基于Stackelberg策略的裝配式建筑節能設計

孫 嫻 同濟大學建筑與城市規劃學院博士研究生在讀、建筑師

隨著人們生活水平的不斷提高，人們開始注意到建筑的質量問題，裝配式建筑隨之進入人們的視野[1]。在設計裝配式建筑的過程中，基于節能理念，運用Stackelberg 策略降低建筑施工消耗的成本，對裝配式建筑進行最優設計并制定最佳節能方案。

一、裝配式建筑節能設計

1、裝配式建筑結構體系設計

我國的裝配式建筑體系大致分為三類：分別是裝配式木結構體系、裝配式鋼結構體系、裝配式混凝土結構體系。裝配式木結構體系對木材需求較高，多存在于我國南方地區。鋼結構體系廣泛適用于超高層建筑和跨度較大的建筑[2]。裝配式混凝土結構體系又被稱為鋼筋混凝土結構體系，中高層及高層建筑基本都是采用混凝土結構體系設計。使用裝配式混凝土結構體系作為建筑的結構體系時，在室內添加剪力墻，能達到保溫效果，因此，嚴寒地帶基本選擇裝配式混凝土結構體系。

2、裝配式建筑圍護部分節能設計

（1）建筑外墻設計

外墻保溫是所有保溫體系的基礎，因此設計建筑外墻時應首先計算墻體厚度并選擇適宜的保溫材料。我國的住宅型建筑將墻體厚度算在房屋面積之內，因此房屋墻壁越厚，所得實際房屋面積越小，建筑設計師應在保證足夠的供暖及保溫效果的前提下盡量減小墻體厚度，并選用合適的保溫材料[3]。為了延長保溫材料的壽命，現今的建筑開始使用夾層保溫的方式。

（2）建筑門窗設計

建筑外門窗占地面積不大，但卻是整個裝配式建筑節能體系中能耗最大的部分。在進行建筑節能的門窗設計時，首先要保證建筑門窗的保溫性能，其次要考慮門窗的采光度，最后要考慮價格等問題。因玻璃的導熱系數較高，因此單層玻璃的保溫效果極差，應采用雙層玻璃或雙層真空玻璃的塑鋼門窗作為裝配式節能建筑的門窗。

（3）建筑屋頂設計

我國的建筑大都只有五面裸露在外的墻壁，分別是東西南北四面墻壁外加屋頂，因此設計屋頂時既要考慮防水效果也要考慮保溫效果。現階段，我國的屋頂構造以平頂略帶坡度為主，少部分南方多雨地區為坡頂構造。無論是什么類型的建筑屋頂，其最外層都是一層防水材料。平頂構造和坡頂構造的保溫材料放置有一定的位置差距，具體情況如圖1 所示。

圖1 保溫材料位置

如1 圖所示坡頂構造的保溫材料分布在尖頂連接部位和夾心部位，而平頂構造的保溫材料僅分布于夾心部位。若是以裝配式鋼結構體系為主導的建筑設計，則平頂構造的鋼板間隙處也應填充保溫材料。

3、基于Stackelberg 判斷節能實現主體

若將售賣節能相關產品的公司和用能單位看作整個節能產品銷售鏈，則可以得到如圖2 所示模型。

如圖2 所示，用能單位對外公布消息想要對建筑進行節能改造，并在預期了跟隨方動向的前提下計算成本敏感系數，與售賣節能相關產品的公司所提供的節能分配比進行對比，跟隨方所提出的成本敏感系數較小，則可直接進入下一環節。如果跟隨方所提出的成本敏感系數較大，則表示本項目現有資金不足以做完該節能工作，繼續申請項目補貼。使用Stackelberg 策略進行建筑節能，能最大限度地降低成本，節省項目資金，達成節能目的。

二、模擬實驗

本文選擇中國北方某地區作為地理氣候數據，在清華斯維爾建筑節能軟件的輔助模擬運行下，構造節能建筑設計模型，分別使用本文基于Stackelberg 策略的裝配式建筑節能設計方法與傳統方法進行對比，得到最優節能方案。

圖2 基于Stackelberg 的節能模型

1、實驗準備工作

（1）地理位置及氣候參數

本實驗選擇北方嚴寒地區某市，屬溫帶大陸性氣候，冬季漫長寒冷，夏季簡短涼爽，四季分明。每年4 至5、9 至10 月為春秋兩季，十分短暫，溫度變化梯度較大。6 至9 月為夏季，降水量不足400 mm，平均氣溫23 至25 ℃。其余時間皆為冬季，最低氣溫為-30至-15 ℃，時常出現暴雪天氣。

（2）建筑平面圖

本實驗采用裝配式建筑節能設計方案，設計一個大概面積為200 m2的民用住宅，長50 m，寬40 m。室內有3 個客廳、2 個衛生間、1 個廚房和1 個客廳，具體平面圖見圖3。

如圖3 所示，平面圖左邊為南方。本實驗建筑的結構體系為混凝土結構體系，在主臥和次臥1 中修建巨大的雙層真空玻璃窗，充分利用自然光和自然熱源，降低建筑內部電能消耗，提升自然光的利用率。因該地區冬季過于寒冷，合理增加外墻厚度，盡量避免室內溫度大量散失，節約冬季供暖能量。

2、實驗過程

圖3 建筑平面圖

啟動清華斯維爾建筑節能軟件，首先在軟件中找到本實驗的所在城市，獲取當地氣候參數，開始計算，得到冬日太陽高度角及建筑各部分所能獲得的日照強度。接著設置該建筑的圍護結構參數，包括外墻傳熱系數、屋頂傳熱系數、門窗傳熱系數等，在設置系數的過程中需要考慮外圍結構的材質及厚度。還要設置門窗開關變量，如人出門上班下班、出門購物，每天早上開窗通風15 min，以及暖氣開放時間等。參數設置完畢后，啟動程序，開始運行計算。

3、能耗分析

根據啟動軟件模擬得到的結果進行評估分析，實驗所在地該類住宅冬季平均能耗為117.6 kW/m2，以目前我國供暖鍋爐能源轉換率每340 kg 煤得到1 萬kW·h 的標準能量計算，也就是1 m2住宅年耗煤4.70 kg，實驗住宅采暖面積為200 m2，則年耗煤量為940 kg。據調查，其他供暖住宅年平均耗煤量為8.24 kg/m2，則同樣面積的住宅年耗煤量為1648 kg。本文基于Stackelberg 策略的裝配式建筑節能設計方法比起傳統建筑每年節省42%的煤炭能源。

三、結語

推進建筑行業節能已成為當今社會環境和資源保護的重點內容，推廣建設裝配式建筑已成為大勢所趨。在裝配式建筑設計方面，基于Stackelberg 策略的節能設計能有效降低建筑成本和建筑能耗，符合新時代的可持續發展理念。