北京市某高校建筑围护结构对能耗影响敏感性研究_乔春珍.pdf

建筑行业节能1NO.01 2023节能 ENERGY CONSERVATION北京市某高校建筑围护结构对能耗影响敏感性研究乔春珍 郝金鑫 杨庭睿（北方工业大学土木工程学院，北京 100144）摘要：以北京市某高校教学建筑为例，采用局部因素敏感性分析法，分析围护结构参数对建筑采暖能耗和制冷能耗的影响规律。结果显示：各围护结构参数对建筑采暖、制冷能耗影响程度的平均敏感度排序为外窗遮阳系数外窗传热系数外墙传热系数屋顶传热系数。关键词：建筑围护结构；敏感性分析法；制冷能耗；采暖能耗中图分类号：TU201.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）01-0001-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.001Sensitivity analysis on the impact of building envelope to energy consumption in a university in BeijingQIAO Chun-zhen HAO Jin-xin YANG Ting-ruiAbstract：Taking a university teaching building in Beijing as an example,the sensitivity analysis method of local factors was used to analyze the influence of envelope parameters on building heating energy consumption and cooling energy consumption.The results showed that the average sensitivity of each envelope parameter to the influence of building heating and cooling energy consumption was sorted as exterior window shading coefficient exterior window heat transfer coefficient exterior wall heat transfer coefficient roof heat transfer coefficient.Key words:building envelope;sensitivity analysis;cooling energy;heating energy引言2018年我国建筑全寿命周期总能耗21.47亿吨标准煤，占总能耗的46.5%。其中，建筑运行阶段的能耗占比最大，约46%1。透过围护结构的得热和散热是影响建筑运行能耗的重要因素，通过减少透过围护结构的热量，可以有效降低建筑的制冷能耗和采暖能耗2。高宇波3等对太原市典型办公建筑的运行状态进行调研，分析得出了建筑外墙、屋面、门窗、地面传热系数是影响建筑能耗的主要因素。苗展堂4等针对莱州湾地区农村既有居住建筑的外墙、屋顶、门窗、地面结构，采用外加聚苯乙烯板(EPS)、换用Low-E玻璃和构造炉渣保温构造层的方法进行优化改造，改造后建筑在采暖季和制冷季的能耗分别降低约50%和30%。黄惠5等对西安市老旧小区住宅楼围护结构进行了调研和分析，使用节能软件进行节能改造模拟，通过在外墙和屋顶外侧增加EPS板和更换节能外窗的方法，将外墙和屋面的传热系数降低约40%，全年供冷和供暖能耗分别降低了30%和46%。金虹2,6等以哈尔滨某多层住宅楼为对象，使用敏感性分析法对建筑的采暖能耗进行建模分析，结果表明，外窗传热系数和得热系数对住宅采暖能耗的影响最明显。以北京市某高校教学建筑为研究对象，利用DeST能耗模拟软件建模，在已建立的教学建筑基准能耗模型上7，改变建筑外墙、屋顶、外窗的传热系数和外窗的遮阳系数，分析各参数变化对建筑采暖、制冷能耗的影响和敏感性。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方法8。IC=OPIP=OPIP(1)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。MMAE=(OPIP)(-OP-IP)=(Qi,i+1xi,i+1)(-P-x)(2)式中：MMAE敏感性系数；xi,i+1因素水平改变量；Qi,i+1建筑总能耗改变量；-P建筑总能耗平均值；-x因素水平均值。敏感性系数越大，输入围护结构的模拟参数变化对建筑能耗的影响越大。通过计算各个围护结构对建筑能作者简介：乔春珍（1977），女，博士，副教授，研究方向为清洁能源利用与环境。基金项目：北京市教育委员会科学研究计划项目（项目编号：KM201910009004）收稿日期：2022-07-13引用本文：乔春珍，郝金鑫，杨庭睿.北京市某高校建筑围护结构对能耗影响敏感性研究 J.节能，2023，42（1）：1-3.建筑行业节能2节能 ENERGY CONSERVATIONNO.01 2023耗的敏感性系数，得到参数变化对建筑能耗的影响程度，为围护结构的节能优化提供参考。2研究方案选取北京市某高校建筑作为研究对象，该建筑建造于2004年，房间类型包含教室、办公室、卫生间、中庭、走廊等，共13层，高54.5 m，15层层高4.5 m，613层层高4.0 m，建筑面积35 964 m2，体形系数为0.15，窗墙比为0.29。选用DeST软件对建筑的采暖、制冷能耗进行模拟。夏季室内空调设计温度为26，冬季室内采暖设计温度为20。制冷期为6月1日至8月31日，供暖期为11月15日至次年的3月15日。室内办公室、卫生间、大厅等场所的计算设计参数按照 公共建筑节能设计标准(GB 501892015)选取。外墙、屋顶传热系数以0.1 W/(m2 K)速率递减计算，外窗传热系数按原有传热系数以0.3 W/(m2 K)速率递减进行计算，外窗遮阳系数以0.1的速率递增进行计算，每组参数取7个值。3围护结构参数变化对能耗影响的敏感性分析3.1外墙传热系数与采暖、制冷能耗的关系外墙传热系数变化与采暖能耗的关系如图1所示。由图1可知，外墙传热系数由0.12 W/(m2 K)增加至0.72 W/(m2 K)时，采暖能耗增加约6%，由25.57 kWh/m2增至27.29 kWh/m2；外墙传热系数每增加0.1 W/(m2 K)，平均采暖能耗增加约0.29 kWh/m2；敏感性系数为0.030.05，平均值约为0.038。外墙传热系数变化与制冷能耗的关系如图2所示。由图 2 可知，外墙传热系数由 0.12 W/(m2 K)增至0.72 W/(m2 K)时，制冷能耗下降约1%，由8.78 kWh/m2降至 8.68 kWh/m2；外墙传热系数每增加 0.1 W/(m2 K)，平均制冷能耗降低约0.02 kWh/m2，敏感性系数为0.0030.015，平均值约为0.008。3.2屋顶传热系数与采暖、制冷能耗的关系屋顶传热系数变化与采暖能耗的关系如图3所示。屋顶传热系数由0.14 W/(m2 K)增至0.74 W/(m2 K)时，采暖能耗由26.18 kWh/m2增至27.29 kWh/m2，增长约4%；屋顶传热系数每增加0.1 W/(m2 K)，平均采暖能耗增加约0.19 kWh/m2；敏感性系数为0.020.05，平均值约0.03。屋顶传热系数变化与制冷能耗的关系如图4所示。屋顶传热系数由0.14 W/(m2 K)增至0.74 W/(m2 K)时，制冷能耗由8.77 kWh/m2降至8.68 kWh/m2，下降约1%；屋顶传热系数每增加0.1 W/(m2 K)，平均制冷能耗下降约0.015 kWh/m2；敏感性系数为0.0020.016，平均值约为0.008。3.3外窗传热系数与采暖、制冷能耗的关系外窗传热系数变化与采暖能耗的关系如图5所示。由图5可知，外窗传热系数由 1.3 W/(m2 K)增加至3.1 W/(m2 K)时，采暖能耗增长约9%，由25.03 kWh/m2图1外墙传热系数变化与采暖能耗的关系图2外墙传热系数变化与制冷能耗的关系图3屋顶传热系数变化与采暖能耗的关系图4屋顶传热系数变化与制冷能耗的关系图5外窗传热系数变化与采暖能耗的关系建筑行业节能3NO.01 2023节能 ENERGY CONSERVATION增至27.29 kWh/m2；外窗传热系数每增加0.3 W/(m2 K)，平均采暖能耗增加约 0.37 kWh/m2；敏感性系数由 0.07增至0.13，平均值约为0.1。外窗传热系数变化与制冷能耗的关系如图6所示。由图6可知，外窗传热系数由1.3 W/(m2 K)增加至3.1 W/(m2 K)时，制冷能耗下降约1.6%，由8.82 kWh/m2降至 8.68 kWh/m2；外窗传热系数每增加 0.3 W/(m2 K)，平均制冷能耗下降约0.023 kWh/m2；敏感性系数为0.0050.030，平均值约0.02。3.4外窗遮阳系数与采暖、制冷能耗的关系外窗遮阳系数变化与采暖能耗的关系如图7所示。由图7可知，外窗遮阳系数由0.2增至0.8时，采暖能耗由30.72 kWh/m2降至26.46 kWh/m2，降低约14%；外窗遮阳系数每增加0.1，平均采暖能耗降低约0.71 kWh/m2；敏感性系数由0.065增至0.180，平均值约0.12。外窗遮阳系数变化与制冷能耗的关系如图8所示。由图8可知，外窗遮阳系数由0.2增至0.8时，制冷能耗由7.51 kWh/m2增至9.09 kWh/m2，增长约21%；外窗遮阳系数每增加0.1，平均制冷能耗增加约0.26 kWh/m2，敏感性系数由0.078增至0.220，平均值约0.156。3.5围护结构敏感性比较能耗对各围护结构参数变化的敏感性系数如图 9所示。采暖能耗对外窗遮阳系数的敏感性系数最高，为0.120；对屋顶传热系数的敏感性系数最低，为0.029。制冷能耗对外窗遮阳系数的敏感性系数最高，为0.156；对外墙和屋顶传热系数的敏感性系数最低，为0.008。采暖能耗和制冷能耗对外窗遮阳系数的敏感性均较高，采暖能耗变化量大于制冷能耗。从敏感性角度分析，对北京市既有教学建筑或其他建筑进行节能改造的过程中，应优先换用传热系数更低、遮阳系数更高的外窗；对北京市建筑进行设计时，应优先考虑外窗对建筑运行能耗的影响。4结语北京市某教学建筑的外窗遮阳系数和外窗传热系数对采暖能耗的影响较大；外窗遮阳系数对制冷能耗具有一定影响；外墙传热系数、屋顶传热系数对建筑采暖、制冷能耗的影响较小。各围护结构参数对建筑采暖、制冷能耗影响程度的平均敏感度排序为外窗遮阳系数外窗传热系数外墙传热系数屋顶传热系数。参考文献1 中国建筑节能协会.中国建筑能耗研究报告2020 J.建筑节能（中英文），2021，49（2）：1-6.2 金虹.关于严寒地区绿色建筑设计的思考 J.南方建筑，2010（5）：45-47.3 高宇波，张琛.寒冷地区既有办公建筑围护结构节能改造技术研究J.城市建筑，2022，19（3）：1-4.4 苗展堂，姜慧，李晨冉.莱州湾地区农村既有居住建筑围护结构节能优化 J.建筑节能（中英文），2021，49（9）：114-118.5 黄惠，郑铭杰.西安市老旧小区围护结构节能改造的定量分析 J.暖通空调，2021，51（增刊1）：19-22.6 金虹，张乙川.严寒地区住宅围护结构节能性能敏感性分析 J.建筑节能，2020，48（11）：124-128.7 杨庭睿.北京地区高校教学建筑节能潜力优化研究 D.北京：北方工业大学，2022.8 蔡毅，邢岩，胡丹.敏感性分析综述 J.北京师范大学学报：自然科学版，2008（1）：9-16.图7外窗遮阳系数变化与采暖能耗的关系图8外窗遮阳系数变化与制冷能耗的关系图6外窗传热系数变化与制冷能耗的关系图9能耗对各围护结构参数变化的敏感性系数