办公建筑能耗基准中影响因子对建筑能耗的影响度
康一亭1，于丹2，苏华1，魏峥3，孟冲3
(1. 西华大学 能源与环境学院，四川 成都，610039；
2. 北京建筑工程学院 环境与能源工程学院，北京，100044；
3. 中国建筑科学研究院 建筑环境与节能研究院，北京，100013)
摘要：根据北京地区办公建筑能耗基准确定的回归方程，采用正交实验设计法利用TRNSYS能耗分析软件对方程的影响因子进行能耗模拟，应用正交试验极差分析法分析北京地区办公建筑影响因子进行影响度分析。在实际的能耗基准确立中，影响因子对建筑能耗影响度的分析以及对公共建筑能耗基准多元线性回归拟合中的自变量选择起到校核判断的作用，可以更好地提高建筑能耗基准的准确性。
关键词：能耗模拟；影响因子；正交试验设计法；极差分析
中图分类号：TU111.19 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0146-05
Impact factors of energy consumption benchmarking in office buildings
KANG Yi-ting1, YU Dan2, SU Hua1, WEI Zheng3, MENG Chong3
(1. School of Energy and Environment, Xihua University, Chengdu 610039, China;
2. School of Environment and Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China;
3. Institute of Build Environment and Energy Efficiency, Chinese Academy of Building Research, Beijing 100013, China)
Abstract: TRNSYS was used to simulate an office building and analyze the impact factors by using orthogonal experimental design method according to the energy consumption benchmarking regression equation in office buildings. The impact factor degrees of energy consumption for pubic buildings in Beijing were also analyzed. The analysis on impact factors of the energy consumption can be a judgment for benchmarking in multiple variable linear regression method, and the results can improve the accuracy of energy consumption benchmarking.
Key words: energy consumption simulation; impact factors; orthogonal experimental design method; range analysis
公共建筑能耗基准的研究目的在于合理评价公共建筑能耗水平，在此基础上确立能耗影响因子对建筑能耗的影响度的分析对于正确评价公共建筑的实际能耗、建立合理的能耗基准起着重要作用。国内外专家、学者在确立了多栋建筑能耗基准回归方程基础上，对能耗基准中的能耗影响因子进行分析。Bohdanowicz等[1]对欧洲的184栋希尔顿国际酒店和斯堪迪克酒店进行多元线性回归拟合，并从建筑物理结构和设备运行的角度，分析了气候、建筑面积、餐饮服务和入住率等因素对能源和水源的影响度。Federspiel等[2]对实验室建筑能耗基准确立方法进行研究，并分析实验室中空调、照明等影响因子对能耗的影响度。Wu等[3]对新加坡酒店建筑进行回归分析，重点分析了CO2放射率对能耗的影响。邱轶兵[4]利用多元线性回归拟合理论对该地区办公建筑能耗与影响因子进行拟合且进行影响度分析，最后进行相应的能效评级。鉴于国内对公共建筑能耗基准研究处于起步阶段，本文作者根据北京地区30个办公建筑样本实测数据，对利用多元线性回归拟合方法建立了北京地区办公建筑能耗基准回归方程进行分析。在已经确立的能耗基准回归方程中，利用正交实验设计方法设计正交试验，用极差法计算并分析回归方程中影响因子对能耗的影响度，并确立影响因子的显著性，对修正、完善能耗基准回归方程和建筑节能改造、节能设计有重要的意义。
1 实验
1.1 正交试验设计方法
正交试验设计是利用正交表研究多因素、多水平的一种设计方法[5-7]。设计方法是由试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验的，这些有代表性的水平组合具备“均匀分散，齐整可比”的特点，通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出最优的水平组合。正交试验设计主要包括试验方案设计和实验结果分析两部分。图1所示为本试验方案设计流程图。
图1 试验方案设计流程图
Fig.1 Design process of experimental program
1.2 正交试验设计模型建立
在实验设计的设计阶段，本文作者对北京地区30栋办公建筑利用多元线性回归拟合方法建立的能耗基准回归方程中的影响因子进行分析，目的是为了找出这些影响因子对办公建筑能耗的影响度及影响因子的显著性。建筑的多元线性回归方程根据多栋建筑的相关实测数据建立而成，因变量为连续1年的建筑能耗强度EUI，已经确定的北京市办公建筑能耗的自变量为：人员密度、电梯数量、设备运行模式以及窗型。
通过正交试验确定各因素3水平取值，相应的影响因子有人员密度、电梯数量、设备运行模式以及窗型，选择正交实验表L9(34)安排试验，不考虑因素间交互作用。表1所列为正交试验影响因素及水平取值表，表2~4所列分别为电梯数量水平取值表，设备运行模式取值表以及窗型热工参数表。
1.3 能耗模拟
利用能耗模拟软件TRNSYS对寒冷地区的典型城市北京某办公建筑进行模拟，建筑首层及标准层平面图如图2所示，该建筑总建筑面积14 541.19 m2，地上8层，地下2层，建筑高度22.2m。计算时采用典型气象年(TMY)逐时参数，根据北京地区气候特点，供暖季为11月15日~次年3月15日；制冷季为5月~9月。办公区域照明设备取11 W/ m2，走廊和设备夹层以及地下室按照走廊取值5 W/ m2，照明开关时间、冬夏季采暖空调室内设计温湿度均按照《公共建筑节能设计标准》[8]的相关规定设定。设备运行机组冬季为市政管网提供热水，夏季为离心式水冷机组提供冷量。表5所列为各该建筑围护结构参数表，图3 所示为建筑能耗模拟计算模型图。
表1 正交试验影响因素及水平取值
Table 1 Orthogonal factors and level of value
表2 电梯数量水平取值
Table 2 Number of elevators levels
表3 设备运行模式说明
Table 3 Equipment operating mode description
表4 窗型热工参数
Table 4 Window type thermal parameter
表5 围护结构热工性能参数表
Table 5 Envelope thermal performance parameters
图2 某办公建筑首层及标准层平面图
Fig.2 The first floor and standard floor plan
图3 建筑计算模型图
Fig.3 Building energy consumption calculating model
表6 正交试验设计分析计算表
Table 6 Orthogonal experimental design and analysis calculation table
2 正交试验结果显著性分析
表6所列为正交试验设计分析计算表，正交试验结果分析采用极差分析法。极差分析方法是正交试验结果分析最常用的方法，计算简便，它利用各影响因子和的最大值和最小值判断其显著性。
从表6可以看出：极差R从大到小的顺序如下：人员密度、窗型、设备运行模式、电梯数量。极差越大的影响因子，对总建筑能耗影响越大，反之对建筑能耗影响越小。对于总建筑能耗而言，人员密度，窗型，设备运行模式影响极差R在15以上，分别为19.4，17.8和16.1对建筑能耗影响较大，是关键因素；而是电梯数量极差R=6.4，与前三者相比极差较小，对建筑能耗影响较小，因此是次要因素。
建筑能耗模拟中，影响负荷的因素主要有建筑围护结构、室内热源。影响围护结构的有外墙、屋面的对流换热和窗户的对辐射和对流换热的共同影响，室内冷热源有设备散热、人体散热和照明散热。本文作者考虑的影响因子围护结构只有窗型，室内热源只有人员密度和机组设备的散热，由于电梯散热与机组设备散热相对较小，所以，电梯数量对整个建筑负荷以及建筑能耗影响很小。从设备运行模式可以看出，设备运行时间长机组耗能较大，散热较多，对建筑能耗影响也大。窗型的不同对建筑辐射得热影响较大，窗户的传热系数及遮阳系数是影响建筑能耗的重要参数，随着传热系数及遮阳系数的增加，建筑总能耗增加。人员密度对于建筑能耗影响是显而易见的，人体散发的潜热量和对流热直接形成冷负荷，辐射散发的热量也会形式滞后的冷负荷，这些都会增加建筑的能耗。
3 结论
(1) 利用TRNSYS对北京地区某办公建筑进行能耗模拟，并应用正交试验设计方法从人员密度、电梯数量、设备运行模式以及窗型4个影响因子中设计三水平四因素试验，利用极差分析法计算4个影响因子的极差值，其中，人员密度、窗型以及设备运行模式的选择对建筑能耗强度影响较大，电梯数量对整个建筑能耗影响度很小。
(2) 在实际的能耗基准确立中，影响因子对建筑能耗影响度的分析对公共建筑能耗基准多元线性回归拟合中的自变量选择起到校核判断的作用，可以更好地提高建筑能耗基准的准确性。
参考文献：
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[8] 中华人民共和国建设部. GB 50189—2005, 公共建筑节能设计标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005: 38-39.
Ministry of construction. GB 50189—2005, Design standard for energy efficiency of public buildings[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2005: 38-39.
(编辑 龙怀中)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：科技部科研院所开发研究专项资金资助项目(2008EG231251)；北京市“供热、供燃气、通风及空调工程”重点实验室基金资助项目(KF201009)
通信作者：康一亭(1987-)，女，河北张家口人，硕士研究生，从事建筑节能方面研究；电话：15116994088；E-mail：sunshinekyt@126.com
