住宅建筑能耗模擬設定參數影響分析

梁若非 白雪蓮

重慶大學城市建設與環境工程學院

建筑系統的能耗預測模型是建筑節能和運行策略的核心組成部分。然而，建筑本身是一個多系統耦合、非線性、多目標的復雜系統，實現高精度的建筑能耗模擬并非易事[1]。對于住宅建筑來說，建筑能耗主要受到氣候條件參數，圍護結構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構因素通常在建筑設計、建造階段就已經確定了，因此在進行建筑能耗模擬計算時，這兩個方面因素就比較容易取定，這時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，建筑內人員行為具有隨機性，并且對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測不準確定性的主要來源。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間和啟動溫度過度簡化了建筑中人的行為，導致模擬結果與實際值有很大偏差[3]。因此，在建模過程中如何反映真實的居民用能行為，即如何合理取值該部分設定參數，從而最終準確預測建筑能耗，是一項迫切且非常有科學價值的研究。

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模型，采用Energy Plus 進行建模。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，其建筑能耗計算模型圖、標準層平面圖分別如圖1、圖 2 所示。

圖1 建筑能耗計算模型

圖2 標準層平面圖

建筑模型室內熱環境參數、室內設備負荷以及空調設備能效比根據JGJ134-2010《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》[4]中規定，照明負荷根據GB50034-2013《建筑照明設計標準》[5]中規定，具體參數設置見表1。

表1 能耗模擬設定參數

表2 為該建筑的全年各分項能耗，主要包括供暖能耗，供冷能耗，照明能耗，設備能耗和風機能耗。

表2 建筑全年各分項能耗值

2 模擬工況設置

表3 為 Energy Plus 軟件在建筑能耗模擬過程中所需要輸入的設定參數，通常在氣候條件因素和建筑結構因素可以取定的情況下，此時需要輸入未知參數主要包括運行時間表，室內環境設計參數及室內熱擾。

表3 Energy Plus 能耗模擬輸入參數匯總表

為了確定不同設定參數對建筑能耗的影響程度，本文通過大樣本調查問卷的方式，獲得重慶市住宅建筑居民的實際用能習慣及規律，從空調設定溫度、運行時間、設備能效比、建筑內部負荷這四個方面，根據實際情況合理劃分不同工況，具體結果見表4。

表4 不同模擬工況設置

3 模擬結果分析

結果（表 5）表明，將空調設定溫度和空調運行時間按照冬夏季工況劃分為不同水平進行模擬，其對建筑全年總能耗的影響程度較為顯著。其中，夏季空調設定溫度由 22 ℃升高到 30 ℃，建筑能耗偏差率由16.3%變化為-12.7%，冬季空調設定溫度由18 ℃升高到26 ℃，建筑能耗偏差率由0 變化為 12.5%。夏季空調運行時間由 4 h 延長至 12 h，建筑能耗偏差率由-17.3%變化為15.1%，冬季空調運行時間由2 h 延長至10 h，建筑能耗偏差率由-6.2%變化為8.5%。

表5 不同模擬輸入參數水平對建筑能耗的影響

本文利用SPSS 軟件對各變量進行相關分析。采用SPSS 默認的方式處理各變量的缺失值，并對各因素進行量化處理，分析結果如表6 所示。

對各個輸入參數與建筑能耗的相關性結果討論如下：

1）設定溫度對能耗的影響

從相關分析結果看出，空調設定溫度與建筑總能耗是顯著相關的，相關系數為 0.998，說明不同的夏季和冬季空調設定溫度會顯著影響建筑能耗。

2）運行時間對能耗的影響

從相關分析結果看出，空調運行時間與建筑總能耗顯著相關，相關系數為 0.999，說明建筑能耗會隨著空調運行時間的增長而增長。

3）能效比對能耗的影響

從相關分析結果看出，空調能效比與建筑總能耗顯著相關，相關系數為-0.963，說明建筑能耗會隨著空調能效比的增高而降低。

4）室內熱擾對能耗的影響

從相關分析結果看出，照明負荷，設備負荷與人員密度與建筑總能耗均無顯著相關性。說明建筑能耗不會隨著這三個因素的變化而產生顯著差異。

表6 建筑總能耗與各設定參數水平之間的相關性檢驗

4 結論與建議

針對在建筑能耗模擬過程中由于人員行為所引起建筑能耗預測結果的不準確性，本文選取某示范工程建筑建立基準模型，通過設置不同的模擬工況水平，量化各設定參數對建筑總能耗的影響程度，并采用相關性分析得到了針對住宅建筑能耗的顯著性影響因素。在做出合理簡化和假設的基礎上，通過模擬可以得出以下主要結論：

1）通過大量調研得出了重慶市住宅建筑居民用能行為規律，并將能耗模擬中各設定參數按實際情況合理劃分為不同工況，并通過與基準建筑全年能耗的比較，分析得出了各輸入參數在不同水平下對建筑能耗的影響程度。

2）根據相關性檢驗得出空調設定溫度，運行時間，設備能效比，室內熱擾這四個影響因素與建筑能耗的顯著相關性與變化趨勢，結果表明空調設定溫度及運行時間與建筑總能耗呈顯著正相關，空調能效比與建筑總能耗呈顯著負相關。

3）所提出的住宅建筑能耗模擬設定參數能反映實際建模過程中，建模者對該建筑人員行為輸入參數的真實性極大程度上影響了能耗模擬結果的準確性，可用于輔助制定重慶市居住建筑節能措施和標準，為提高該地區建筑能耗模擬預測的準確性和可信度提供數據支撐。