基于TRNSYS 的零能耗建筑能耗和安全系數(shù)敏感性分析

文／劉雪梅 安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 碩士研究生

魯月紅 安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 副教授（通訊作者）

呂 濤 安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 碩士研究生

周奕捷 安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 碩士研究生

引言

建筑和建筑行業(yè)是一次能源用戶(hù)，也是碳排放的主要來(lái)源[1-4]，2018 年占全球能源使用量的36%，占全球能源和工藝相關(guān)二氧化碳排放量的39%[5]。為了最大限度地減少建筑能耗和碳排放，零能耗建筑正在迅速發(fā)展，該建筑在一段時(shí)間內(nèi)（通常為一年）產(chǎn)生的電力能夠滿(mǎn)足其自身能源的需求。

敏感性分析方法是用于優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)的重要方法之一，也是能夠明確影響建筑能耗的敏感參數(shù)的常用方法。以某小型辦公建筑為例，F(xiàn)ang 和Cho[6]優(yōu)化了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括窗戶(hù)和天窗的尺寸和布置，研究結(jié)果表明能耗降低了20.2%。Ilbeigi[7]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化了六個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，最大限度地減少了伊朗一座辦公樓的能源消耗。研究結(jié)果表明，該多參數(shù)優(yōu)化方案可實(shí)現(xiàn)高達(dá)35%的節(jié)能效果。馮國(guó)會(huì)[8]等確定近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)能耗的影響程度，利用敏感性分析其優(yōu)化范圍，以便于設(shè)計(jì)師在方案階段進(jìn)行建筑性能化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效益。

與傳統(tǒng)建筑不同，零能耗建筑的能源發(fā)電系統(tǒng)主要依賴(lài)于間歇性和不可控的可再生能源（如太陽(yáng)輻射、風(fēng)）。例如，Awad 和Gül[9]證明了通過(guò)對(duì)光伏（PV）方位角和傾斜角度進(jìn)行不確定性分析，改善負(fù)載匹配。Lu[10]等對(duì)優(yōu)化后的系統(tǒng)（光伏/風(fēng)力發(fā)電/生物柴油發(fā)電）進(jìn)行敏感性分析，研究設(shè)計(jì)輸入變化對(duì)建筑性能（運(yùn)行成本、二氧化碳排放、對(duì)電網(wǎng)的影響）的影響。Lu and Wang[11]等研究了基于確定性和隨機(jī)方法的不確定性建筑能源優(yōu)化的魯棒性。Zhang[12]等采用全局敏感性分析，定量比較了24 個(gè)影響參數(shù)在過(guò)欠壓、電網(wǎng)依賴(lài)性和能量損失三個(gè)主要性能方面的影響并采用蒙特卡羅方法對(duì)參數(shù)不確定性進(jìn)行了模擬。Hirushie[13]等開(kāi)發(fā)一個(gè)模型，以確定可再生能源系統(tǒng)的最佳組合，同時(shí)考慮不確定性，提出了一個(gè)在建筑層面規(guī)劃優(yōu)化混合可再生能源系統(tǒng)的框架，以支持零能耗發(fā)展目標(biāo)。Zhu[14]等研究建筑負(fù)荷的不確定性和敏感性對(duì)于滿(mǎn)足建筑能源規(guī)劃的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，研究結(jié)果為建筑節(jié)能規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供了見(jiàn)解。

然而，上述文獻(xiàn)都忽略了安全系數(shù)的影響，而這將很容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)的系統(tǒng)偏大，造成初始投資過(guò)高或者偏小不能實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)，分析設(shè)計(jì)過(guò)程中導(dǎo)致性能指標(biāo)較大偏離的變量參數(shù)對(duì)安全系數(shù)的確定及建筑設(shè)計(jì)過(guò)程非常重要。因此，文章對(duì)零能耗建筑中主要輸入?yún)?shù)的影響進(jìn)行敏感性分析，研究不同參數(shù)對(duì)建筑能耗和安全系數(shù)變化的影響規(guī)律，并對(duì)零能耗建筑的兩種設(shè)計(jì)方案的性能穩(wěn)健性進(jìn)行研究。

1 技術(shù)路線(xiàn)

本文以南京地區(qū)某居住建筑為例，研究不同參數(shù)對(duì)零能耗建筑能耗和安全系數(shù)的影響規(guī)律（圖1）。首先，選取典型氣象年（即1987 年）作為建筑能源系統(tǒng)模擬的天氣情況，將建筑設(shè)計(jì)參數(shù)輸入到TRNSYS 中進(jìn)行負(fù)荷模擬；其次，基于冷熱負(fù)荷，得到空調(diào)系統(tǒng)的能耗，再加上建筑其他用電及生活熱水能耗，模擬得到建筑總能耗；然后，根據(jù)能耗與發(fā)電量的關(guān)系，計(jì)算零能耗建筑對(duì)應(yīng)的兩種可再生能源系統(tǒng)規(guī)模；引入安全系數(shù)，對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行單一敏感性分析和綜合敏感性分析；最后，研究不同參數(shù)對(duì)兩種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案下的安全系數(shù)的影響范圍，確定對(duì)建筑性能有顯著影響的輸入變量，分析不同條件下安全系數(shù)的變化及兩種方案的可靠性。

根據(jù)零能耗建筑的定義，其每年的產(chǎn)能將不小于建筑本身的用能。在確定性設(shè)計(jì)時(shí)，需滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工況下的年產(chǎn)能量（Egene）大于等于其耗能量（Econ）：

引入安全系數(shù)（sf）：

系統(tǒng)總能耗可以表示為：

式中，Econ為建筑年度能源消耗；EAC為空調(diào)系統(tǒng)能耗；Edhw為生活熱水系統(tǒng)能耗；Eother為照明和設(shè)備系統(tǒng)能耗；Δt為時(shí)間間隔。

2 案例研究

2.1 建筑模型

研究對(duì)象是南京市某居民住宅建筑，該住宅用地面積為100m2，總建筑面積為200m2。對(duì)于室外天氣條件，影響冷負(fù)荷的四個(gè)最重要因素是室外干球溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射和風(fēng)速，這四個(gè)因素的數(shù)據(jù)從天氣文件導(dǎo)出。對(duì)于內(nèi)部熱源，重要的因素包括室內(nèi)人員數(shù)量、通風(fēng)率、照明密度、設(shè)備密度。在基準(zhǔn)情況下，夏季室內(nèi)溫度設(shè)定為26℃，冬季室內(nèi)溫度設(shè)定為18℃。建筑其他用電負(fù)荷指除空調(diào)系統(tǒng)外，建筑物內(nèi)所有電器的建筑電氣負(fù)荷總量。所有輸入變量（15 個(gè)）都以給定幅度（10%，20%）變化（表1）。

表1 輸入?yún)?shù)及變化范圍

2.2 暖通空調(diào)系統(tǒng)

利 用TRNSYS 中GHP 和HVAC Equipment Library 兩大組件庫(kù)中的模塊來(lái)搭建空調(diào)系統(tǒng)模型（圖2），模擬建筑空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。與傳統(tǒng)的空調(diào)相比，地源熱泵的熱源來(lái)自于大地，冬天利用熱泵提高大地中低位熱能，實(shí)現(xiàn)建筑的供暖需求，同時(shí)冬季還可儲(chǔ)存冷量留作夏季應(yīng)用；夏季則將建筑內(nèi)熱量交換至地下，實(shí)現(xiàn)建筑的降溫需求，并儲(chǔ)存熱量留于冬季應(yīng)用。

2.3 可再生能源系統(tǒng)

在本文中，分別選擇PV 和WT 作為零能耗建筑的可再生能源系統(tǒng)，建立了PV 和WT 模型來(lái)生成每小時(shí)平均光伏發(fā)電量和平均風(fēng)力發(fā)電量[15,16]。光伏發(fā)電量使用等式（4）計(jì)算，WT發(fā)電量使用等式（5）計(jì)算。

其中，POWpv,tot是每小時(shí)平均光伏發(fā)電總量；Apv（m2）為光伏面積；τn，αn分別為垂直于光伏的太陽(yáng)輻射的透射系數(shù)和吸收系數(shù)；IAM 是總體入射角修正器；IT（kW/m2）η 是太陽(yáng)輻射；是光伏整體效率。

其中，POWpv,tot是每小時(shí)平均風(fēng)力發(fā)電量；NUMWT是風(fēng)力渦輪機(jī)數(shù)量；Cp（m2/s2）軸向感應(yīng)系數(shù)的函數(shù)；AR（m2）是轉(zhuǎn)子面積；ρ（kg/m3）是空氣密度；V（m/s）是自由流風(fēng)速。

3 結(jié)果與討論

3.1 輸入變量對(duì)ZEB-PV 系統(tǒng)總能耗及安全系數(shù)影響

為驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，查閱住宅建筑冷負(fù)荷指標(biāo)，冷負(fù)荷指標(biāo)在60 ～80W/m2之間，熱負(fù)荷指標(biāo)在45 ～70W/m2。通過(guò)模擬得到基準(zhǔn)情況下，建筑的冷負(fù)荷為12kW，熱負(fù)荷為14kW，單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)為60W/m2,單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)為70W/m2。可以看出，模擬的冷熱負(fù)荷指標(biāo)均在給定范圍內(nèi)，因此本研究中住宅建筑的模擬數(shù)據(jù)處于合理區(qū)間范圍內(nèi)。

輸入變量對(duì)冷、熱負(fù)荷的影響（圖3、圖4）。由圖3 可知，隨著環(huán)境溫度的升高，冷負(fù)荷增加顯著，變化范圍為[-54.57%，104.42%]；隨著室外相對(duì)濕度的增加，冷負(fù)荷變化范圍為[-16.11%，28.61%]，通風(fēng)率及滲透率的變化對(duì)冷負(fù)荷變化影響較小。主要原因是由于室內(nèi)、外溫差的變化而引起室內(nèi)、外熱量傳遞的變化，室外空氣通過(guò)空調(diào)房間的門(mén)、窗縫隙進(jìn)入室內(nèi)，對(duì)室內(nèi)溫度的影響較大。與基準(zhǔn)情況相比，其他輸入變量的影響很小，可忽略不計(jì)。由圖4可知，熱負(fù)荷隨著通風(fēng)率的升高而增大較大，變化范圍為[-7.41%，7.41%]；隨著溫度的增加，熱負(fù)荷變化范圍為[-4.75%，4.75%]。與基準(zhǔn)情況相比，其他輸入變量的變化趨勢(shì)相近且趨于平緩，影響很小，可忽略不計(jì)。

輸入變量對(duì)總能耗及安全系數(shù)的影響（圖5、圖6）。由圖5 可知，總能耗隨著太陽(yáng)輻射的增加，呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，變化范圍為[-9.72%，11.73%]，主要是由于只考慮了太陽(yáng)輻射對(duì)PV系統(tǒng)發(fā)電量的影響，且采用的是光伏光熱板，能夠用來(lái)加熱生活熱水，太陽(yáng)輻射的增加減少了生活熱水的能耗，總能耗降低。其次是建筑其他用電負(fù)荷，其變化與總能耗正相關(guān)，變化范圍為[-12.78%，12.40%]。由圖6 可知，安全系數(shù)隨著太陽(yáng)輻射的增加而增加，變化范圍為[-25.45%，26.51%]，主要是由于總能耗降低，發(fā)電量增加，故安全系數(shù)增加。其次是建筑其他用電負(fù)荷，其變化與安全系數(shù)負(fù)相關(guān)，變化范圍為[-10.89，14.08%]。其他輸入變量的變化影響較小。

輸入變量對(duì)總能耗及安全系數(shù)的綜合影響（圖7），由圖7 可知，綜合考慮各輸入?yún)?shù)的影響，總能耗的變化范圍在[-29.82%，34.88%]，安全系數(shù)的變化范圍在[-37.21%，60.26%]。

3.2 輸入變量對(duì)ZEB-WT 系統(tǒng)總能耗及安全系數(shù)影響

輸入變量對(duì)總能耗及安全系數(shù)變化的影響（圖8、圖9）。由圖8 可知，對(duì)總能耗影響較大的是其他用電負(fù)荷，總能耗與太陽(yáng)輻射呈線(xiàn)性正相關(guān)，即總能耗隨著用電負(fù)荷的增加而增加，變化范圍為[-11.76%，11.76%]；其次是環(huán)境相對(duì)濕度，變化范圍在[-6.46%，3.25%]；其他輸入?yún)?shù)對(duì)總能耗的變化趨勢(shì)基本相近且趨于平緩，影響較小。由圖9 可知，對(duì)安全系數(shù)影響最大的是風(fēng)速，變化范圍在[-58.33，83.76%]，主要是由于只考慮了風(fēng)速對(duì)WT 系統(tǒng)的影響，風(fēng)速越大，發(fā)電量越大，安全系數(shù)增加顯著；其次是建筑其他用電負(fù)荷，變化范圍在[-10.58，13.44%]，其他輸入?yún)?shù)對(duì)總能耗的變化影響較小。

輸入變量對(duì)總能耗及安全系數(shù)的綜合影響（圖10）。由圖10 可知，綜合考慮各輸入?yún)?shù)的影響，總能耗的變化范圍在[-23.00%，20.49%]；安全系數(shù)的變化范圍在[-64.82%，133.86%]。

3.3 綜合敏感性分析

對(duì)不同系統(tǒng)進(jìn)行綜合靈敏度分析，以評(píng)估當(dāng)所有輸入變量同時(shí)變化到“最佳”和“最差”值時(shí)的極端情況。ZEB-PV、ZEB-WT 系統(tǒng)輸出的敏感性分析龍卷圖（圖11、圖12）。由圖可知，當(dāng)所有變量同時(shí)變化時(shí)，ZEB-PV系統(tǒng)總能耗的變化范圍在7714-14827kWh，安全系數(shù)的變化范圍為0.6 ～1.6，影響最大的兩個(gè)輸入變量是太陽(yáng)輻射及建筑其他用電負(fù)荷；ZEB-WT 系統(tǒng)總能耗的變化范圍在7276-11386kWh，安全系數(shù)的變化范圍為0.35 ～2.33，影響最大的兩個(gè)輸入變量是風(fēng)速及建筑其他用電負(fù)荷。

由表2 可知，ZEB-WT 系統(tǒng)比ZEB-PV 系統(tǒng)對(duì)輸入變量的變化更敏感，ZEB-PV 系統(tǒng)性能的魯棒性更強(qiáng)。對(duì)于ZEB-WT 系統(tǒng)，當(dāng)所有輸入變量同時(shí)變化且影響方向相同時(shí)，安全系數(shù)的波動(dòng)范圍可達(dá)198.68%，與采用ZEB-PV系統(tǒng)的建筑相比，ZEB-WT 系統(tǒng)的建筑可能具有較差的性能穩(wěn)健性，原因是風(fēng)速的不確定性對(duì)發(fā)電量影響很大。

表2 比較兩種設(shè)計(jì)方案的總能耗及安全系數(shù)變化范圍

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)一個(gè)并網(wǎng)零能耗建筑的兩種可再生能源系統(tǒng)進(jìn)行了敏感性分析研究。對(duì)設(shè)計(jì)方案ZEB-PV，ZEB-WT 系統(tǒng)進(jìn)行了單一敏感性分析和綜合敏感性分析，以確定影響建筑性能的最顯著因素，研究不同參數(shù)對(duì)零能耗建筑的能耗和安全系數(shù)影響范圍，分析不同條件下安全系數(shù)的取值及其方案的可靠性。

對(duì)于ZEB-PV 系統(tǒng)，當(dāng)輸入變量為20%時(shí)，總能耗綜合影響的最大變化為34.89%，安全系數(shù)綜合影響的最大變化為60.26%；對(duì)于ZEB-WT 系統(tǒng)，總能耗綜合影響的最大變化為20.49%，安全系數(shù)綜合影響的最大變化為133.86%。單向敏感性分析結(jié)果表明，太陽(yáng)輻射和建筑其他用電負(fù)荷是顯著影響總能耗和安全系數(shù)的關(guān)鍵因素，其方差均大于50%。由其他參數(shù)變化引起的輸出的方差非常小（小于1%），說(shuō)明其變化的影響可以忽略不計(jì)。相比之下，綜合性能對(duì)建筑其他電力負(fù)荷最敏感，其次是太陽(yáng)輻射。