夏热冬冷地区建筑围护结构敏感性分析

摘 要：确定关键的围护结构热工参数有助于既有建筑的节能改造和建筑节能设计。本研究以六安某公寓建筑为例，使用EnergyPlus软件对该公寓进行数值建模。通过正交实验的方法，确定了不同围护结构因素对该建筑冷负荷的影响程度：综合窗墙比>外窗太阳得热系数SHGC>外墙传热系数>外遮阳投影因子。进一步，采用敏感性分析法对综合窗墙比和外窗太阳得热系数进行分析。研究结果显示，综合窗墙比的敏感性系数约0.257 3，而外窗太阳得热系数的敏感性系数约为0.182。为建筑节能改造与建筑节能设计工程中的围护结构参数的选择和调整提供了理论依据。

关键词：建筑节能;建筑围护结构;建筑冷负荷;敏感性分析

中图分类号：TU241;TU114.4 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2024）09-0001-06

2020年，习近平主席在联合国大会上提出了中国在2030年前达到碳峰值和在2060年前实现碳中和的目标。为此每个行业都需要节能减排。而目前，建筑能耗是我国社会总能耗的主要组成部分之一，建筑节能在近年来逐渐成为国家可持续发展的重要领域。据了解，我国的建筑能耗占总能耗的三分之一左右，并且呈逐年递增的趋势，因此节能减排也成了建筑行业发展的重中之重[1]。2020年全国建筑与建造能耗总量为22.7亿吨标准煤，占全国能源消费总量的比重为45.5%;2020年全国建筑与建造碳排放总量为50.8亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为50.9%;2020年全国建筑运行碳排放总量为21.6亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为21.7%[2]。因此通过建筑节能设计和建筑节能改造来降低建筑能耗是十分有必要的。

马先睿[3]等人对我国夏热冬冷地区村镇住宅建筑能耗的15个动力因子进行了归纳分析，其中最能影响建筑能耗的因子是“技术应用因子”，该因子主要是建筑节能技术的应用。谢慧[4]等人通过对农居围护结构改造前后的碳排放信息收集和分析后得出了围护结构节能改造后农居碳排放量可降低52.85%到86.72%的结论。金虹[5]等人以哈尔滨某多层住宅为研究对象，研究了寒冷地区建筑围护结构对建筑物的采暖能耗的敏感程度：外窗太阳得热系数≈外窗传热系数>外墙传热系数>屋顶传热系数。王烨[6]等人对办公建筑负荷指标进行了评价，结果表明对寒冷地区，建筑各因素对建筑总负荷的重要程度从大到小依次为窗墙比、窗户传热系数、玻璃遮阳系数。Albatayneh[7]等人对地中海半湿润气候区住宅建筑的12个设计变量进行了敏感性分析，评估了其对冷负荷和热负荷的影响程度。Sun Y[8]等人对太阳温室热损耗进行了研究，结果表明与前屋顶和后屋顶相比，墙壁对热损耗更敏感。Zhu L[9]等人对办公楼进行了案例研究，分析了建筑负荷（峰值冷负荷、峰值热负荷、年制冷需求和年供热需求）的不确定性和敏感性。

围护结构影响建筑物室内冷负荷的因素较多，在进行建筑节能设计或建筑节能改造时都必须考虑围护结构的各种因素对整个建筑能耗的影响。本文选取了对建筑物夏季室内冷负荷较为重要的几个因素，采用数值模拟和正交实验相结合的方法对建筑围护结构对建筑物室内冷负荷进行分析研究，同时采用敏感性分析法计算较为重要的因素的敏感性系数。在采用Energy plus进行整个建筑的能耗模拟的基础上，使用正交实验和敏感性分析的方法研究围护结构各种因素参数的变化对整个建筑空调系统冷负荷的影响程度，为建筑节能设计或建筑节能改造提供相关的依据。

1 工程概况

1.1 初始工况

选取六安市某公寓建筑作为研究对象，该建筑建于2006年，房间类型包括公寓、卫生间、办公室、走廊、楼梯等。该建筑共6层，层高3.6m，建筑面积6 884.86m2，空调面积5 584.39平方米，南向窗墙比0.25，北向窗墙比0.23，综合窗墙比0.24，体形系数0.328。

1.2 初始热工结构

建筑主要围护结构结构图如图1所示。

外墙主要由240mm红黏土砖墙和20mm水泥砂浆以及20mm混合砂浆构成;内墙主要由120mm红黏土砖墙和两层20mm混合砂浆构成;楼地由400mm钢筋混凝土和20mm水泥砂浆构成;楼板由100mm钢筋混凝土和20mm水泥砂浆以及20mm混合砂浆构成;屋顶由100mm钢筋混凝土和20mm水泥砂浆、20mm混合砂浆以及20mm防水层构成。各种结构的材料物性参数如表1所示。

2 数值模型的建立

2.1 软件选择

本研究选用Energy plus对建筑空调的冷负荷进行模拟分析。EnergyPlus是美国能源部（DOE）和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）基于BLAST和DOE-2开发的建筑能源时序仿真软件，应用集成同步的负载/系统/设备仿真方法[10]。

Energy Plus基于物理的建筑模型，可以模拟建筑结构、照明、空调、暖气、通风和太阳能等系统的交互作用，以提供全面的能源性能分析。EnergyPlus的优点之一是其准确性和可靠性。它基于物理原理和算法，能够模拟建筑系统的真实行为，并考虑到诸如热传导、热辐射、热对流等复杂的物理过程。另一个优点是Energy Plus是一个开放源代码的软件，可以根据用户的需要进行定制和扩展。对于本研究而言，Energy Plus能够很好地模拟公寓内部的人员活动、电器工作所产生的热扰动，并且能够模拟室外天气温度的逐时变化情况。

2.2 气象数据

研究采用的六安市设计日和典型气象年的天气数据，该数据可从Energy Plus官网进行下载，数据来源于中国气象局与清华大学联合编制的中国标准天气资料（CSWD）。根据《建筑气候区划标准》[11]，六安市属于夏热冬冷地区，逐时及月度干球温度如图2所示。

2.3 模型建立

夏季室内空调系统温度设为26℃。空调系统运行时间为4月1日到11月30日。根据基准建筑的实际情况以及材料参数建立详细的建筑三维模型，建筑整体结构及建筑处于夏季早上八点十分的阳光照射情况如图3所示。同时根据建筑围护结构的实际组成部分对建筑围护结构的热工性能参数进行设置。

3 正交实验

3.1 正交实验

通过正交实验法，可以对实验因素进行均等采样，从而减少需要进行的实验次数，准确分析各种因素对实验结果的影响程度[12]。正交实验的优点之一是高效性。通过使用正交设计，可以在相对较少的实验运行次数下获得大量的信息。另一个优点是正交实验的可靠性和稳定性。正交设计的选择是基于数学原理和统计学的均衡性，可以确保在实验过程中不会受到因素之间的相互干扰。

3.2 正交设计

通过给外墙加入可发性聚苯乙烯保温板（EPS）降低外墙的传热系数，从而达到降低整体建筑物室内冷负荷的目的。保温层厚度选取范围为20mm—80mm，以20mm为梯度递增;外窗则考虑太阳得热系数（SHGC）对建筑冷负荷的影响，外窗太阳得热系数选取范围为0.2—0.8，以0.2为梯度递增分析;外遮阳投影因子是外遮阳的宽度与窗户高度的比值，外遮阳投影因子选取范围为0.2—0.8，以0.2的梯度递增分析;综合窗墙比是指外窗总面积与外墙总面积的比值，该比值的变化会引起整个建筑外表面的综合传热系数的变化，综合窗墙比选取范围为0.1—0.4，以0.1为梯度递增计算，每组参数选取4个值进行正交分析。各因素不同水平取值如表2所示。

为了使组内误差减小，将正交表的第一列作为误差列不设置影响因素。因此采用5因素4水平的正交表L16（45），具体情况如表3所示。

根据正交设计表一共可以得到16种数值模拟方案，采用Energy plus模拟软件分别对不同组进行数值模拟，得到不同方案下建筑整体的空调冷负荷。模拟结果如表4所示。

3.3 极差分析

极差分析法可以评价各因素对某项指标的影响程度，利用测试结果的最大和最小均值之差来衡量和论证各因素的影响范围[13]。该方法采用计算极差值Rj来分析各种不同的因素对最终结果的影响程度。根据极差分析法的原理可知，极差值Rj越大就说明该因素对结果的影响程度越大，极差值Rj越小就说明该因素对最终的实验结果影响也越小。极差分析法各项计算公式如下所示。

Ki=∑i（1）

ki=Ki/n（2）

Rj=max（k1，k2，…ki）-min（k1，k2，…ki）（3）

式中，Ki代表每个因素各个水平下的指标总和;ki为第i水平对应的不同参数和Ki的平均值;Rj代表极差值。

使用正交表L16（45）进行数值模拟，以整个建筑空调系统的平均冷负荷的模拟结果作为考核指标进行极差分析，具体的计算结果如表5所示。

由表5可知，极差值Rj从大到小依次为9.017 5、8.28、2.297 5、2.232 5、0.862 5，分别所对应的影响因素依次为综合窗墙比、外窗SHGC、外保温厚度、外遮阳投影因子、误差列。因此，各个影响因素对整个建筑的空调系统冷负荷的影响程度由大到小依次为综合窗墙比、外窗太阳得热系数SHGC、外保温厚度、外遮阳投影因子。因此，对于夏热冬冷地区，在进行建筑节能设计时应该优先考虑建筑的窗墙比，其次是考虑外窗的太阳得热系数。同样的，对于夏热冬冷地区，在建筑进行节能改造时，应该优先考虑通过选取太阳得热系数小的外窗来对建筑进行节能改造。

4 敏感性分析

4.1 敏感性分析法

敏感性分析法是研究模型中输入变量对输出变量影响程度的一种方法[14]。敏感性分析可以帮助决策者更好地理解系统的关键驱动因素，并在决策过程中提供有价值的信息。单因素敏感性分析是最简单和常见的敏感性分析方法之一。它通过逐个改变模型中的一个参数或输入因素，并观察输出结果的变化情况，以评估该参数对输出的影响。敏感性分析的公式如下。

式中，IC表示敏感度;ΔOP为因素在变化允许范围内的变化量;ΔIP为评价指标的变化量。

选取弧均值弹性MMAE作为指标，分析各围护结构参数变化对建筑能耗的影响程度。

在确定了建筑节能设计和建筑节能改造的不同侧重点之后，选取综合窗墙比和外窗太阳得热系数进行进一步的模拟。采用控制变量法和敏感性分析法分别对这两种因素进行进一步的敏感性分析。外窗太阳得热系数选取范围为0.2—0.8，按0.1的梯度递增计算;综合窗墙比选取范围为0.2到0.38，以0.03的梯度递增。每组取7个值。

4.2 外窗太阳得热系数与空调冷负荷的关系

外窗太阳得热系数变化与冷负荷的关系如图4所示。

由图4可知，太阳得热系数由0.2增至0.8时，建筑冷负荷由40.805W/m2增加到50.58W/m2，建筑冷负荷上升约24%;外窗太阳得热系数每增加0.1，平均冷负荷增加约为1.63W/m2;敏感性系数在0.097 8到0.368之间，平均敏感性系数为0.182 0。

4.3 综合窗墙比与空调冷负荷的关系

综合窗墙比系数变化与冷负荷的关系如图5所示。

由图5可知，当综合窗墙比由0.2增加至0.38时，建筑冷负荷由48W/m2增加到了56.33W/m2，建筑总冷负荷上升约17.35%;综合窗墙比每增加0.03，平均冷负荷增加约为1.29W/m2;敏感性系数在0.248 3到0.265 9之间，平均敏感性系数为0.257 3。

4.4 太阳得热系数和综合窗墙比敏感性比较

在选取的四种影响因素之中，各个影响因素对整个建筑的空调系统冷负荷的影响程度由大到小依次为综合窗墙比、外窗SHGC、外保温厚度、外遮阳投影因子。在进一步的实验中，太阳得热系数与综合窗墙比的平均敏感性系数分别为0.182和0.257 3。因此建筑综合窗墙比是最容易影响到建筑空调系统冷负荷的因素，平均敏感性系数达到了0.257 3;其次是外窗的太阳得热系数，平均敏感性系数为0.182。所以在夏热冬冷地区既有公寓建筑或者是其他建筑进行夏季空调制冷能耗的节能改造时应该优先考虑对外窗的改造，在允许的条件下改用太阳得热系数更小的外窗，以达到减少建筑夏季制冷能耗的目的;同样的，对于夏热冬冷地区建筑进行建筑节能设计时，应该首先考虑的因素是综合窗墙比，在条件允许的情况下，越小的综合窗墙比对应着越小的空调制冷能耗，以此达到建筑节能设计的目的。

5 结论

通过对夏热冬冷地区典型公寓建筑四个不同影响建筑空调系统冷负荷的因素进行研究与分析得出了以下的结论：

（1）通过正交实验对影响建筑冷负荷的四种因素进行模拟，得出R综合窗墙比>R外窗太阳得热系数>R外墙传热系数>R外遮阳投影因子，对整个建筑的空调系统冷负荷的影响程度为综合窗墙比>外窗太阳得热系数SHGC>外墙传热系数>外遮阳投影因子。

（2）通过敏感性分析法计算出综合窗墙比的敏感性系数约为0.257 3;外窗太阳得热系数的敏感性系数约为0.182。

（3）对于夏热冬冷地区的建筑节能改造，应该首先考虑通过降低外窗的太阳得热系数SHGC来降低夏季的空调冷负荷来达到节能改造的目的;对于夏热冬冷地区的建筑节能设计，应当首先考虑减少综合窗墙比来降低夏季的空调冷负荷以达到建筑节能设计的目的。

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