基于Stackelberg策略的装配式建筑节能设计

孙 娴 同济大学建筑与城市规划学院博士研究生在读、建筑师

随着人们生活水平的不断提高，人们开始注意到建筑的质量问题，装配式建筑随之进入人们的视野[1]。在设计装配式建筑的过程中，基于节能理念，运用Stackelberg 策略降低建筑施工消耗的成本，对装配式建筑进行最优设计并制定最佳节能方案。

一、装配式建筑节能设计

1、装配式建筑结构体系设计

我国的装配式建筑体系大致分为三类：分别是装配式木结构体系、装配式钢结构体系、装配式混凝土结构体系。装配式木结构体系对木材需求较高，多存在于我国南方地区。钢结构体系广泛适用于超高层建筑和跨度较大的建筑[2]。装配式混凝土结构体系又被称为钢筋混凝土结构体系，中高层及高层建筑基本都是采用混凝土结构体系设计。使用装配式混凝土结构体系作为建筑的结构体系时，在室内添加剪力墙，能达到保温效果，因此，严寒地带基本选择装配式混凝土结构体系。

2、装配式建筑围护部分节能设计

（1）建筑外墙设计

外墙保温是所有保温体系的基础，因此设计建筑外墙时应首先计算墙体厚度并选择适宜的保温材料。我国的住宅型建筑将墙体厚度算在房屋面积之内，因此房屋墙壁越厚，所得实际房屋面积越小，建筑设计师应在保证足够的供暖及保温效果的前提下尽量减小墙体厚度，并选用合适的保温材料[3]。为了延长保温材料的寿命，现今的建筑开始使用夹层保温的方式。

（2）建筑门窗设计

建筑外门窗占地面积不大，但却是整个装配式建筑节能体系中能耗最大的部分。在进行建筑节能的门窗设计时，首先要保证建筑门窗的保温性能，其次要考虑门窗的采光度，最后要考虑价格等问题。因玻璃的导热系数较高，因此单层玻璃的保温效果极差，应采用双层玻璃或双层真空玻璃的塑钢门窗作为装配式节能建筑的门窗。

（3）建筑屋顶设计

我国的建筑大都只有五面裸露在外的墙壁，分别是东西南北四面墙壁外加屋顶，因此设计屋顶时既要考虑防水效果也要考虑保温效果。现阶段，我国的屋顶构造以平顶略带坡度为主，少部分南方多雨地区为坡顶构造。无论是什么类型的建筑屋顶，其最外层都是一层防水材料。平顶构造和坡顶构造的保温材料放置有一定的位置差距，具体情况如图1 所示。

图1 保温材料位置

如1 图所示坡顶构造的保温材料分布在尖顶连接部位和夹心部位，而平顶构造的保温材料仅分布于夹心部位。若是以装配式钢结构体系为主导的建筑设计，则平顶构造的钢板间隙处也应填充保温材料。

3、基于Stackelberg 判断节能实现主体

若将售卖节能相关产品的公司和用能单位看作整个节能产品销售链，则可以得到如图2 所示模型。

如图2 所示，用能单位对外公布消息想要对建筑进行节能改造，并在预期了跟随方动向的前提下计算成本敏感系数，与售卖节能相关产品的公司所提供的节能分配比进行对比，跟随方所提出的成本敏感系数较小，则可直接进入下一环节。如果跟随方所提出的成本敏感系数较大，则表示本项目现有资金不足以做完该节能工作，继续申请项目补贴。使用Stackelberg 策略进行建筑节能，能最大限度地降低成本，节省项目资金，达成节能目的。

二、模拟实验

本文选择中国北方某地区作为地理气候数据，在清华斯维尔建筑节能软件的辅助模拟运行下，构造节能建筑设计模型，分别使用本文基于Stackelberg 策略的装配式建筑节能设计方法与传统方法进行对比，得到最优节能方案。

图2 基于Stackelberg 的节能模型

1、实验准备工作

（1）地理位置及气候参数

本实验选择北方严寒地区某市，属温带大陆性气候，冬季漫长寒冷，夏季简短凉爽，四季分明。每年4 至5、9 至10 月为春秋两季，十分短暂，温度变化梯度较大。6 至9 月为夏季，降水量不足400 mm，平均气温23 至25 ℃。其余时间皆为冬季，最低气温为-30至-15 ℃，时常出现暴雪天气。

（2）建筑平面图

本实验采用装配式建筑节能设计方案，设计一个大概面积为200 m2的民用住宅，长50 m，宽40 m。室内有3 个客厅、2 个卫生间、1 个厨房和1 个客厅，具体平面图见图3。

如图3 所示，平面图左边为南方。本实验建筑的结构体系为混凝土结构体系，在主卧和次卧1 中修建巨大的双层真空玻璃窗，充分利用自然光和自然热源，降低建筑内部电能消耗，提升自然光的利用率。因该地区冬季过于寒冷，合理增加外墙厚度，尽量避免室内温度大量散失，节约冬季供暖能量。

2、实验过程

图3 建筑平面图

启动清华斯维尔建筑节能软件，首先在软件中找到本实验的所在城市，获取当地气候参数，开始计算，得到冬日太阳高度角及建筑各部分所能获得的日照强度。接着设置该建筑的围护结构参数，包括外墙传热系数、屋顶传热系数、门窗传热系数等，在设置系数的过程中需要考虑外围结构的材质及厚度。还要设置门窗开关变量，如人出门上班下班、出门购物，每天早上开窗通风15 min，以及暖气开放时间等。参数设置完毕后，启动程序，开始运行计算。

3、能耗分析

根据启动软件模拟得到的结果进行评估分析，实验所在地该类住宅冬季平均能耗为117.6 kW/m2，以目前我国供暖锅炉能源转换率每340 kg 煤得到1 万kW·h 的标准能量计算，也就是1 m2住宅年耗煤4.70 kg，实验住宅采暖面积为200 m2，则年耗煤量为940 kg。据调查，其他供暖住宅年平均耗煤量为8.24 kg/m2，则同样面积的住宅年耗煤量为1648 kg。本文基于Stackelberg 策略的装配式建筑节能设计方法比起传统建筑每年节省42%的煤炭能源。

三、结语

推进建筑行业节能已成为当今社会环境和资源保护的重点内容，推广建设装配式建筑已成为大势所趋。在装配式建筑设计方面，基于Stackelberg 策略的节能设计能有效降低建筑成本和建筑能耗，符合新时代的可持续发展理念。