建筑節能敏感性分析法研究與節能潛力分析

采用局部因素敏感性分析方法，以北京市某高校體育建筑、哈爾濱市某科研實驗建筑為例，分析圍護結構參數對建筑采暖能耗、制冷能耗的影響規律，探究公共建筑節能的潛力。研究結果：外窗傳熱系數大于外墻傳熱系數大于屋面傳熱系數。得出結論：建筑構件的敏感性參數對建筑的熱能消耗程度影響較大，外窗傳熱是重點把控的環節，公共建筑節能具有更多的潛力空間。

建筑節能； 敏感性分析法； 圍護結構； 能耗； 低碳

TU201.5A

［定稿日期］2023-04-12

［基金項目］2022年度吉林省住房和城鄉建設廳研究開發項目（項目編號：2022-KL-05）、2023年度吉林省教育廳科學研究項目（項目編號：JJKH20231374SK）

［作者簡介］趙妍（1986—），女，滿族，碩士，工程師，研究方向為建筑節能、智能建筑、綠色建筑。

0 引言

建筑圍護結構的熱能傳遞的造成建筑熱能消耗的主要因素［1］。建筑師徐晨起等［2］對北京市西城區新建公共建筑的運行情況進行深入調研，對比統計數據得出建筑的屋面、外圍護墻體、門窗及地面的建筑空間能耗損失的主要構件單元。置換Low-E玻璃改變維護結構中最薄弱單元的熱阻，外保溫構造貼附聚苯乙烯保溫板和構造爐渣保溫構造層的方法減少能耗。經過改造的空間能耗大大降低。伭福興等［3］以長春市某高層公建為對象，應用敏感性分析法對空間格局建模剖析得出建筑立面外門及外窗的得熱系數與導熱系數對公共建筑熱能消耗影響最大。應用DeST能耗模擬軟件建模，通過改變圍護結構的熱阻分析各部位構件的參數變化對能耗的影響和敏感性。

1 建筑熱工能耗計算的敏感性分析法

敏感性分析法在能耗計算中表現了變量數值在體塊模型中對輸出變量的作用程度

是研究模型中輸入變量對輸出變量影響程度的方法［4］ 見式（1）。

IC=OPIP=ΔOPΔIP（1）

公式以弧均值彈性指標為依據，體現參數變化對圍護構件熱能損耗的影響見式（2）。

MMAE=（ΔOPΔIP）÷ （OP-IP-）=（ΔQi，i+1ΔXi，i+1）÷（P-X-）（2）

敏感性分析法式（2）等式中：MMAE為敏感性系數; △Qi，i+1為因素水平轉化量;△X i，i+1為建筑總能耗轉化量; P-為建筑熱量消耗的平均值; X-為因素水平均值。

式（1）、式（2）表明當圍護構件的模擬參數輸入數據發生改變，越大的敏感性會帶來越多的建筑能量消耗。敏感性系數越大屬于建筑節能指標中的不利值。在工程設計和運營中應控制敏感性參數的增大，優化建筑材料熱阻性能，實現低碳節能。

2 工程實例節能數據研究

2.1 哈爾濱科研建筑圍護結構對能耗影響研究

選取科研建筑哈爾濱市生物制品研究所某實驗科研樓作為研究對象。地域屬嚴寒氣候分區，為典型的大陸性季風氣候區，在全國干濕氣候分區中，地處濕潤區向亞干旱區的過渡地帶。建筑面積5 210 m2，建筑高度23.1 m，其中1～3層層高5.1 m ，4～5層層高均為3.9 m，體型系數為0.28。建筑包括無菌實驗室、科研實驗室、智慧實驗室、數據中心、器材庫、標本庫、會議室、辦公室、學術中心、洗浴室、更衣室、衛生間、走廊等。實驗采用DeST軟件對建筑空間進行制冷模擬和空間供暖模擬。實驗模擬6月15日至9月15日為制冷期，設置夏季室內空調恒溫25.5 ℃作為節能制冷分析值；實驗模擬11月15日至次年的3月15日為供暖期，設置冬季室內空調恒溫24.5 ℃作為節能供熱分析值［5］。依照GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》規定對無菌實驗室、科研實驗室、智慧實驗室、標本庫等相對恒溫用房進行附加系數核算，上述功能用房的屋面系統和外墻體統以傳熱系數0.1 W（m2·K）速率遞減進行測算，屋面系統和外墻體統以傳熱系數0.1 W（m2·K）速率遞減進行測算，外門、外窗系統以傳熱系數0.3 W/（m2·K）速率遞減進行測算，每組測算選取7個有效數值。敏感性分析法計算結果顯示，實驗室內空氣最佳流動速度為0.3 m/s，滿足實驗室適宜相對濕度30%～60%所需的墻體平均傳熱系數為1.50，平均熱惰性指標D=3.0［6］。

2.2 北京高校建筑圍護結構對能耗影響研究

選取2008年建造于北京市海淀區信息路48號的高校建筑北京體育大學（Beijing Sport University）內某建筑作為研究對象。建筑位于北緯39°57′10″，東經116°22′20″，地域為典型的大陸性暖溫帶季風氣候。建筑面積36 347 m2，建筑高度52.2 m，其中1層層高4.8 m ，2～5層層高均為4.5 m，6～12層層高均為4.2 m，體型系數為0.18。建筑包括教室、辦公室、會議室、培訓用房、形體訓練室、力量訓練室、肌肉強度訓練室、技巧訓練室、心理輔導中心、理療中心、操練房、健身房、器材室、中庭、洗浴室、更衣室、衛生間、走廊門廳等。實驗采用DeST軟件對建筑空間進行制冷模擬和空間供暖模擬。實驗模擬7月1日至9月30日為制冷期，設置夏季室內空調恒溫27 ℃作為節能制冷分析值；實驗模擬12月1日至次年的4月1日為供暖期，設置冬季室內空調恒溫20 ℃作為節能供熱分析值。依照GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》規定對培訓用房、形體訓練室、力量訓練室、肌肉強度訓練室、技巧訓練室等較大空間進行附加系數核算，上述功能用房的屋面系統和外墻體統以傳熱系數0.1 W（m2·K）速率遞減進行測算，屋面系統和外墻體統以傳熱系數0.1 W（m2·K）速率遞減進行測算，外門、外窗系統以傳熱系數0.3 W/（m2·K）速率遞減進行測算，每組測算選取7個有效數值。敏感性分析法計算結果顯示，墻體傳熱系數在0.6～0.45 W/（m2·K），相應墻體熱阻在1.52～2.072 K/W之間時，建筑空間內溫度可以滿足人體舒適溫度。

3 建筑外圍護結構參數調整對耗能的敏感性分析

3.1 傳熱系數與采暖能耗的關系

傳熱系數是指熱量通過外墻的傳導、對流和輻射等方式從室內傳遞到室外的能力。外圍護結構傳熱系數越大，表示外圍護結構的隔熱性能越差，建筑內部的熱量會更容易流失，從而導致采暖能耗增加。敏感性分析實驗數據表明，外圍護結構傳熱系數值在0.12 W/（m2·K）發生變化升到0.72 W/（m2·K）時，建筑外圍護結構的參數對應著發生變化，由25.57 Wh/m2點位升幅6%，推導出敏感性系數平均值在0.038時，敏感系數在0.03～0.05之間，相對應的外圍護結構采暖耗能平均值每提升0.1 W/（m2·K），外墻傳熱系數每增加0.1 W/（m2·K）單位，其平均值相應增加0.29 kWh/m2［7］（圖1）。

建筑設計中，應盡量采用隔熱性能好的外墻材料，通過減小外墻傳熱系數，降低建筑的采暖能耗。在建筑使用中，也可以通過增加隔熱材料、改進外墻的結構和增加窗戶密封性等方法，進一步提高外墻的隔熱性能，降低建筑的能耗。

3.2 傳熱系數與制冷能耗的關系

當外墻傳熱系數增大時，單位時間內傳熱量也會增大，從而導致制冷負荷的增加。為了滿足室內的舒適要求，制冷系統需要提供更多的制冷量，從而導致制冷能耗的增加。敏感性分析實驗數據表明，外圍護結構傳熱系數增加0.1 W/（m2·K），制冷能耗相應降低約0.02 kWh/m2。外圍護結構傳熱系數增加0.6 W/（m2·K）時，制冷能耗下降0.1 kWh/m2［8］（圖2）。

在建筑設計中，應盡量采用隔熱性能好的外墻材料，通過減小外墻傳熱系數，降低建筑的制冷負荷和制冷能耗。同時，在建筑使用中，也可以通過增加隔熱材料、改進外墻的結構和增加窗戶密封性等方法，進一步提高外墻的隔熱性能，降低建筑的能耗。

3.3 建筑外圍護結構敏感性的比較分析

敏感性分析實驗數據表明，建筑外窗是耗能最多，敏感性系數最大的部位。制冷能耗對建筑屋頂及外圍護墻體的敏感性系數均為0.007，即敏感性系數最低；采暖能耗在建筑屋頂及外圍護墻體熱傳遞過程中的能耗最低為0.027，即敏感性系數最低；采暖能耗和制冷能耗對外門、外窗的敏感性均為最高值，達到0.156高值。建筑圍護結構的能耗受多種因素的影響，包括：①外墻傳熱系數：外墻傳熱系數越大，建筑的采暖和制冷能耗就會越高，因此應采用隔熱性能好的外墻材料；②窗戶面積和密封性能：窗戶是建筑圍護結構中的重要組成部分，窗戶的面積和密封性能會對建筑的能耗產生影響。窗戶面積越大，能量流入和流出的速度越快；③屋頂隔熱：屋頂是建筑的重要組成部分，如果屋頂隔熱性能差，會導致夏季室內溫度過高，增加制冷能耗；④地面保溫：地面也是建筑的重要組成部分，地面保溫能夠減少地板的溫度降低，從而減少采暖能耗。建筑圍護結構的能耗敏感性取決于多種因素，應在設計和使用中綜合考慮這些因素，選用隔熱性能好、密封性能好、采光充足的建筑圍護結構，從而降低建筑的能耗。

4 公共建筑節能潛力分析

根據北京市城市總體規劃以及產業結構調整中繼續加大第三產業比重的需要，辦公建筑、商業綜合體、體育建筑、醫療建筑、酒店建筑、展覽館建筑依舊是未來幾年的主要建設方向。大量的既有改造建筑也會帶來更多能源的消耗，在用能特點上轉變成為大型公共建筑，加上現有存量，北京市的大型公共建筑面積在未來幾年內將達到4 000萬m2。依據現有節能標準，通過敏感性分析法對外窗熱傳遞耗能進行推算，僅市區大型公建的耗能就將高達60億kWh。公共建筑巨大的耗能量將制約北京市的經濟發展，同時給城市生態環境帶來沉重負擔。辦公建筑、酒店建筑和商業綜合體之間的能耗存在著差值，這個差值正是公共建筑節能的潛力部分。其中通過改善過渡季節公用電器的制冷或制熱方式可以實現20%的節能，針對性的改變水泵風機的運行效率可以節能15%，控制公共建筑節水可實現8%的進階，綜上舉措公共建筑的節能潛力應在40%以上。以此推算，4 000萬m2大型公共建筑每年可節約18億kWh，節省數億元的運行費用。

5 結論

（1）建筑圍護結構對建筑的能耗和舒適性有著非常重要的影響，建筑外窗傳熱是節能設計的重點。

（2）建筑圍護結構耗能的敏感性分析可以幫助設計師找到最佳的建筑圍護結構方案，從而降低建筑能耗。

（3）大型公建建筑通過節能設計和耗能控制可以實現40%以上的節能效果，節能潛力巨大。

參考文獻

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