劉 婕，麻延軍

(張家口建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，河北 張家口 075000)

節(jié)約能源以及降低能源消耗是當(dāng)下社會(huì)發(fā)展的重要目標(biāo)，而我國建筑能耗更是接近全部能耗的30%，并且該數(shù)據(jù)還在不斷增加[1]。新建的節(jié)能建筑的比例已經(jīng)高于95%，但是施工過程中嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)能的比例則低于54%，因此，建筑能耗面臨嚴(yán)峻形勢。節(jié)能建筑能耗分析包含兩方面，一是宏觀層面，二是微觀層面[2]。前者指的是人口數(shù)量、城市生產(chǎn)力、第三產(chǎn)業(yè)以及人均消費(fèi)水平，這些因素在宏觀層面對于建筑能耗存在較大影響。后者是建筑自身情況的能耗，例如門窗、墻體是建筑的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，起到保溫、防潮等功能，且這些功能對建筑的冷熱負(fù)荷存在較大影響，負(fù)荷的大小則與建筑設(shè)備的能耗存在直接和顯著關(guān)聯(lián)[3]。因此，通常情況下為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目的，主要采用的手段是增強(qiáng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。四種建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，按照能耗的高低順序?yàn)椋洪T窗>墻體>屋頂，其中門窗的能耗占據(jù)總能耗的一半[4]。建筑門窗、墻體和屋頂節(jié)能情況是當(dāng)下建筑領(lǐng)域十分重視的問題，為降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗，必須提升建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫、隔熱以及密封性能，則圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料性能是關(guān)鍵[5]。但是節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的投入產(chǎn)出比極高，例如節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的投入增加3.1%～6.1%即可實(shí)現(xiàn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗降低21%～41%。

為分析兩種層面的建筑能，本文分別采用STIRPAT模型和eQUEST軟件進(jìn)行建筑能耗分析。STIRPAT模型是一種評(píng)估模型，其在能源消耗方面的應(yīng)用較為廣泛。為分析節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗，本文研究基于STIRPAT模型的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗模擬，分析建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗的詳細(xì)情況。

1 節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗分析

1.1 宏觀分析

1.1.1 宏觀能耗影響因素分析

對節(jié)能建筑能耗造成影響的因素較多，本文以影響最為主要且直接的因素展開分析[6]。

(1)人口。人口數(shù)量是對于能源消耗增加的主要影響因素，能源的需求和消耗隨著人口數(shù)量的增加而增加，導(dǎo)致建筑的使用頻率明顯提高[7]。因此，人口是影響宏觀能耗的主要因素。

(2)城鎮(zhèn)化。城鎮(zhèn)化對于建筑能耗存在多方面宏觀影響，例如城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，導(dǎo)致建筑設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，建筑面積顯著增加[8]。在此基礎(chǔ)上，將導(dǎo)致人均消費(fèi)水平的提升，同時(shí)對于能源的需求將成倍增加。

(3)建筑面積。建筑面積和供暖需求具有正比例關(guān)系，能耗越多，供暖所需的能源也成倍增加[9]。

(4)消費(fèi)水平。建筑在提供服務(wù)過程中，與其服務(wù)水平和所需能源之間具有正相關(guān)性[10]。

(5)第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第三產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的能耗主要屬于建筑范疇，因此將其歸于建筑能耗，該產(chǎn)業(yè)的增長，則明顯增加公眾建筑能耗[11]。

1.1.2 STIRPAT模型

STIRPAT模型公式為

I=aPbAcTde

(1)

式中：a、e分別為模型系數(shù)和誤差；I為環(huán)境壓力；P、b分別為人口數(shù)量和指數(shù)；A、C分別為人均消費(fèi)和其他指數(shù)；T、d分別為技術(shù)和人文驅(qū)動(dòng)指數(shù)。

STIRPAT模型的特殊形式即為IPAT，且其a=b=c=d=1。在此基礎(chǔ)上，STIRPAT模型將多項(xiàng)對環(huán)境壓力造成影響的因素融入，分別為人口數(shù)量、富裕度、技術(shù)等人文驅(qū)動(dòng)[12]。依據(jù)STIRPAT模型的非線性特征，采取對數(shù)化方式對公式兩側(cè)實(shí)行處理可得

lnI=lna+blnP+clnA+dlnT+lne

(2)

因?yàn)闊o法直接采用式(2)進(jìn)行多元性回歸分析，依據(jù)IPAT的I=PAT可知，式(2)的回歸求解結(jié)果為b=c=d=1。因此，STIRPAT模型采用T實(shí)現(xiàn)其和IPAT的相同性，并且T在實(shí)際的回歸分析應(yīng)用時(shí)不是分別估算而是屬于誤差項(xiàng)內(nèi)[13]。則修正模型公式為

lnI=a+blnP+clnA+e

(3)

式中：a、e分別為常數(shù)項(xiàng)和殘差。由于STIRPAT模型具備隨機(jī)性，可將富裕度等對數(shù)形式的二項(xiàng)式引入式(2)中，對庫茲涅茨曲線實(shí)行驗(yàn)證，驗(yàn)證過程中融入多項(xiàng)式處理對數(shù)，則有

lnI=a+blnP+c1lnA+c2(lnA)2+dlnT+e

(4)

若想得到富裕度相對于環(huán)境壓力的彈性系數(shù)，參考該種系數(shù)的運(yùn)算原理，對下式的lnA一階偏導(dǎo)數(shù)進(jìn)行求解運(yùn)算，則有

(5)

本文主要分析節(jié)能建筑能耗的宏觀影響因素，因此結(jié)合STIRPAT模型原理，建立基于STIRPAT的節(jié)能建筑能耗宏觀分析模型，其公式為

lnE=lna+b1lnP+b2lnU+c1lnA+

c2lnC+dlnD+lne

(6)

式中：U、A、C、D分別為人口總數(shù)、城鎮(zhèn)化率、人均建筑面積、消費(fèi)水平指數(shù)以及第三產(chǎn)業(yè)增加指數(shù)。

1.1.3 計(jì)算數(shù)據(jù)

選用某省2015—2019連續(xù)5年內(nèi)的人口、城鎮(zhèn)化、建筑面積、消費(fèi)水平、第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展數(shù)據(jù)作為模型計(jì)算依據(jù)，并對該數(shù)據(jù)實(shí)行擬合，獲取該省份節(jié)能建筑能耗結(jié)果，見表1。

表1 節(jié)能建筑能耗結(jié)果

1.1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算以及宏觀能耗分析

根據(jù)式(3)的修正模型可知，各個(gè)因素之間具有極高的共線關(guān)系，因此需對STIRPAT模型實(shí)行回歸擬合，其通過回歸分析完成。則多線性回歸模型矩陣求解公式為

(7)

式中：X、β、ε、k、I分別為模型矩陣、參數(shù)向量、隨機(jī)誤差、偏移系數(shù)、單位矩陣，其中k取值范圍為[0,1]，其獲取依據(jù)為嶺跡圖；Y=Xβ+ε?；诖?，在步長為0.003時(shí)，對式(4)實(shí)行線性擬合，利用SPSS22.0軟件完成，則獲取嶺跡圖，見圖1。

圖1 嶺跡圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可確定k=0.357，則獲取回歸結(jié)果，見表2。

根據(jù)表2的求解結(jié)果可知：回歸系數(shù)R2=0.997，具備極高的擬合程度，同時(shí)各個(gè)因素的VIF值均在1.22以下，則得出模型的擬合公式為

表2 求解結(jié)果

lnE=0.059lnP+0.208lnU+0.232A+

0.287lnC+0.220lnD+1.085

(8)

針對上述結(jié)果展開分析可知：該省份節(jié)能建筑能耗宏觀分析根據(jù)影響程度的大小順序排列為消費(fèi)水平指數(shù)>人均建筑面積>第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平>城鎮(zhèn)化率>人口總數(shù)。說明，節(jié)能建筑能耗的宏觀影響因素以消費(fèi)水平指數(shù)和人均建筑面積為主，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、城鎮(zhèn)化率和人口總數(shù)為輔。

1.2 微觀分析

節(jié)能建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對于建筑的能耗存在一定程度影響，并且圍護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及相互之間的關(guān)聯(lián)和相互影響，因此，需從微觀角度分析節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗[14]。本文采用eQUEST軟件計(jì)算節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗。

1.2.1 eQUEST軟件

eQUEST軟件是一種動(dòng)態(tài)模擬軟件，其具備建筑場地和氣象的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，并且可針對供熱系統(tǒng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)材料以及相互遮擋實(shí)行充分模擬和分析，同時(shí)適用于所有擾量的計(jì)算，完成準(zhǔn)確的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的微觀分析。

建筑在使用過程中，會(huì)存在動(dòng)態(tài)傳熱過程，室內(nèi)外的溫度變化對傳熱量的大小存在直接影響。eQUEST軟件通過反應(yīng)系數(shù)法對建筑的負(fù)荷實(shí)行動(dòng)態(tài)計(jì)算。室內(nèi)外的溫度在該方法的運(yùn)行下，可劃分成三角波，并且可疊加[15]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗可用其傳熱量描述，該值的獲取需依據(jù)維護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度以及熱流，其獲取方式為疊加維護(hù)結(jié)構(gòu)對各個(gè)溫度三角波的反應(yīng)，利用導(dǎo)熱微分方程獲取熱量值。通過下式可運(yùn)算得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量：

(9)

式中：qinside為表面?zhèn)鳠崃?，W/m3；Wi和Zi均為反應(yīng)系數(shù)。Voutside為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外部溫度，C；Vinside為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，℃。

1.2.2 模型建立

采用eQUEST軟件模擬2.1章節(jié)中該省的一幢既有住宅建筑，建筑模擬結(jié)果見圖2。該建筑共有10層，每層高為3.8 m，建筑總長50 m，寬20 m，坐北朝南，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)詳細(xì)參數(shù)見表3。其他模擬參數(shù)設(shè)置見表4。

圖2 建筑模擬模型

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)詳細(xì)參數(shù)

表4 模擬參數(shù)設(shè)置

1.2.3 能耗分析

節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗分析主要包括下述幾個(gè)方面：

1)墻體保溫能耗分析

節(jié)能建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，占據(jù)面積最大的即是墻體面積，因此其也是微觀影響建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的主要因素。我國節(jié)能建筑墻體主要保溫材料為聚苯板。穿透墻體的瞬間傳熱變化的計(jì)算公式為

Qc(τ)=LH(tc(τ)-tR)

(10)

式中：Qc(τ)外墻瞬間傳熱波動(dòng)產(chǎn)生的負(fù)荷波動(dòng)值，H和L分別為總傳熱系數(shù)以及面積，m2；tc(τ)和tR分別為冷負(fù)荷對應(yīng)的溫度值以及實(shí)際預(yù)測的室內(nèi)溫度值，℃。

根據(jù)式(9)，在傳熱延時(shí)忽略時(shí)，建筑能耗的主要影響因素是墻體傳熱系數(shù)。針對指定或者特殊的節(jié)能建筑，能耗的降低可通過調(diào)整墻體傳熱系數(shù)實(shí)現(xiàn)，則需要對墻體實(shí)施保溫層增加手段。

通常情況下結(jié)構(gòu)熱橋?qū)儆谕鈮w傳熱系數(shù)中，外墻體不同位置的加權(quán)平均值用Km表示，其值為0.5 W/(m2·K)，模擬過程中將外墻傳熱系數(shù)范圍調(diào)整在0.3～1.3 W/(m2·K)，獲取外墻能耗模擬結(jié)果，見圖3。

根據(jù)圖3的測試結(jié)果可知：隨著加權(quán)平均傳熱系數(shù)的逐漸增加，兩種負(fù)荷變化均呈線性上升趨勢；但是兩種負(fù)荷中，熱負(fù)荷變化更加顯著，對比原來的傳熱系數(shù)值可發(fā)現(xiàn)，Km每增加0.2 W/(m2·K)，熱負(fù)荷變化則增加18.5%左右，則表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷較大程度上會(huì)受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱性能的干擾。

圖3 外墻能耗結(jié)果

2)外窗能耗分析

模擬分析建筑能耗受到窗戶傳熱系數(shù)的影響，并設(shè)置外窗傳熱系數(shù)取值區(qū)間為[1.48，3.88]W/(m2·K)，結(jié)果見圖4。由于模擬的建筑是坐北朝南，因此模擬南窗和北窗的能耗結(jié)果。

圖4 外窗能耗結(jié)果

根據(jù)圖4的測試結(jié)果可知：窗戶熱負(fù)荷和冷負(fù)荷都和傳熱系數(shù)具有正比例關(guān)系。但是相對北窗比較，南窗的冷熱兩種負(fù)荷變化程度較為明顯，高于北窗的負(fù)荷變化程度，其冷、熱負(fù)荷變化范圍分別為-1.8～2.2 W/(m2·K)和-12～16 W/(m2·K)。通過該結(jié)果的分析表明，南窗對于建筑的能耗高于北窗。

3)屋頂能耗分析

模擬屋頂傳熱系數(shù)范圍調(diào)整在0.35～1.25 W/(m2·K)時(shí)，分析屋頂能耗變化情況，結(jié)果用圖5描述。

圖5 屋頂能耗結(jié)果

根據(jù)圖5測試結(jié)果可知：屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)的變化對于建筑整體的能耗影響較低，本文模擬的建筑模型屬于多層建筑，屋頂對于整個(gè)建筑的能耗影響則取決于建筑自身的類型，因此，本文模擬的建筑，屋頂對于建筑整體的能耗影響較小。冷熱兩種負(fù)荷變化程度中，熱負(fù)荷的變化程度顯著，但是變化范圍較小。因此，屋頂對于建筑整體能耗的影響較小。

2 結(jié) 論

本文針對節(jié)能建筑能耗展開相關(guān)分析，采用STIRPAT模型和eQUEST軟件分別從宏觀角度和微觀角度完成節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗分析，獲取兩者的分析結(jié)果，分別為消費(fèi)水平指數(shù)>人均建筑面積>第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平>城鎮(zhèn)化率>人口總數(shù)，窗能耗>墻體能耗>屋頂能耗。根據(jù)該分析結(jié)果，可結(jié)合實(shí)際居住以及地區(qū)氣候情況，合理調(diào)整或者改造既有建筑的保溫措施。