【摘要】公共建筑在碳減排和建筑節(jié)能方面發(fā)揮著重要作用。文中針對我國夏熱冬冷地區(qū)的某既有公共建筑建立仿真模型，運用全局敏感性分析模型，得到考慮用戶行為等參數(shù)變化的節(jié)能改造最優(yōu)組合策略。通過需求響應函數(shù)實現(xiàn)分時電價定價策略，得出節(jié)能減排的優(yōu)化方案?？紤]用戶舒適度、能耗和經(jīng)濟性，采用分時電價策略有利于負荷響應和調(diào)節(jié)供電波動，并且能降低用戶的用電成本和供電局的維護成本。為現(xiàn)有公共建筑節(jié)能減排提供了新的思路。

【關(guān)鍵詞】公共建筑；節(jié)能減排；分時電價定價策略；建筑工程

【中圖分類號】TU712" " " "【文獻標志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2023）23-0031-03

建筑能耗約占全球能耗的40%，已成為世界各國節(jié)能低碳發(fā)展的關(guān)鍵，節(jié)能研究有利于城市的可持續(xù)建設(shè)與發(fā)展。全國既有建筑總面積超過600億平方米，公共建筑總面積128億平方米。公共建筑改造總面積1億多平方米，僅占現(xiàn)有建筑的0.6%，但使建筑能耗降低了20%左右。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，公共建筑的數(shù)量不斷增加，導致了更大的能源消耗[1]。研究公共建筑節(jié)能有利于降低建筑行業(yè)的總能耗。與既有居住建筑相比，公共建筑能耗密度更高，節(jié)能潛力更顯著。現(xiàn)有公共建筑可以通過改變結(jié)構(gòu)維護材料、調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)組成、選擇節(jié)能設(shè)備、制定補貼政策等不同措施來提高建筑能效。這些措施可以提高用戶的熱舒適度，減少建筑對環(huán)境的影響[2]。建筑能耗可以通過能耗動態(tài)仿真軟件進行計算。它可以與其他軟件兼容，為復雜的能耗模擬和節(jié)能優(yōu)化開發(fā)新的算法。

為解決投資成本高、投資回收期長的問題，可采用敏感性分析方法識別關(guān)鍵因素，選擇最優(yōu)組合方案進行節(jié)能改造[3]。不合理的節(jié)能措施選擇會增加決策成本。敏感性分析可以確定不同參數(shù)對建筑性能的影響，從而更好地降低建筑能耗，全局敏感性分析開始在建筑節(jié)能領(lǐng)域得到廣泛應用。

不同的氣候類型對建筑能耗有不同的影響，氣候也會影響建筑材料性能的選擇。在寒冷地區(qū)應選擇高透明度的材料，在炎熱地區(qū)應選擇遮陽材料[4]。動態(tài)保溫和相變材料集成墻在不同氣候條件下具有不同的建筑朝向和節(jié)能效果。我國建筑氣候區(qū)劃主要依據(jù)《民用建筑熱設(shè)計規(guī)范》，劃分為5個氣候帶，典型城市的默認氣候特征可以代表氣候帶的整體氣候特征。對不同氣候區(qū)既有公共建筑能耗進行分析，發(fā)現(xiàn)夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能潛力更為顯著。長江中下游地區(qū)及其周邊地區(qū)面積約180萬平方公里，人口約5.5億，國內(nèi)生產(chǎn)總值約占全國的48%，是我國人口密度最顯著、經(jīng)濟發(fā)展最快的地區(qū)。然而，我國高寒地區(qū)的建筑節(jié)能工作卻落后于嚴寒地區(qū)。北方地區(qū)的建筑能耗主要以采暖能耗為主，而高冷地區(qū)應考慮夏季制冷和冬季采暖。目前，高冷堆積區(qū)熱舒適性較低，迫切需要對其既有建筑進行節(jié)能改造。

在以往的研究中，更多的學者在建筑節(jié)能改造中考慮了外圍護結(jié)構(gòu)和暖通空調(diào)對能耗的影響[5]。然而，同時考慮這些因素的既有公共建筑節(jié)能改造研究卻很少。在既有公共建筑節(jié)能變化研究中，采用全局敏感性分析的方法較少考慮用戶行為對建筑能耗的影響。而且，不考慮對用戶行為的措施，也不利于降低實際節(jié)能量。考慮包含引導和約束用戶行為等措施的組合優(yōu)化方案，有利于降低施工運行階段的能耗。雖然將能耗與分時電價相結(jié)合的研究，但考慮用戶行為的分時電價對既有公共建筑節(jié)能改造的調(diào)查還不夠。

本研究從用戶舒適度、降低能耗和經(jīng)濟性的角度提出了合適的節(jié)能策略[6]。組合優(yōu)化策略降低了現(xiàn)有公共建筑的整體能耗。分時電價策略調(diào)整用戶的用電行為。本研究依靠經(jīng)濟手段將供需雙方聯(lián)系起來。在需求側(cè)，節(jié)能優(yōu)化策略有利于需求側(cè)管理。降低了用戶的用電成本，提高了用戶節(jié)能的積極性[7]。在供給側(cè)，分時電價更有利于調(diào)節(jié)供電的波動性，減少發(fā)電的備用容量，降低了供電局的運維成本。

1 節(jié)能減排管理方法

在本研究中，基于Autodesk計算機輔助設(shè)計圖紙建立仿真模型；采用全局靈敏度分析方法，生成了參數(shù)變化范圍內(nèi)的批量組合優(yōu)化策略。選取其中最優(yōu)的一組不確定參數(shù)設(shè)置，得到相應的能耗、碳排放和電費，需求響應功能基于初始能耗。在滿足用戶舒適度要求和電費支出最低的前提下，實行分時電價。得到所選辦公樓的能耗降低值、碳減排值和節(jié)省的電費賬單值。最后，將其擴展到所有現(xiàn)有建筑，為建筑群提供節(jié)能減排的思路。

本研究首先建立能源仿真模型，包括基本信息和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，然后運行模型得到輸入輸出矩陣。通過這種方式，獲得了許多仿真結(jié)果，可以為后續(xù)步驟提供支持數(shù)據(jù)。然后通過全局靈敏度分析結(jié)果得到組合最優(yōu)方案。最后，結(jié)合分時電價，從用戶舒適度、降低能耗和經(jīng)濟性三個角度得出結(jié)論，并提出相應的政策建議。

1.1 建筑仿真模型

Sketchup是一款3D繪圖軟件。作為一個分析插件，它繪制建筑基礎(chǔ)，并手動為每個房間分配熱區(qū)。結(jié)合Energyplus軟件，可以進行建筑能耗的模擬計算。Energyplus是美國能源部和勞倫斯伯克利國家實驗室為建筑能耗開發(fā)的每小時模擬引擎。它是世界上最精確的能源模擬軟件之一。Energyplus主要包括三個模塊：負載、系統(tǒng)和設(shè)備。負荷采用熱平衡法，設(shè)備模塊采用曲線擬合法，系統(tǒng)模塊采用模塊化同時仿真法。該軟件是免費和開源的。它與其他軟件兼容，可以開發(fā)新的算法來執(zhí)行復雜的能量模擬。

本研究選取一幢9層辦公樓作為測試對象，建筑面積4901.94m2，層高3.6m，每層都由辦公室、大小會議室和休息區(qū)組成。設(shè)計說明體現(xiàn)了建筑的熱特性。寫字樓的營業(yè)時間一般為工作日的7：00-19：00，周末和法定節(jié)假日一般不上班。

為滿足我國公共建筑設(shè)計規(guī)范要求，使節(jié)能優(yōu)化方案合理，全局敏感性分析中的各輸入?yún)?shù)均需按《公共建筑能效設(shè)計標準》進行設(shè)置。參數(shù)值越小，節(jié)能效果越好?？紤]公共建筑的節(jié)能要求將會增加，因此，節(jié)能規(guī)格的最小值按GB50189―2015的規(guī)格限值設(shè)置，降低20%，最大值按GB50189―2015的規(guī)格限值設(shè)置。這些參數(shù)呈均勻分布。圍護結(jié)構(gòu)和空調(diào)系統(tǒng)的局部設(shè)置將反映用戶行為對建筑能耗的影響。

1.2 全局敏感性分析

全局敏感性分析方法包括以下步驟：（1）確定輸入模型的設(shè)計參數(shù)和輸出變量（總能耗）。（2）為每個設(shè)計參數(shù)選擇一個概率密度函數(shù)（均勻分布）。（3）通過合適的隨機抽樣方法生成輸入向量（矩陣）。本研究選擇建筑節(jié)能研究中常用的拉丁超立方體抽樣方法。（4）根據(jù)總輸入矩陣計算輸出分布矩陣。（5）評價各設(shè)計參數(shù)的相對重要性―靈敏度分析。

1.3 舒適度指數(shù)的構(gòu)建

根據(jù)人體熱平衡方程和熱舒適方程，總結(jié)了兩種判斷人體熱感覺的指標，綜合考慮了氣溫、空氣濕度、人體活動、服裝熱阻、平均輻射溫度和氣流速度6個因素。

1.4 按使用時段定價

根據(jù)國際能源署的報告，電力消耗是全球建筑領(lǐng)域最明顯的能源消耗之一，分時電價的應用可以看作是一種需求響應策略。本研究旨在設(shè)計一個基于全局敏感性分析的需求響應函數(shù)。全局敏感性分析結(jié)果滿足節(jié)能要求，但不能反映經(jīng)濟性。采用分時電價來滿足用戶的舒適度要求，可以更好地降低用戶的用電成本。

在工程應用中，需要易于實現(xiàn)的熱性能監(jiān)測方法。已經(jīng)開發(fā)了幾種簡化的建筑熱負荷模型，它們可以正確地解釋建筑熱工性能現(xiàn)象。因此，本研究考慮簡化熱模型，根據(jù)能量守恒原理對控制體積進行暫態(tài)分析。

需求響應可以引導能源用戶及時響應價格信號，提高用電效率，降低用電成本。辦公大樓的用戶會選擇改變自己的習慣，比如合理使用燈光和設(shè)備，改變供電時間，設(shè)置空調(diào)溫度等，以減少電費和能源消耗。

2 結(jié)果與討論

本文比較了初始定價方案、優(yōu)化定價方案和分時電價方案的節(jié)能效果。然后驗證分時電價響應后的舒適度是否滿足用戶需求。最后得到用戶的用電成本和建筑碳排放量。通過分析各部分的研究成果，進行相應的論述。

研究建立的仿真模型的能耗在夏熱冬冷地區(qū)辦公樓的研究結(jié)果范圍內(nèi)，說明本研究建立的能耗模型相對簡單，精度較高。根據(jù)不確定參數(shù)的變化范圍，考慮用戶習慣、暖通空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的組合方案。采用莫里斯敏感性分析法，得到了影響建筑能耗的輸入?yún)?shù)的重要程度排序。

設(shè)備的功率密度越小，越節(jié)能。通過選擇節(jié)能設(shè)備可以減少能源消耗。同時，用戶在離開辦公室時是否關(guān)閉設(shè)備也會影響到耗電量。在設(shè)計階段，應考慮氣候條件對建筑能耗的影響。在運行維護階段，要感受到用戶行為和其他設(shè)備性能對能耗的影響。

電價彈性系數(shù)矩陣計算具有較高的數(shù)據(jù)要求，需要用戶報告或市場技術(shù)分析才能進行相應的計算。根據(jù)全局敏感性分析結(jié)果，選取夏季典型設(shè)計日進行能耗分析。由于辦公樓在非工作時間沒有夜間能耗。因此，負載響應只考慮白天的工作時間。非工作時間彈性系數(shù)為0。

實施分時電價后，辦公室各時段的能耗均有所降低。其中用電高峰期：9：00-11：00和15：00-17：00之間的每一個小時，能耗明顯降低。低功耗時段（7：00-8：00、12：00-14：00）能耗略有增加。從18：00-19：00的功耗水平變化不大。結(jié)果表明，分時電價設(shè)置能顯著降低峰值能耗，提高谷區(qū)能耗。

通過優(yōu)化和分時電價策略的實施，降低了辦公室各時段的用電成本。初始情況下的日總電費比優(yōu)化后的日總電費低24.5%。采用分時電價策略后的日總電費較初始日電費降低26.1%。在滿足舒適度的前提下，可以看出，實施分時電價策略后，與優(yōu)化策略的日總電費相比，電費成本進一步降低了2.1%。

優(yōu)化后的日總碳排放量較初始情況減少24.5%；實施分時電價后的日碳排放總量較初始水平下降26.4%。在滿足舒適度的前提下，可以看出，實施分時電價后，碳排放量進一步減少，比優(yōu)化策略的日總碳排放量減少了2.6%。

3 結(jié)語

本研究在討論能耗影響因素時，還考慮用戶的行為，因為用戶對能耗的影響更為顯著。因此，本研究提出了基于CAD的Sketchup（設(shè)計）和EnergyPlus（仿真結(jié)果）仿真模型，并應用全局靈敏度分析模型，得到了包括用戶行為和其他參數(shù)變化在內(nèi)的節(jié)能改造最優(yōu)組合策略。然后利用需求響應函數(shù)得到分時電價的定價策略，最后得出不同場景下的建筑節(jié)能方案。本研究認為決策者應重視組合優(yōu)化方案的選擇，并進行需求側(cè)管理，以實現(xiàn)能源消耗的動態(tài)調(diào)整。同時，利用經(jīng)濟手段促使用戶改變行為，實現(xiàn)低碳生活。組合優(yōu)化和分時電價降低了建筑能耗和碳排放，降低了用戶成本。在我國老舊公共建筑存量大的背景下，節(jié)能減排潛力巨大。用戶用電行為的價格激勵是廣泛的，為國際國內(nèi)高寒地區(qū)公共建筑的節(jié)能改造提供參考。

為了滿足用戶的舒適度，政府應該采用分時電價策略來調(diào)整用戶的行為，安裝分時電價表來刺激消費者的電價，實現(xiàn)節(jié)能降耗的雙贏。在一定程度上解決了公共建筑節(jié)能用戶積極性不高的問題。目前，各地分時電價制定的峰谷電價存在差異，極大地影響了消費者的激勵程度。

利用光伏、淺層地熱能、生物質(zhì)能等可再生能源是未來既有建筑節(jié)能改造的趨勢。在用戶積極響應的情況下，供電局采用可再生能源，減少實施阻力。然而，可再生能源具有一定的間歇性、波動性和隨機性。采用分時電價策略對彈性負荷進行調(diào)整，可以提高可再生能源的消納能力。從長遠來看，實施組合優(yōu)化和分時電價將改變用戶的能源消費習慣，為我國電力供應的穩(wěn)定提供更好的支持。

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[作者簡介]王尤強（1972 —），男，四川宣漢人，在職研究生，研究方向：工程管理。