寒冷A區既有辦公建筑能耗因素分析＊

高宇波，張 琛

（太原理工大學建筑學院，山西 太原 030024）

1 能耗影響因素選取

影響既有辦公建筑能耗的因素主要包括建筑所處氣候區、建筑圍護結構和建筑設備，這3個方面為建筑本身的客觀因素。除此之外，影響建筑能耗的因素中主要還包括室內設計參數、人員參數等主觀因素。在各類因素中，氣候分區對建筑能耗的影響主要體現在因氣候條件不同造成的環境中溫度、濕度、太陽輻射的不同，從而導致建筑冬季采暖能耗與夏季空調制冷能耗占建筑能耗比例存在差異。例如我國北方地區相較南方地區普遍冬季寒冷，采暖能耗也因此增加，而同時制冷能耗較南方地區會有所下降。本文的研究對象為處于寒冷A區的太原市，故在進行能耗影響因素分析中，主要考慮建筑圍護結構、建筑設備、室內設計參數、人員參數等方面。

1.1 圍護結構參數

既有辦公建筑圍護結構保溫性能好壞直接影響室內熱環境，所以在考慮對建筑能耗的影響因素時，首先需考慮圍護結構參數[1]。

窗墻比越大，室內太陽輻射越大，雖然可提高冬季室內溫度，但也會提高夏季空調能耗。窗戶是與外界進行熱量交換最頻繁、最靈敏的外圍護結構部位[2]。相較其他部分，窗戶擁有質量輕且薄的優點，所以其不易隔絕熱量，保溫性能較差。而且從門或窗戶等部位極易損失熱量，其重要性不言而喻。窗玻璃抵擋陽光紫外線與熱能的能力稱為遮陽系數。數值越高，代表從窗戶照入室內的熱輻射越高，可有效降低冬季室內采暖能耗。反之，則意味著窗戶對太陽能的抵擋能力越強，傳導進室內的熱能越少，但也會使夏季空調能耗降低。所以建筑節能需綜合考慮，選擇合適的遮陽系數[3]。另外，太陽輻射、熱傳導均通過窗戶進行交換，所以窗戶形、有無遮陽措施、遮陽措施類型及外窗材料特性等均會對建筑能耗產生影響。圍護結構中的其他重要部位還有屋面，屋面熱工性能好壞也對室內熱環境有直接的影響作用。屋面保溫隔熱性能較差時，夏天導致建筑內溫度升高，空調使用率呈上升趨勢，導致耗能嚴重[4]。通過以上分析，在涉及圍護結構的能耗因素相關參數中，最終選取窗墻比、外窗傳熱系數、外墻傳熱系數、屋面傳熱系數及遮陽系數5個因素進行分析。

1.2 室內設定參數與空調系統參數

空調系統的作用在于維持室內熱環境的舒適度，在影響空調能耗因素中，除設備因使用年限過久而造成運行狀態不穩定，以及室外機周圍通風順暢程度、安裝質量好壞、維護保養狀況等主觀不可量化的因素外，冬季和夏季的室內溫度設置是影響建筑能耗的重要可控因素。夏季室內空調設定溫度過低，但室外溫度過高，易產生較大溫差，增加室內外空氣焓值，導致人們使用空調的時間延長，進而增加空調能耗[5]。

空調系統采暖和制冷能耗是建筑總能耗占比中最不可忽視的部分。除設定的冬季和夏季室內溫度外，空調設備自身的參數值也直接影響空調能耗，如冷水機組能效比（COP值）是一項重要的空調系統節能參數[6]。通常認為，能效比越大，節約的電能也就越多。因此本文在研究空調系統對建筑能耗的影響因素中，主要考慮冬季室內溫度、夏季室內溫度及冷水機組COP值等因素。

1.3 電器設備與照明參數

電器設備也會對既有辦公建筑室內的熱量產生影響，包括空調、照明設備、辦公設備等，在不影響室內熱環境的前提下，應合理選擇建筑內設備功率，提高設備利用率[7]。同時，室內照明和電器設備運行過程中產生的熱量會提高室內溫度，所以在合適的照明亮度下，提倡使用節能燈具。在表示單位面積建筑內設備和照明安裝功率時，一般采用設備功率密度與照明功率密度，因此本文在研究辦公建筑設備對能耗的影響因素時，主要考慮設備功率密度和照明功率密度2個設定值的影響。

2 各建筑能耗影響因素水平數選取

此次能耗因素分析共選擇遮陽系數、照明功率密度、冬夏季室內溫度等10個建筑能耗影響因素。為進行下一步對各因素影響建筑能耗程度大小的分析，首先依據相關規范標準，參考上述10個因素在節能中的設計值，挑選3個水平值為下一步分析做準備，各類水平數的選值如表1所示。

表1 能耗因子及水平數選取

3 基準模型建立

首先利用DeST模擬軟件建立能耗模擬基準模型，本模型以太原市某辦公建筑建立，其平面采用長方形、中間內走廊、兩側辦公室的辦公建筑基本形制，立面做法、圍護結構的設計及材料特性，包括能耗現狀也以該辦公建筑現狀數據進行設置（見圖1）。此次模擬所設定的氣象參數源自DeST-c太原市的氣象數據，其他數據按標準值輸入、圍護結構參數如表2所示。與實際能耗數據對比之后，模型校驗結果顯示可行。

表2 項目案例圍護結構參數

圖1 基準模型

4 能耗影響因素分析過程

4.1 分析工具

本文選用SPSS軟件進行能耗因素分析。SPSS軟件可進行多種統計學相關分析，其中對2種或以上變量間的線性關系進行分析的方法稱為多元線性回歸分析法。

4.2 正交試驗設計

為提高分析結果的科學性和準確性，在涉及多個因素的關系分析中，需選擇一定量的樣本數據進行分析。本文對10個能耗影響因素分別選取3個不同水平值，由于涉及變量較多，若全部進行試驗則需要上萬次數據統計，為使結果可靠的同時盡量采取較少的試驗次數減少工作量，則需借助正交試驗法對模擬方案進行設計[8]。

日本統計學家田口玄一在此基礎上提出一種將正交試驗列成表格的方法，稱為正交表。正交表可更清晰明確地顯示試驗組合，正交表最為簡單的形式為Ln（qp）形式，在這一形式中，L代表的是正交表的符號；n和p分別代表正交表的行數和列數，其中行數指的是試驗方案數量或試驗次數，列數指的是試驗因素的數量；q代表正交表的數碼，即因素的水平數。根據本文選取的10個能耗因素及其水平數選取，利用SPSS軟件進行整合，生成L27（310）的正交試驗表格，如表3所示。

表3 正交試驗表

此表的L27表示此次試驗有27種試驗樣本，因要研究各因素與建筑能耗之間的關系，故根據該表顯示的試驗組合，依次在DeST模擬軟件改變基準模型設置參數得出每一種組合的建筑能耗數據。

5 分析結果

將得出的樣本數據輸入到SPSS軟件，根據回歸分析可得出如下結果。

1）模型通過F檢驗（P＜0.05），意味著模型具有意義。

2）模型的 R2值為 0.961，表明屋面傳熱系數（RT）、外墻傳熱系數（WT）、外窗傳熱系數（OT）、遮陽系數（SC）、窗墻面積比（WR）、照明功率密度（LL）、設備功率密度（EQ）、冷水機組能效比（COP）、夏季室內溫度（SIT）、冬季室內溫度（WIT）這10項可解釋建筑能耗96.1%的變化原因，其中照明功率密度、遮陽系數、冬季室內溫度對能耗的影響不顯著。

能耗預測公式為：建筑能耗=68 252.85+7 131.47×屋面傳熱系數（RT）+12 899.48×外墻傳熱系數（WT）+1 400.89×外窗傳熱系數 （OT）+10 380.70×窗墻面積比（WR）+296.74×設備功率密度（EQ）+2 137.91×冷水機組能效比（COP）+1 554.14×夏季室內溫度（SIT）。

根據分析結果的各項回歸系數可知，影響建筑能耗增加的因素中：外墻傳熱系數（WT）＞屋面傳熱系數（RT）＞設備功率密度（EQ）＞冷水機組能效比（COP）＞夏季室內溫度（SIT）＞窗墻面積比（WR）＞外窗傳熱系數（OT）＞照明功率密度（LL）＞遮陽系數（SC）＞冬季室內溫度（WIT）。

6 結語

本文首先分析影響既有辦公建筑能耗的各類因素并提取出10個主要參數，同時依據相關節能標準選出3個水平數；并以處于寒冷A區的太原市既有辦公建筑為研究對象建立基準模型，利用正交試驗法確立試驗次數，通過DeST能耗模擬軟件對各試驗進行模擬；最后通過SPSS分析軟件對數據進行分析，得出外墻傳熱系數、屋面傳熱系數、設備功率密度、冷水機組能效比、夏季室內溫度、窗墻面積比、外窗傳熱系數、照明功率密度、遮陽系數、冬季室內溫度10個參數對既有辦公建筑能耗的影響程度及優先級，對既有公共建筑節能研究具有一定參考價值和借鑒意義。