因素可以取定的情況下，此時(shí)需要輸入未知參數(shù)主要包括運(yùn)行時(shí)間表，室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)及室內(nèi)熱擾。

表3 Energy Plus 能耗模擬輸入?yún)?shù)匯總表

為了確定不同設(shè)定參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響程度，本文通過大樣本調(diào)查問卷的方式，獲得重慶市住宅建筑居民的實(shí)際用能習(xí)慣及規(guī)律，從空調(diào)設(shè)定溫度、運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備能效比、建筑內(nèi)部負(fù)荷這四個(gè)方面，根據(jù)實(shí)際情況合理劃分不同工況，具體結(jié)果見表4。

表4 不同模擬工況設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

結(jié)果（表 5）表明，將空調(diào)設(shè)定溫度和空調(diào)運(yùn)行時(shí)間按照冬夏季工況劃分為不同水平進(jìn)行模擬，其對(duì)建筑全年總能耗的影響程度較為顯著。其中，夏季空調(diào)設(shè)定溫度由 22 ℃升高到 30 ℃，建筑能耗偏差率由16.3%變化為-12.7%，冬季空調(diào)設(shè)定溫度由18 ℃升高到26 ℃，建筑能耗偏差率由0 變化為 12.5%。夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間由 4 h 延長(zhǎng)至 12 h，建筑能耗偏差率由-17.3%變化為15.1%，冬季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間由2 h 延長(zhǎng)至10 h，建筑能耗偏差率由-6.2%變化為8.5%。

表5 不同模擬輸入?yún)?shù)水平對(duì)建筑能耗的影響

本文利用SPSS 軟件對(duì)各變量進(jìn)行相關(guān)分析。采用SPSS 默認(rèn)的方式處理各變量的缺失值，并對(duì)各因素進(jìn)行量化處理，分析結(jié)果如表6 所示。

對(duì)各個(gè)輸入?yún)?shù)與建筑能耗的相關(guān)性結(jié)果討論如下：

1）設(shè)定溫度對(duì)能耗的影響

從相關(guān)分析結(jié)果看出，空調(diào)設(shè)定溫度與建筑總能耗是顯著相關(guān)的，相關(guān)系數(shù)為 0.998，說明不同的夏季和冬季空調(diào)設(shè)定溫度會(huì)顯著影響建筑能耗。

2）運(yùn)行時(shí)間對(duì)能耗的影響

從相關(guān)分析結(jié)果看出，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間與建筑總能耗顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 0.999，說明建筑能耗會(huì)隨著空調(diào)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

3）能效比對(duì)能耗的影響

從相關(guān)分析結(jié)果看出，空調(diào)能效比與建筑總能耗顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.963，說明建筑能耗會(huì)隨著空調(diào)能效比的增高而降低。

4）室內(nèi)熱擾對(duì)能耗的影響

從相關(guān)分析結(jié)果看出，照明負(fù)荷，設(shè)備負(fù)荷與人員密度與建筑總能耗均無(wú)顯著相關(guān)性。說明建筑能耗不會(huì)隨著這三個(gè)因素的變化而產(chǎn)生顯著差異。

表6 建筑總能耗與各設(shè)定參數(shù)水平之間的相關(guān)性檢驗(yàn)

4 結(jié)論與建議

針對(duì)在建筑能耗模擬過程中由于人員行為所引起建筑能耗預(yù)測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確性，本文選取某示范工程建筑建立基準(zhǔn)模型，通過設(shè)置不同的模擬工況水平，量化各設(shè)定參數(shù)對(duì)建筑總能耗的影響程度，并采用相關(guān)性分析得到了針對(duì)住宅建筑能耗的顯著性影響因素。在做出合理簡(jiǎn)化和假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過模擬可以得出以下主要結(jié)論：

1）通過大量調(diào)研得出了重慶市住宅建筑居民用能行為規(guī)律，并將能耗模擬中各設(shè)定參數(shù)按實(shí)際情況合理劃分為不同工況，并通過與基準(zhǔn)建筑全年能耗的比較，分析得出了各輸入?yún)?shù)在不同水平下對(duì)建筑能耗的影響程度。

2）根據(jù)相關(guān)性檢驗(yàn)得出空調(diào)設(shè)定溫度，運(yùn)行時(shí)間，設(shè)備能效比，室內(nèi)熱擾這四個(gè)影響因素與建筑能耗的顯著相關(guān)性與變化趨勢(shì)，結(jié)果表明空調(diào)設(shè)定溫度及運(yùn)行時(shí)間與建筑總能耗呈顯著正相關(guān)，空調(diào)能效比與建筑總能耗呈顯著負(fù)相關(guān)。

3）所提出的住宅建筑能耗模擬設(shè)定參數(shù)能反映實(shí)際建模過程中，建模者對(duì)該建筑人員行為輸入?yún)?shù)的真實(shí)性極大程度上影響了能耗模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，可用于輔助制定重慶市居住建筑節(jié)能措施和標(biāo)準(zhǔn)，為提高該地區(qū)建筑能耗模擬預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可信度提供數(shù)據(jù)支撐。