胡從川 ，張瑞雪，劉廣東 ，馮曉梅 ，李 驥，喬 鏢 ，薛匯宇（.魯能集團(tuán)有限公司，北京 0000；.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司建筑環(huán)境與能源研究院，北京 0003）

截至 2015 年，我國(guó)有公共機(jī)構(gòu)約 175.52 萬家，其中國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑約占全國(guó)公共機(jī)構(gòu)建筑總量的 23%。國(guó)家機(jī)關(guān)作為重要的公共機(jī)構(gòu)，其辦公建筑在建筑節(jié)能方面走在全社會(huì)前列。通過能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，公共機(jī)構(gòu)暖通空調(diào)的能耗占建筑物總能耗的 50%～60%，而暖通空調(diào)能耗中的 55% 是冷熱源系統(tǒng)能耗[1]。眾所周知，冷熱源系統(tǒng)配置、節(jié)能運(yùn)行以及優(yōu)化控制均以冷（熱）負(fù)荷為基礎(chǔ)，因此研究機(jī)關(guān)辦公建筑冷（熱）負(fù)荷顯著影響因素，提出降低冷（熱）負(fù)荷的方法，對(duì)降低系統(tǒng)裝機(jī)容量、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行控制十分必要。

1 負(fù)荷特性分析

本文以沈陽市某機(jī)關(guān)辦公建筑為研究對(duì)象。該辦公建筑的建筑面積為 4 523 m2，建筑高度為 14.4 m，共 4 F。其中 1 F 為商用，2～4 F 用于辦公。本文采用逐時(shí)能耗模擬分析軟件 TRNSYS 對(duì)建筑進(jìn)行 1∶1 建模，模擬該辦公建筑供冷季和供暖季建筑負(fù)荷特性。

圖 1 為供冷季典型工作日該機(jī)關(guān)辦公建筑的冷負(fù)荷變化圖。從圖 1 中可以看出在早晨 8:00 之前，建筑負(fù)荷接近于 0。8:00 左右為上班時(shí)間，建筑人數(shù)逐漸增加，照明等設(shè)備逐漸開啟導(dǎo)致建筑負(fù)荷 8:00 ～9:00 快速增長(zhǎng)。中午 12:00～13:00，機(jī)關(guān)辦公建筑內(nèi)人員午休，建筑內(nèi)人員相對(duì)減少，人員、照明等設(shè)備造成的內(nèi)擾減少，建筑負(fù)荷呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但由于建筑輻射得熱，建筑負(fù)荷變化趨勢(shì)并不明顯。午休結(jié)束后的 13:00，建筑負(fù)荷逐漸增大，在16:00 左右達(dá)到了典型日負(fù)荷的最大值，這主要是受太陽照度的影響。 17:00 左右，機(jī)關(guān)辦公建筑人員開始下班，人員陸續(xù)離開，建筑負(fù)荷開始下降，但由于仍然有部分人員加班產(chǎn)生內(nèi)熱，以及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和辦公用具的輻射放熱，建筑負(fù)荷并沒有急劇下降到零。

圖1 供冷季典型工作日冷負(fù)荷變化圖

圖 2 為供暖季典型日機(jī)關(guān)辦公建筑熱負(fù)荷變化圖。從圖 2 中可以看出，在 0:00～6:00 期間，建筑由于需要維持較低的室內(nèi)溫度，有較小的負(fù)荷。在 6:00～7:00 時(shí)，由于建筑室內(nèi)溫度提升的需求增大，建筑逐時(shí)熱負(fù)荷開始增長(zhǎng)，在 8:00 時(shí)建筑熱負(fù)荷達(dá)到了最大值。8:00 之后由于人員、照明設(shè)備等內(nèi)擾的散熱和室外環(huán)境溫度的逐漸上升，機(jī)關(guān)辦公建筑熱負(fù)荷逐漸下降。12:00～13:00 為午休時(shí)間，建筑內(nèi)人員、照明設(shè)備等內(nèi)擾減小，建筑負(fù)荷下降趨勢(shì)平緩。在 13:00 以后，人員、照明設(shè)備等逐漸開啟，建筑熱負(fù)荷逐漸下降。在 17:00 之后，由于室內(nèi)人員的減少、室外環(huán)境溫度的降低、室外太陽照度的減弱，建筑熱負(fù)荷逐漸上升，在 21:00 左右達(dá)到當(dāng)日第二個(gè)熱負(fù)荷高點(diǎn)，最后隨著建筑內(nèi)人員的離開、供暖模式的切換，建筑熱負(fù)荷逐漸下降。

圖2 供暖季典型工作日熱負(fù)荷變化圖

由上可以看出，對(duì)于某一固定機(jī)關(guān)辦公建筑，其全天建筑冷（熱）負(fù)荷受室外溫度、太陽輻射、人員、設(shè)備、室內(nèi)設(shè)定溫度等因素的綜合影響波動(dòng)較大。

2 負(fù)荷影響因素

冷（熱）負(fù)荷由于受到室外氣象條件、建筑功能、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能（墻、屋面和外窗傳熱系數(shù)，外窗的遮陽系數(shù)）、建筑固有特性（窗墻面積比、體形系數(shù)、朝向等）、室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)（室內(nèi)溫度、室內(nèi)相對(duì)濕度、新風(fēng)量等）、室內(nèi)熱擾條件（人員、燈光、設(shè)備散熱散濕等）影響，不同建筑冷（熱）負(fù)荷特點(diǎn)不同。為了更好地掌握影響機(jī)關(guān)辦公建筑冷（熱）負(fù)荷主要因素，抓住降低系統(tǒng)容量配置的主導(dǎo)因素，減少對(duì)機(jī)關(guān)辦公建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)投資。本文以北京某機(jī)關(guān)辦公建筑為對(duì)象，采用 TRNSYS 軟件，以全年累計(jì)冷負(fù)荷和全年累計(jì)熱負(fù)荷為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用正交試驗(yàn)方案，通過極差、方差分析方法分別研究建筑負(fù)荷顯著性影響因素，并對(duì)影響因素按其對(duì)建筑冷（熱）負(fù)荷影響程度進(jìn)行排序。

3 敏感性分析方法

敏感性分析方法是指從定量分析的角度研究有關(guān)因素在發(fā)生某種變化后對(duì)某一個(gè)或一組關(guān)鍵指標(biāo)影響程度的不確定分析方法，其實(shí)質(zhì)是通過逐一改變相關(guān)變量數(shù)值來驗(yàn)證關(guān)鍵指標(biāo)受這些因素變動(dòng)影響大小的規(guī)律[2]。敏感性分析方法可以用來分析自變量的變化對(duì)目標(biāo)結(jié)果的影響程度，可將其用于分析建筑節(jié)能的各個(gè)因素對(duì)建筑冷（熱）負(fù)荷、建筑能耗的影響，進(jìn)而可指導(dǎo)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)抓住須重點(diǎn)考慮的因素。

在實(shí)際進(jìn)行敏感性分析時(shí)，并不需要考慮和計(jì)算所有的不確定因素，而應(yīng)結(jié)合方案的具體情況選取幾個(gè)典型且變化性較大、對(duì)目標(biāo)值影響作用較大的因素。張景、趙堅(jiān)、張偉捷等學(xué)者[3-5]采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法將多種負(fù)荷影響因素整合在一起進(jìn)行綜合分析。

3.1 正交試驗(yàn)水平與正交試驗(yàn)

本文在 GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，選擇外墻傳熱系數(shù)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、外窗傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)、窗墻面積比、人員密度、設(shè)備功率、照明功率、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、新風(fēng)量 9 個(gè)影響因素，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)值為基準(zhǔn)，以圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能和室內(nèi)舒適度提高 10%、20% 和降低 10%、20% 為原則，確定每個(gè)影響因素的 4 類水平，負(fù)荷影響因素和水平見表 1。

表1 負(fù)荷影響因素和水平

根據(jù)表 1 的因素和水平，不考慮各因素相互作用，按照正交試驗(yàn)原理，選擇 L 32（49）正交試驗(yàn)表。按照選定的正交表，應(yīng)完成 32 次試驗(yàn)。部分正交試驗(yàn)結(jié)果見表 2。

表2 L 32（49）正交試驗(yàn)表

3.2 建筑信息及日程表

選擇北京某 11 層機(jī)關(guān)辦公建筑為計(jì)算模型。該建筑體形系數(shù)為 0.2，高 43.0 m，單層建筑面積為 675 m2，建筑總面積 7425 m2，窗墻面積比為 0.4。供暖空調(diào)運(yùn)行時(shí)間、新風(fēng)運(yùn)行時(shí)間、照明開關(guān)時(shí)間、人員逐時(shí)在室率、設(shè)備逐時(shí)使用率按照 GB 50189—2015 表 B.0.4-1、表 B.0.4-8、表 B.0.4-4、表 B.0.4-6、表 B.0.4-10 進(jìn)行設(shè)定。

一般情況下，人員、設(shè)備、燈光熱擾為熱負(fù)荷計(jì)算的有利因素，因此分析熱負(fù)荷影響因素時(shí)不考慮人員、設(shè)備、燈光熱擾。

3.3 模擬計(jì)算模型

采用逐時(shí)能耗模擬分析軟件 TRNSYS，將機(jī)關(guān)辦公建筑信息、日程表進(jìn)行設(shè)置后，分別按照正交試驗(yàn)表 L 32（49）設(shè)置外墻傳熱系數(shù)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、外窗傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)、窗墻面積比、人員密度、設(shè)備功率、照明功率、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、新風(fēng)量，然后重復(fù)進(jìn)行 32 次動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，模擬計(jì)算模型見圖 3。

4 負(fù)荷影響因素敏感性結(jié)果分析

4.1 影響因素排序分析

極差分析是指按照正交試驗(yàn)表工況模擬得到的各列各水平對(duì)應(yīng)的累計(jì)冷（熱）負(fù)荷指標(biāo)平均值的最大值和最小值之差。某列極差最大，表明該列的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)變化時(shí)，使累計(jì)冷（熱）負(fù)荷指標(biāo)變化最大，各列極差 R 數(shù)值從大到小排序即為試驗(yàn)指標(biāo)影響因素從大到小的排序。

通過模擬正交試驗(yàn)，冷負(fù)荷影響因素排序見圖 4。圖 4 各因素按照影響估計(jì)的絕對(duì)值進(jìn)行排列，得到冷負(fù)荷影響因素排序如下。人員密度＞室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度＞新風(fēng)量＞外窗及遮陽＞設(shè)備功率＞照明功率＞外墻＞窗墻比＞屋面。同理，按照上述冷負(fù)荷極差分析方法，熱負(fù)荷影響因素排序?yàn)槿藛T密度＞新風(fēng)量＞室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度＞外墻＞外窗及遮陽＞屋面＞窗墻比，熱負(fù)荷影響因素排序見圖 5。

圖5 熱負(fù)荷影響因素排序

4.2 顯著性因素分析

在上述極差分析基礎(chǔ)上進(jìn)行方差分析。方差分析構(gòu)成一個(gè)服從 F 分布的統(tǒng)計(jì)量，見表 3、表 4。對(duì)某個(gè)因素的顯著性水平進(jìn)行檢驗(yàn)，一般是將其顯著性水平與臨界水平值比較，若大于臨界水平值，則該因素對(duì)試驗(yàn)主體有顯著的影響作用。

表3 冷負(fù)荷方差分析

表4 熱負(fù)荷方差分析

本文取臨界水平 α=0.05，通過 F 分布表 F 0.05（3，3）=0.107 798。由表 3 可知，冷負(fù)荷影響因素中人員密度、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、新風(fēng)量、外窗及遮陽、設(shè)備功率、照明功率 F 值都 ＞0.107 798，因此，人員密度、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、新風(fēng)量、外窗及遮陽、設(shè)備功率、照明功率對(duì)該機(jī)關(guān)辦公建筑夏季冷負(fù)荷、能耗產(chǎn)生顯著性影響。由表 4 可知，熱負(fù)荷影響因素中人員密度、新風(fēng)量、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、外墻、外窗及遮陽對(duì)該機(jī)關(guān)辦公建筑冬季供暖能耗產(chǎn)生顯著性影響。

5 結(jié) 語

本文通過極差、方差分析方法分別確定了機(jī)關(guān)辦公建筑冷（熱）負(fù)荷影響因素排序及顯著性影響因素。雖然冷、熱負(fù)荷影響因素排序、顯著性因素略有不同，但是冷、熱負(fù)荷對(duì)人員密度、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、新風(fēng)量因素都更為敏感，因此在冷熱源系統(tǒng)容量配置、節(jié)能運(yùn)行控制時(shí)應(yīng)關(guān)注人員密度、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、新風(fēng)量等因素。