建筑節(jié)能敏感性分析法研究與節(jié)能潛力分析

采用局部因素敏感性分析方法，以北京市某高校體育建筑、哈爾濱市某科研實驗建筑為例，分析圍護結構參數(shù)對建筑采暖能耗、制冷能耗的影響規(guī)律，探究公共建筑節(jié)能的潛力。研究結果：外窗傳熱系數(shù)大于外墻傳熱系數(shù)大于屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。得出結論：建筑構件的敏感性參數(shù)對建筑的熱能消耗程度影響較大，外窗傳熱是重點把控的環(huán)節(jié)，公共建筑節(jié)能具有更多的潛力空間。

建筑節(jié)能； 敏感性分析法； 圍護結構； 能耗； 低碳

TU201.5A

［定稿日期］2023-04-12

［基金項目］2022年度吉林省住房和城鄉(xiāng)建設廳研究開發(fā)項目（項目編號：2022-KL-05）、2023年度吉林省教育廳科學研究項目（項目編號：JJKH20231374SK）

［作者簡介］趙妍（1986—），女，滿族，碩士，工程師，研究方向為建筑節(jié)能、智能建筑、綠色建筑。

0 引言

建筑圍護結構的熱能傳遞的造成建筑熱能消耗的主要因素［1］。建筑師徐晨起等［2］對北京市西城區(qū)新建公共建筑的運行情況進行深入調(diào)研，對比統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出建筑的屋面、外圍護墻體、門窗及地面的建筑空間能耗損失的主要構件單元。置換Low-E玻璃改變維護結構中最薄弱單元的熱阻，外保溫構造貼附聚苯乙烯保溫板和構造爐渣保溫構造層的方法減少能耗。經(jīng)過改造的空間能耗大大降低。伭福興等［3］以長春市某高層公建為對象，應用敏感性分析法對空間格局建模剖析得出建筑立面外門及外窗的得熱系數(shù)與導熱系數(shù)對公共建筑熱能消耗影響最大。應用DeST能耗模擬軟件建模，通過改變圍護結構的熱阻分析各部位構件的參數(shù)變化對能耗的影響和敏感性。

1 建筑熱工能耗計算的敏感性分析法

敏感性分析法在能耗計算中表現(xiàn)了變量數(shù)值在體塊模型中對輸出變量的作用程度

是研究模型中輸入變量對輸出變量影響程度的方法［4］ 見式（1）。

IC=OPIP=ΔOPΔIP（1）

公式以弧均值彈性指標為依據(jù)，體現(xiàn)參數(shù)變化對圍護構件熱能損耗的影響見式（2）。

MMAE=（ΔOPΔIP）÷ （OP-IP-）=（ΔQi，i+1ΔXi，i+1）÷（P-X-）（2）

敏感性分析法式（2）等式中：MMAE為敏感性系數(shù); △Qi，i+1為因素水平轉化量;△X i，i+1為建筑總能耗轉化量; P-為建筑熱量消耗的平均值; X-為因素水平均值。

式（1）、式（2）表明當圍護構件的模擬參數(shù)輸入數(shù)據(jù)發(fā)生改變，越大的敏感性會帶來越多的建筑能量消耗。敏感性系數(shù)越大屬于建筑節(jié)能指標中的不利值。在工程設計和運營中應控制敏感性參數(shù)的增大，優(yōu)化建筑材料熱阻性能，實現(xiàn)低碳節(jié)能。

2 工程實例節(jié)能數(shù)據(jù)研究

2.1 哈爾濱科研建筑圍護結構對能耗影響研究

選取科研建筑哈爾濱市生物制品研究所某實驗科研樓作為研究對象。地域?qū)賴篮畾夂蚍謪^(qū)，為典型的大陸性季風氣候區(qū)，在全國干濕氣候分區(qū)中，地處濕潤區(qū)向亞干旱區(qū)的過渡地帶。建筑面積5 210 m2，建筑高度23.1 m，其中1～3層層高5.1 m ，4～5層層高均為3.9 m，體型系數(shù)為0.28。建筑包括無菌實驗室、科研實驗室、智慧實驗室、數(shù)據(jù)中心、器材庫、標本庫、會議室、辦公室、學術中心、洗浴室、更衣室、衛(wèi)生間、走廊等。實驗采用DeST軟件對建筑空間進行制冷模擬和空間供暖模擬。實驗模擬6月15日至9月15日為制冷期，設置夏季室內(nèi)空調(diào)恒溫25.5 ℃作為節(jié)能制冷分析值；實驗模擬11月15日至次年的3月15日為供暖期，設置冬季室內(nèi)空調(diào)恒溫24.5 ℃作為節(jié)能供熱分析值［5］。依照GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設計標準》規(guī)定對無菌實驗室、科研實驗室、智慧實驗室、標本庫等相對恒溫用房進行附加系數(shù)核算，上述功能用房的屋面系統(tǒng)和外墻體統(tǒng)以傳熱系數(shù)0.1 W（m2·K）速率遞減進行測算，屋面系統(tǒng)和外墻體統(tǒng)以傳熱系數(shù)0.1 W（m2·K）速率遞減進行測算，外門、外窗系統(tǒng)以傳熱系數(shù)0.3 W/（m2·K）速率遞減進行測算，每組測算選取7個有效數(shù)值。敏感性分析法計算結果顯示，實驗室內(nèi)空氣最佳流動速度為0.3 m/s，滿足實驗室適宜相對濕度30%～60%所需的墻體平均傳熱系數(shù)為1.50，平均熱惰性指標D=3.0［6］。

2.2 北京高校建筑圍護結構對能耗影響研究

選取2008年建造于北京市海淀區(qū)信息路48號的高校建筑北京體育大學（Beijing Sport University）內(nèi)某建筑作為研究對象。建筑位于北緯39°57′10″，東經(jīng)116°22′20″，地域為典型的大陸性暖溫帶季風氣候。建筑面積36 347 m2，建筑高度52.2 m，其中1層層高4.8 m ，2～5層層高均為4.5 m，6～12層層高均為4.2 m，體型系數(shù)為0.18。建筑包括教室、辦公室、會議室、培訓用房、形體訓練室、力量訓練室、肌肉強度訓練室、技巧訓練室、心理輔導中心、理療中心、操練房、健身房、器材室、中庭、洗浴室、更衣室、衛(wèi)生間、走廊門廳等。實驗采用DeST軟件對建筑空間進行制冷模擬和空間供暖模擬。實驗模擬7月1日至9月30日為制冷期，設置夏季室內(nèi)空調(diào)恒溫27 ℃作為節(jié)能制冷分析值；實驗模擬12月1日至次年的4月1日為供暖期，設置冬季室內(nèi)空調(diào)恒溫20 ℃作為節(jié)能供熱分析值。依照GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設計標準》規(guī)定對培訓用房、形體訓練室、力量訓練室、肌肉強度訓練室、技巧訓練室等較大空間進行附加系數(shù)核算，上述功能用房的屋面系統(tǒng)和外墻體統(tǒng)以傳熱系數(shù)0.1 W（m2·K）速率遞減進行測算，屋面系統(tǒng)和外墻體統(tǒng)以傳熱系數(shù)0.1 W（m2·K）速率遞減進行測算，外門、外窗系統(tǒng)以傳熱系數(shù)0.3 W/（m2·K）速率遞減進行測算，每組測算選取7個有效數(shù)值。敏感性分析法計算結果顯示，墻體傳熱系數(shù)在0.6～0.45 W/（m2·K），相應墻體熱阻在1.52～2.072 K/W之間時，建筑空間內(nèi)溫度可以滿足人體舒適溫度。

3 建筑外圍護結構參數(shù)調(diào)整對耗能的敏感性分析

3.1 傳熱系數(shù)與采暖能耗的關系

傳熱系數(shù)是指熱量通過外墻的傳導、對流和輻射等方式從室內(nèi)傳遞到室外的能力。外圍護結構傳熱系數(shù)越大，表示外圍護結構的隔熱性能越差，建筑內(nèi)部的熱量會更容易流失，從而導致采暖能耗增加。敏感性分析實驗數(shù)據(jù)表明，外圍護結構傳熱系數(shù)值在0.12 W/（m2·K）發(fā)生變化升到0.72 W/（m2·K）時，建筑外圍護結構的參數(shù)對應著發(fā)生變化，由25.57 Wh/m2點位升幅6%，推導出敏感性系數(shù)平均值在0.038時，敏感系數(shù)在0.03～0.05之間，相對應的外圍護結構采暖耗能平均值每提升0.1 W/（m2·K），外墻傳熱系數(shù)每增加0.1 W/（m2·K）單位，其平均值相應增加0.29 kWh/m2［7］（圖1）。

建筑設計中，應盡量采用隔熱性能好的外墻材料，通過減小外墻傳熱系數(shù)，降低建筑的采暖能耗。在建筑使用中，也可以通過增加隔熱材料、改進外墻的結構和增加窗戶密封性等方法，進一步提高外墻的隔熱性能，降低建筑的能耗。

3.2 傳熱系數(shù)與制冷能耗的關系

當外墻傳熱系數(shù)增大時，單位時間內(nèi)傳熱量也會增大，從而導致制冷負荷的增加。為了滿足室內(nèi)的舒適要求，制冷系統(tǒng)需要提供更多的制冷量，從而導致制冷能耗的增加。敏感性分析實驗數(shù)據(jù)表明，外圍護結構傳熱系數(shù)增加0.1 W/（m2·K），制冷能耗相應降低約0.02 kWh/m2。外圍護結構傳熱系數(shù)增加0.6 W/（m2·K）時，制冷能耗下降0.1 kWh/m2［8］（圖2）。

在建筑設計中，應盡量采用隔熱性能好的外墻材料，通過減小外墻傳熱系數(shù)，降低建筑的制冷負荷和制冷能耗。同時，在建筑使用中，也可以通過增加隔熱材料、改進外墻的結構和增加窗戶密封性等方法，進一步提高外墻的隔熱性能，降低建筑的能耗。

3.3 建筑外圍護結構敏感性的比較分析

敏感性分析實驗數(shù)據(jù)表明，建筑外窗是耗能最多，敏感性系數(shù)最大的部位。制冷能耗對建筑屋頂及外圍護墻體的敏感性系數(shù)均為0.007，即敏感性系數(shù)最低；采暖能耗在建筑屋頂及外圍護墻體熱傳遞過程中的能耗最低為0.027，即敏感性系數(shù)最低；采暖能耗和制冷能耗對外門、外窗的敏感性均為最高值，達到0.156高值。建筑圍護結構的能耗受多種因素的影響，包括：①外墻傳熱系數(shù)：外墻傳熱系數(shù)越大，建筑的采暖和制冷能耗就會越高，因此應采用隔熱性能好的外墻材料；②窗戶面積和密封性能：窗戶是建筑圍護結構中的重要組成部分，窗戶的面積和密封性能會對建筑的能耗產(chǎn)生影響。窗戶面積越大，能量流入和流出的速度越快；③屋頂隔熱：屋頂是建筑的重要組成部分，如果屋頂隔熱性能差，會導致夏季室內(nèi)溫度過高，增加制冷能耗；④地面保溫：地面也是建筑的重要組成部分，地面保溫能夠減少地板的溫度降低，從而減少采暖能耗。建筑圍護結構的能耗敏感性取決于多種因素，應在設計和使用中綜合考慮這些因素，選用隔熱性能好、密封性能好、采光充足的建筑圍護結構，從而降低建筑的能耗。

4 公共建筑節(jié)能潛力分析

根據(jù)北京市城市總體規(guī)劃以及產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整中繼續(xù)加大第三產(chǎn)業(yè)比重的需要，辦公建筑、商業(yè)綜合體、體育建筑、醫(yī)療建筑、酒店建筑、展覽館建筑依舊是未來幾年的主要建設方向。大量的既有改造建筑也會帶來更多能源的消耗，在用能特點上轉變成為大型公共建筑，加上現(xiàn)有存量，北京市的大型公共建筑面積在未來幾年內(nèi)將達到4 000萬m2。依據(jù)現(xiàn)有節(jié)能標準，通過敏感性分析法對外窗熱傳遞耗能進行推算，僅市區(qū)大型公建的耗能就將高達60億kWh。公共建筑巨大的耗能量將制約北京市的經(jīng)濟發(fā)展，同時給城市生態(tài)環(huán)境帶來沉重負擔。辦公建筑、酒店建筑和商業(yè)綜合體之間的能耗存在著差值，這個差值正是公共建筑節(jié)能的潛力部分。其中通過改善過渡季節(jié)公用電器的制冷或制熱方式可以實現(xiàn)20%的節(jié)能，針對性的改變水泵風機的運行效率可以節(jié)能15%，控制公共建筑節(jié)水可實現(xiàn)8%的進階，綜上舉措公共建筑的節(jié)能潛力應在40%以上。以此推算，4 000萬m2大型公共建筑每年可節(jié)約18億kWh，節(jié)省數(shù)億元的運行費用。

5 結論

（1）建筑圍護結構對建筑的能耗和舒適性有著非常重要的影響，建筑外窗傳熱是節(jié)能設計的重點。

（2）建筑圍護結構耗能的敏感性分析可以幫助設計師找到最佳的建筑圍護結構方案，從而降低建筑能耗。

（3）大型公建建筑通過節(jié)能設計和耗能控制可以實現(xiàn)40%以上的節(jié)能效果，節(jié)能潛力巨大。

參考文獻

［1］ 高清龍.綠色節(jié)能施工技術在房屋建筑工程中的有效性［J］.四川建筑，2022，（2）：96-97.

［2］ 徐晨起.文化傳承·地域建筑·時代精神［J］.建筑，2020（6）：68-70.

［3］ 檀姊靜，柳天祥，趙敬源，等.碳中和背景下中日建筑節(jié)能標準對比研究［J］.建筑科學，2023（2）：171-182+214.

［4］ 李建強.現(xiàn)代綠色建筑節(jié)能設計研究［J］.能源與節(jié)能，2023（1）：197-199.

［5］ 韓國清，吳景山，王海霞.我國建筑節(jié)能立法研究與建議［J］.建筑，2020（13）：28-31.

［6］ 章蔚.現(xiàn)代綠色建筑的生態(tài)節(jié)能設計策略與應用［J］.智能建筑與智慧城市，2023（1）：97-99.

［7］ 徐晨起，冉雨橋.人與時空的對話，城與記憶的重逢［J］.建筑與文化，2020（3）：244-245.

［8］ 崔勇.低碳節(jié)能大趨勢下綠色建筑節(jié)能減排技術探析［J］.智能建筑與智慧城市，2023（1）：100-102.