基于STIRPAT模型的節能建筑圍護結構能耗分析

劉 婕，麻延軍

(張家口建筑勘察設計有限公司，河北 張家口 075000)

節約能源以及降低能源消耗是當下社會發展的重要目標，而我國建筑能耗更是接近全部能耗的30%，并且該數據還在不斷增加[1]。新建的節能建筑的比例已經高于95%，但是施工過程中嚴格執行節能的比例則低于54%，因此，建筑能耗面臨嚴峻形勢。節能建筑能耗分析包含兩方面，一是宏觀層面，二是微觀層面[2]。前者指的是人口數量、城市生產力、第三產業以及人均消費水平，這些因素在宏觀層面對于建筑能耗存在較大影響。后者是建筑自身情況的能耗，例如門窗、墻體是建筑的主要圍護結構，起到保溫、防潮等功能，且這些功能對建筑的冷熱負荷存在較大影響，負荷的大小則與建筑設備的能耗存在直接和顯著關聯[3]。因此，通常情況下為實現建筑節能目的，主要采用的手段是增強建筑圍護結構的熱工性能。四種建筑圍護結構中，按照能耗的高低順序為：門窗>墻體>屋頂，其中門窗的能耗占據總能耗的一半[4]。建筑門窗、墻體和屋頂節能情況是當下建筑領域十分重視的問題，為降低建筑圍護結構的能耗，必須提升建筑圍護結構的保溫、隔熱以及密封性能，則圍護結構的材料性能是關鍵[5]。但是節能建筑圍護結構的投入產出比極高，例如節能建筑圍護結構的投入增加3.1%～6.1%即可實現建筑圍護結構的能耗降低21%～41%。

為分析兩種層面的建筑能，本文分別采用STIRPAT模型和eQUEST軟件進行建筑能耗分析。STIRPAT模型是一種評估模型，其在能源消耗方面的應用較為廣泛。為分析節能建筑圍護結構的能耗，本文研究基于STIRPAT模型的建筑圍護結構的能耗模擬，分析建筑圍護結構的能耗的詳細情況。

1 節能建筑圍護結構能耗分析

1.1 宏觀分析

1.1.1 宏觀能耗影響因素分析

對節能建筑能耗造成影響的因素較多，本文以影響最為主要且直接的因素展開分析[6]。

(1)人口。人口數量是對于能源消耗增加的主要影響因素，能源的需求和消耗隨著人口數量的增加而增加，導致建筑的使用頻率明顯提高[7]。因此，人口是影響宏觀能耗的主要因素。

(2)城鎮化。城鎮化對于建筑能耗存在多方面宏觀影響，例如城鎮化的不斷推進，導致建筑設施大規模建設，建筑面積顯著增加[8]。在此基礎上，將導致人均消費水平的提升，同時對于能源的需求將成倍增加。

(3)建筑面積。建筑面積和供暖需求具有正比例關系，能耗越多，供暖所需的能源也成倍增加[9]。

(4)消費水平。建筑在提供服務過程中，與其服務水平和所需能源之間具有正相關性[10]。

(5)第三產業的發展。第三產業在生產過程中，產生的能耗主要屬于建筑范疇，因此將其歸于建筑能耗，該產業的增長，則明顯增加公眾建筑能耗[11]。

1.1.2 STIRPAT模型

STIRPAT模型公式為

I=aPbAcTde

(1)

式中：a、e分別為模型系數和誤差；I為環境壓力；P、b分別為人口數量和指數；A、C分別為人均消費和其他指數；T、d分別為技術和人文驅動指數。

STIRPAT模型的特殊形式即為IPAT，且其a=b=c=d=1。在此基礎上，STIRPAT模型將多項對環境壓力造成影響的因素融入，分別為人口數量、富裕度、技術等人文驅動[12]。依據STIRPAT模型的非線性特征，采取對數化方式對公式兩側實行處理可得

lnI=lna+blnP+clnA+dlnT+lne

(2)

因為無法直接采用式(2)進行多元性回歸分析，依據IPAT的I=PAT可知，式(2)的回歸求解結果為b=c=d=1。因此，STIRPAT模型采用T實現其和IPAT的相同性，并且T在實際的回歸分析應用時不是分別估算而是屬于誤差項內[13]。則修正模型公式為

lnI=a+blnP+clnA+e

(3)

式中：a、e分別為常數項和殘差。由于STIRPAT模型具備隨機性，可將富裕度等對數形式的二項式引入式(2)中，對庫茲涅茨曲線實行驗證，驗證過程中融入多項式處理對數，則有

lnI=a+blnP+c1lnA+c2(lnA)2+dlnT+e

(4)

若想得到富裕度相對于環境壓力的彈性系數，參考該種系數的運算原理，對下式的lnA一階偏導數進行求解運算，則有

(5)

本文主要分析節能建筑能耗的宏觀影響因素，因此結合STIRPAT模型原理，建立基于STIRPAT的節能建筑能耗宏觀分析模型，其公式為

lnE=lna+b1lnP+b2lnU+c1lnA+

c2lnC+dlnD+lne

(6)

式中：U、A、C、D分別為人口總數、城鎮化率、人均建筑面積、消費水平指數以及第三產業增加指數。

1.1.3 計算數據

選用某省2015—2019連續5年內的人口、城鎮化、建筑面積、消費水平、第三產業的發展數據作為模型計算依據，并對該數據實行擬合，獲取該省份節能建筑能耗結果，見表1。

表1 節能建筑能耗結果

1.1.4 數據計算以及宏觀能耗分析

根據式(3)的修正模型可知，各個因素之間具有極高的共線關系，因此需對STIRPAT模型實行回歸擬合，其通過回歸分析完成。則多線性回歸模型矩陣求解公式為

(7)

式中：X、β、ε、k、I分別為模型矩陣、參數向量、隨機誤差、偏移系數、單位矩陣，其中k取值范圍為[0,1]，其獲取依據為嶺跡圖；Y=Xβ+ε。基于此，在步長為0.003時，對式(4)實行線性擬合，利用SPSS22.0軟件完成，則獲取嶺跡圖，見圖1。

圖1 嶺跡圖

根據計算結果可確定k=0.357，則獲取回歸結果，見表2。

根據表2的求解結果可知：回歸系數R2=0.997，具備極高的擬合程度，同時各個因素的VIF值均在1.22以下，則得出模型的擬合公式為

表2 求解結果

lnE=0.059lnP+0.208lnU+0.232A+

0.287lnC+0.220lnD+1.085

(8)

針對上述結果展開分析可知：該省份節能建筑能耗宏觀分析根據影響程度的大小順序排列為消費水平指數>人均建筑面積>第三產業發展水平>城鎮化率>人口總數。說明，節能建筑能耗的宏觀影響因素以消費水平指數和人均建筑面積為主，第三產業發展水平、城鎮化率和人口總數為輔。

1.2 微觀分析

節能建筑的圍護結構對于建筑的能耗存在一定程度影響，并且圍護結構的復雜性以及相互之間的關聯和相互影響，因此，需從微觀角度分析節能建筑圍護結構能耗[14]。本文采用eQUEST軟件計算節能建筑圍護結構能耗。

1.2.1 eQUEST軟件

eQUEST軟件是一種動態模擬軟件，其具備建筑場地和氣象的詳細數據信息，并且可針對供熱系統、圍護結構、結構材料以及相互遮擋實行充分模擬和分析，同時適用于所有擾量的計算，完成準確的建筑圍護結構能耗的微觀分析。

建筑在使用過程中，會存在動態傳熱過程，室內外的溫度變化對傳熱量的大小存在直接影響。eQUEST軟件通過反應系數法對建筑的負荷實行動態計算。室內外的溫度在該方法的運行下，可劃分成三角波，并且可疊加[15]。圍護結構的能耗可用其傳熱量描述，該值的獲取需依據維護結構表面的溫度以及熱流，其獲取方式為疊加維護結構對各個溫度三角波的反應，利用導熱微分方程獲取熱量值。通過下式可運算得出圍護結構傳熱量：

(9)

式中：qinside為表面傳熱量，W/m3；Wi和Zi均為反應系數。Voutside為圍護結構外部溫度，C；Vinside為圍護結構內部溫度，℃。

1.2.2 模型建立

采用eQUEST軟件模擬2.1章節中該省的一幢既有住宅建筑，建筑模擬結果見圖2。該建筑共有10層，每層高為3.8 m，建筑總長50 m，寬20 m，坐北朝南，其圍護結構詳細參數見表3。其他模擬參數設置見表4。

圖2 建筑模擬模型

表3 圍護結構詳細參數

表4 模擬參數設置

1.2.3 能耗分析

節能建筑圍護結構能耗分析主要包括下述幾個方面：

1)墻體保溫能耗分析

節能建筑的圍護結構中，占據面積最大的即是墻體面積，因此其也是微觀影響建筑圍護結構能耗的主要因素。我國節能建筑墻體主要保溫材料為聚苯板。穿透墻體的瞬間傳熱變化的計算公式為

Qc(τ)=LH(tc(τ)-tR)

(10)

式中：Qc(τ)外墻瞬間傳熱波動產生的負荷波動值，H和L分別為總傳熱系數以及面積，m2；tc(τ)和tR分別為冷負荷對應的溫度值以及實際預測的室內溫度值，℃。

根據式(9)，在傳熱延時忽略時，建筑能耗的主要影響因素是墻體傳熱系數。針對指定或者特殊的節能建筑，能耗的降低可通過調整墻體傳熱系數實現，則需要對墻體實施保溫層增加手段。

通常情況下結構熱橋屬于外墻體傳熱系數中，外墻體不同位置的加權平均值用Km表示，其值為0.5 W/(m2·K)，模擬過程中將外墻傳熱系數范圍調整在0.3～1.3 W/(m2·K)，獲取外墻能耗模擬結果，見圖3。

根據圖3的測試結果可知：隨著加權平均傳熱系數的逐漸增加，兩種負荷變化均呈線性上升趨勢；但是兩種負荷中，熱負荷變化更加顯著，對比原來的傳熱系數值可發現，Km每增加0.2 W/(m2·K)，熱負荷變化則增加18.5%左右，則表明圍護結構的熱負荷較大程度上會受到圍護結構傳熱性能的干擾。

圖3 外墻能耗結果

2)外窗能耗分析

模擬分析建筑能耗受到窗戶傳熱系數的影響，并設置外窗傳熱系數取值區間為[1.48，3.88]W/(m2·K)，結果見圖4。由于模擬的建筑是坐北朝南，因此模擬南窗和北窗的能耗結果。

圖4 外窗能耗結果

根據圖4的測試結果可知：窗戶熱負荷和冷負荷都和傳熱系數具有正比例關系。但是相對北窗比較，南窗的冷熱兩種負荷變化程度較為明顯，高于北窗的負荷變化程度，其冷、熱負荷變化范圍分別為-1.8～2.2 W/(m2·K)和-12～16 W/(m2·K)。通過該結果的分析表明，南窗對于建筑的能耗高于北窗。

3)屋頂能耗分析

模擬屋頂傳熱系數范圍調整在0.35～1.25 W/(m2·K)時，分析屋頂能耗變化情況，結果用圖5描述。

圖5 屋頂能耗結果

根據圖5測試結果可知：屋頂的傳熱系數的變化對于建筑整體的能耗影響較低，本文模擬的建筑模型屬于多層建筑，屋頂對于整個建筑的能耗影響則取決于建筑自身的類型，因此，本文模擬的建筑，屋頂對于建筑整體的能耗影響較小。冷熱兩種負荷變化程度中，熱負荷的變化程度顯著，但是變化范圍較小。因此，屋頂對于建筑整體能耗的影響較小。

2 結 論

本文針對節能建筑能耗展開相關分析，采用STIRPAT模型和eQUEST軟件分別從宏觀角度和微觀角度完成節能建筑圍護結構能耗分析，獲取兩者的分析結果，分別為消費水平指數>人均建筑面積>第三產業發展水平>城鎮化率>人口總數，窗能耗>墻體能耗>屋頂能耗。根據該分析結果，可結合實際居住以及地區氣候情況，合理調整或者改造既有建筑的保溫措施。