王美燕，Chinyama Mushinkula，金呂鵬，張正威

（浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300）

0 引言

鄉(xiāng)村旅游是我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要舉措，鄉(xiāng)村民宿作為鄉(xiāng)村旅游的重要業(yè)態(tài)，是帶動鄉(xiāng)村經濟增長的重要動力。據農業(yè)農村部統(tǒng)計數(shù)據顯示，截至2019年底，全國休閑農業(yè)和鄉(xiāng)村旅游各類經營主體達30多萬家，營業(yè)收入近8500億元?？梢?，在當前全域發(fā)展鄉(xiāng)村旅游、農村產業(yè)多元化發(fā)展背景下，由單一居住功能的農村住宅向旅游居住、餐飲服務、休閑娛樂發(fā)展可以促進農民增收，更是傳統(tǒng)民居實現(xiàn)保護和再利用的有效途徑[1]。然而，鄉(xiāng)村民宿作為村民利用自有住房為游客提供食宿的小型住宿設施，其功能不同于普通農村住宅。鄉(xiāng)村民宿不僅用于村民自住，同時也為游客提供食宿和休閑娛樂活動，對室內舒適度要求也更高，由此導致鄉(xiāng)村民宿比普通農村住宅更高的建筑能耗。

對于農村住宅節(jié)能問題已有諸多學者從圍護結構優(yōu)化、被動式和適應性技術策略、新能源利用等方面開展了大量研究[2-5]。在農村住宅能耗影響因素研究方面，張甘霖等[5]通過單因素模擬與正交試驗分析了建筑朝向、建筑層高、南向窗墻比、附加陽光間進深、外墻構造、屋頂構造等6項因素對康定農村地區(qū)傳統(tǒng)民居建筑能耗的影響。宋冰等[6]采用敏感性分析法對比了7個寒冷地區(qū)農村住宅不同朝向及窗墻比對建筑能耗的影響差異，并進行了經濟性評價。聶金哲等[7]選取3個典型北方新農村住宅設計方案，分析了外窗、外墻、屋面、通風次數(shù)等對建筑能耗的影響。邵騰和鄭武幸[8]采用正交試驗法對建筑朝向、建筑面積、平面長寬比、室內凈高、屋面形式和窗墻面積比等空間設計因素對農村住宅建筑能耗的影響進行了研究。

綜上所述，已有研究主要關注建筑本體因素對普通農村住宅建筑能耗的影響，但鮮有從人員使用特征、照明與電器設備等方面對農村住宅改造為鄉(xiāng)村民宿情形下的能耗影響因素進行綜合分析。浙北地區(qū)筒屋是20世紀五六十年代形成的一種獨特的農居形式。本文以浙江省德清張陸灣村的筒屋為例，采用Designbilder軟件進行動態(tài)能耗模擬，運用敏感性分析理論，從建筑本體、照明與電器設備、人員使用特征3個方面分析不同因素對筒屋改造為鄉(xiāng)村民宿后建筑采暖制冷能耗的影響程度。

1 敏感性分析原理

敏感性分析又稱靈敏度分析，廣泛應用于自動控制、經濟、生態(tài)、化學、工程等不同領域，可用來描述某個參數(shù)變化對模型輸出結果的影響程度。在建筑節(jié)能領域，敏感性分析可用來判別影響建筑熱工性能和建筑能耗的關鍵變量，由此可以大大減少數(shù)據處理分析的工作量，提高模型精度[9]。敏感性分析又分為全局敏感性分析和局部敏感性分析。全局敏感性分析檢驗多個輸入變量對模型的綜合影響，包括回歸分析法、篩選法（Morris）、Meta模型法、方差法（Fast、Sobol）等[10]。楊柳等[11]對重慶地區(qū)的空調辦公建筑進行了敏感性分析，用多元線性回歸建立了能耗預測模型。高楓和朱能[12]用Morris法對4個寒冷地區(qū)辦公建筑室內環(huán)境營造負荷的敏感性因素進行了分析。Zhang等[13]用回歸分析法（SRC法）分析了影響近零能耗建筑的關鍵因素。何成等[14]分別用SRC法和TGP法對城市建筑布局的能耗影響進行了對比。局部敏感性分析檢驗單個輸入變量對模型的影響程度。如劉倩等[15]從建筑特征、圍護結構、HVAC和照明4個方面對長沙市商場能耗的主要影響因素進行了分析。張輝等[16]對影響高層住宅建筑能耗的圍護結構、窗墻比、建筑朝向、層數(shù)等因素進行了模擬分析。此外，還有學者對大型高鐵客運站[17]、近零能耗住宅示范樓[18]、被動式超低能耗高層住宅[19]等類型的建筑能耗影響因素進行研究?？梢姡置舾行苑治鰷蚀_率高，但計算量大且要求高；局部敏感性分析計算便捷、可操作性強，在實際應用中被大量采用。

某個輸入參數(shù)對模型輸出結果改變的敏感程度，可以用敏感度系數(shù)S來度量。敏感度系數(shù)S有多種表達形式[20]，最常見的是用輸出值相對其基準值變化的百分率與輸入參數(shù)相對其基準因子變化的百分率之比來表示。能耗模擬時，輸入參數(shù)所對應的建筑能耗輸出值并不都在一條直線上。因此，各點的敏感度系數(shù)不一定相同，研究者多用列表[15，17]或圖形[16，18]來呈現(xiàn)數(shù)值的分布。研究表明，當輸入參數(shù)與輸出結果通過回歸分析呈現(xiàn)線性變化時（決定性系數(shù)R2>0.7）[21]，可采用擬合直線的斜率來表征輸入模型的靈敏度[22]。然而，各輸入參數(shù)的變化閾值和單位不盡相同，為消除各因素之間的量綱影響，本文先對各因素進行標準化處理，再根據式（1）計算各因素的敏感度系數(shù)S，最后進行各因素敏感度排序。

式中：K＇——輸入參數(shù)經標準化處理后擬合直線的斜率；

β——輸入參數(shù)經標準化處理后的數(shù)值；

IPB——基準建筑模擬時的輸入參數(shù)值；

OPB——基準建筑的結果輸出值，單位面積建筑采暖制冷能耗。

2 建筑模型建構

德清張陸灣村現(xiàn)存的筒屋大多建于20世紀70年代之后，磚混結構，層數(shù)多為2層或局部3層，一開間或兩開間，開間面寬約3.6 m，進深20m以上，多戶共建或獨立成棟。內部空間由天井劃分為前落、中落、后落，并由廊道相互聯(lián)通。本文以2間并排式筒屋為例，用Designbuilder動態(tài)模擬分析軟件進行建筑能耗模擬。室外氣象數(shù)據采用軟件自帶的ASHRAE（美國冷暖制冷學會）世界氣象數(shù)據中杭州（德清張陸灣村緊鄰杭州市區(qū)）的典型氣象年數(shù)據。典型筒屋坐北朝南，開間3.6m，全長33 m，共2層，占地面積252m2，總建筑面積504m2。原筒屋建筑平面及改造后的筒屋民宿方案見圖1。

圖1 原筒屋及改造后筒屋民宿的建筑平面

根據改造后的方案構建基準建筑模型，各主要房間的人數(shù)、照明和設備功率密度、房間溫度設定等參數(shù)根據GB/T 50824—2013《農村居住建筑節(jié)能設計標準》和GB55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》，并結合實地調研數(shù)據設置（見表1）。圍護結構根據實際構造做法確定為：240mm實心磚墻，雙面粉刷；屋頂有2種形式（見圖2）；普通鋁合金單層玻璃窗，南北向開窗，窗墻面積比30%；建筑氣密性為1.0次/h。各類建筑材料的物理特性根據GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》確定，圍護結構的基準值見表2。從建筑本體、照明與電器設備、人員使用特征3個方面綜合考慮影響建筑能耗的因素，共設置14個參數(shù)，各參數(shù)的基準值、閾值范圍及變化幅度見表2。

表2 各參數(shù)的基準值、閾值范圍及變化幅度

圖2 不同屋頂形式的構造

表1 筒屋民宿基準建筑房間參數(shù)設置

3 模擬結果分析

3.1 不同參數(shù)對建筑能耗的影響

3.1.1 建筑本體因素對建筑能耗的影響

圖3為外墻和屋頂傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響。

圖3 外墻和屋頂傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響

由圖3可見，節(jié)能率隨圍護結構傳熱系數(shù)減小而增大。圖3（a）、（b）顯示，采暖能耗的節(jié)能率較制冷能耗更高。當外墻、屋頂A的傳熱系數(shù)分別降低0.2、0.5 W/（m2·K）時，總建筑能耗的節(jié)能率分別平均提高3.1個百分點、2.8個百分點。對比圖3（b）、（c），不同屋頂形式對建筑能耗影響顯著。相比于屋頂A，傳熱系數(shù)減小對屋頂B的建筑能耗影響甚微。其主要原因是悶頂?shù)目諝鈱有纬闪艘粋€有效的保溫隔熱緩沖空間。

圖4為外窗傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)（SHGC）對建筑能耗的影響。

圖4 外窗對建筑能耗的影響

由圖4可見，傳熱系數(shù)對采暖能耗的節(jié)能率提升明顯，對制冷能耗影響不明顯；SHGC對總能耗的節(jié)能率較傳熱系數(shù)大。對比圖3（a）、（b）和圖4（a）可見，相對外墻和屋頂A，外窗傳熱系數(shù)對總能耗的節(jié)能率貢獻較小。

圖5為天井封閉形成中庭空間時，天窗傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)SHGC對建筑能耗的影響。

由圖5可見，節(jié)能率呈現(xiàn)與外窗相似的變化趨勢。當天窗傳熱系數(shù)每減小0.50 W/（m2·K），總節(jié)能率提高0.2個百分點；而SHGC每降低0.2，總節(jié)能率提高2.3個百分點，說明SHGC比傳熱系數(shù)對建筑能耗影響更大。

圖5 天窗對建筑能耗的影響

圖6為窗墻面積比和建筑氣密性對建筑能耗的影響。

圖6 窗墻面積比和建筑氣密性對建筑能耗的影響

由圖6（a）可見，窗墻面積比對制冷影響較大，對采暖影響則不太顯著，窗墻面積比每增大5%，總能耗的節(jié)能率降低1.6個百分點?？梢姡卩l(xiāng)村民宿夏季制冷能耗大于冬季采暖能耗情況下，采用更大的窗墻面積比，意味著產生更大的建筑能耗。

對比圖6（a）、（b），建筑氣密性對能耗影響更大。與窗墻面積比不同，建筑氣密性對冬季采暖能耗影響比夏季制冷能耗更顯著。當建筑換氣次數(shù)每降低0.2次/h，采暖能耗的節(jié)能率平均提高10個百分點，制冷能耗的節(jié)能率平均僅提高1.4個百分點，總能耗的節(jié)能率平均提高4.3個百分點。

3.1.2 照明與電器設備對建筑能耗的影響（見圖7）

圖7 照明和設備功率密度對建筑能耗的影響

由圖7可見，兩者具有相似的變化規(guī)律，隨功率密度的增加，制冷能耗的節(jié)能率降低，而采暖能耗的節(jié)能率增加。當筒屋改造為鄉(xiāng)村民宿后，照明和電器設備品種、數(shù)量將增加，功率密度也隨之增大。參考相關規(guī)范中農居和民宿的功率密度，當設備功率密度由5 W/m2增加到15 W/m2時，總能耗的節(jié)能率降低2.3個百分點；照明功率密度由5 W/m2增加到7 W/m2，總能耗的節(jié)能率降低0.4個百分點，變化相對較小。

3.1.3 人員使用特征對建筑能耗的影響（見圖8）

圖8 人員使用特征對建筑能耗的影響

由圖8可見，室內設定溫度的變化引起建筑能耗的變化比人員在室率和房間人數(shù)更大，且采暖與制冷能耗呈同向變化。當室內控制溫度冬季降低2℃，夏季提高2℃，采暖能耗的節(jié)能率平均提高50.3個百分點，制冷能耗的節(jié)能率平均提高43.2個百分點，總建筑能耗的節(jié)能率平均提高45.6個百分點。

房間人數(shù)不僅影響電器設備等的使用，同時人員散發(fā)出的熱量也會影響建筑能耗。由圖8（c）可見，隨著房間人數(shù)增加，冬季采暖能耗不斷下降，而夏季制冷能耗不斷上升，建筑總能耗呈上升趨勢。

對比圖8（b）、（c）可知，人員在室率和房間人數(shù)對建筑采暖制冷能耗的影響兩者具有類似的變化趨勢和幅度。人員在室率增加，有利于減少冬季采暖能耗，但會導致夏季制冷能耗增加。

3.2 不同參數(shù)的敏感度分析

通過3.1的分析可知，不論是建筑本體、照明與電器設備還是人員使用特征都會對建筑采暖、制冷能耗產生不同程度的影響。為了比較不同參數(shù)對建筑能耗的影響程度，采用標準化線性回歸法[見式（1）]分別計算各因素的敏感度系數(shù)。

以外墻為例，首先在Origin中，將傳熱系數(shù)閾值范圍的各輸入值歸一化到[0，1]作為標量化數(shù)值。其中，初始值歸一化后的β值為0.85。然后，將各點所對應的建筑能耗值繪制成散點圖，并進行線性回歸分析，擬合方程如圖9所示。相關系數(shù)R2均大于0.990，說明自變量和因變量之間具有良好的線性擬合度。將三者所對應的擬合直線的斜率K'代入式（1）可得外墻傳熱系數(shù)對建筑采暖、制冷及總能耗的敏感度系數(shù)分別為0.676、0.169、0.339。

圖9 標準化后墻體對建筑能耗影響的回歸分析

用同樣方法分別對不同輸入參數(shù)歸一化處理后再進行線性回歸分析。大多數(shù)輸入參數(shù)的相關系數(shù)R2都≥0.90，僅少數(shù)參數(shù)的相關系數(shù)R2＜0.90，但均＞0.7，說明這少數(shù)幾個參數(shù)所得到的線性回歸方程并非最優(yōu)方程，但也能較好地反應輸入參數(shù)與輸出結果之間的變化趨勢[21]。最終，計算得到各參數(shù)的敏感度系數(shù)如表3所示。

表3 不同參數(shù)對建筑能耗影響的敏感度系數(shù)S

由表3可見，對采暖能耗的敏感度，正向變化的參數(shù)排序為：室內控制溫度（SN）>外墻傳熱系數(shù)（SA）>建筑氣密性（SI）>屋頂A傳熱系數(shù)（SF）>外窗傳熱系數(shù)（SB）>天窗傳熱系數(shù)（SD）>屋頂B傳熱系數(shù)（SG）。反向變化的參數(shù)（按絕對值大?。┡判驗椋喝藛T在室率（SM）>房間人數(shù)（SL）>外窗SHGC（SC）>天窗SHGC（SE）>設備功率密度（SK）>照明功率密度（SJ）>窗墻面積比（SH）。

根據各參數(shù)對制冷能耗的敏感度系數(shù)的絕對值大小進行排序：人員使用特征因素影響最大，其中室內控制溫度（SN）最敏感。其次是屋頂A傳熱系數(shù)（SF）>外窗、天窗SHGC（SC、SE）>外墻傳熱系數(shù)（SA）>窗墻面積比（SH）>建筑氣密性（SI）。設備功率密度（SK）、照明功率密度（SJ）敏感度系數(shù)值較小，與建筑氣密性（SI）的敏感度相近。外窗、天窗傳熱系數(shù)（SB、SD）和屋頂B傳熱系數(shù)（SG）的敏感度系數(shù)值最小。

從各參數(shù)對建筑總能耗的敏感度系數(shù)大小來看，除最敏感的室內控制溫度（SN）外，各參數(shù)的敏感度系數(shù)排序為外墻傳熱系數(shù)（SA）>屋頂A傳熱系數(shù)（SF）>建筑氣密性（SI）>人員在室率（SM）>房間人數(shù)（SL）>窗墻面積比（SH）>外窗SHGC（SC）>天窗SHGC（SE）>外窗傳熱系數(shù)（SB）>天窗傳熱系數(shù)（SD）>設備功率密度（SK）>照明功率密度（SJ）>屋頂B傳熱系數(shù)（SG）。非透明圍護結構熱工性能的敏感度系數(shù)最大[屋頂B（SG）除外]，其次是人員活動因素，再次是非圍護結構熱工性能，照明和設備功率最小。

3 結論

（1）各因素對建筑能耗影響不同?？傮w而言，人員使用特征>建筑本體因素>電器設備與照明。在建筑本體因素中，對制冷能耗影響因素的排序為屋頂A傳熱系數(shù)>外窗天窗SHGC>外墻傳熱系數(shù)>窗墻面積比>建筑氣密性>外窗天窗傳熱系數(shù)。對于采暖能耗影響因素的排序為外墻傳熱系數(shù)>建筑氣密性>屋頂A傳熱系數(shù)>透明圍護結構熱工性能>窗墻面積比。對于建筑總能耗，各因素的排序為外墻屋頂傳熱系數(shù)>建筑氣密性>天窗SHGC>窗墻面積比>外窗SHGC>透明圍護結構傳熱系數(shù)。

（2）外墻、屋頂傳熱系數(shù)對建筑能耗影響較大。現(xiàn)有筒屋圍護結構熱工性能較差，具有較大的節(jié)能潛力。另外，建筑能耗還與屋頂形式有關，當屋頂為悶頂時，優(yōu)化屋面熱工性能對建筑節(jié)能貢獻不大。

（3）鄉(xiāng)村旅游具有季節(jié)性特征，一般情況下鄉(xiāng)村民宿的夏季制冷能耗大于冬季采暖能耗。因此，對透明圍護結構而言，減小傳熱系數(shù)不如采用遮陽措施降低太陽得熱系數(shù)更有效。

（4）人員使用特征對建筑能耗的敏感度較高，特別是室內控制溫度，敏感度為各參數(shù)中最高。可見，提高游客的節(jié)能意識對減少建筑能耗有重要作用。

（5）照明和電器設備功率密度對建筑能耗的敏感度較低，說明對建筑采暖制冷能耗的影響不大。但是，照明與電器設備的電量消耗在民宿建筑的終端能耗中占很大比重，不容忽視。應采用節(jié)能型燈具、選用綠色標識的電器設備減少電力消耗。