能耗回归模型在夏热冬冷地区围护结构节能中的应用研究.docx
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能耗回归模型在夏热冬冷地区围护结构节能中的应用研究
能耗回归模型在夏热冬冷地区围护结构节能中的应用研究
摘要：
本文结合夏热冬冷地区三种典型建筑模型，通过理论分析、软件计算以及案例调研等
方法，首先进行了能耗回归预测模型的围护结构主要影响因素的选取和回归方程式的确立，并对能耗回归预测模型进行了分析，然后通过软件模拟计算和分析、调研案例验证和分析的双重途径，对该能耗回归预测模型进行了验证。
关键词：
能耗回归模型；夏热冬冷地区；围护结构；节能
Applicationofenergysavingbuildingenveloperegression
modelinhotsummerandcoldwinterclimatezones
Abstract:
Inthispaper,hotsummerandcoldwinterclimatezonesthreetypicalarchitecturalmodels,theoreticalanalysis,thesoftwarecalculatesandcasestudymethods,firstlythemainfactorsinthebuildingenvelopeenergyregressionpredictionmodelselectionandregressionequationisestablished,andenergyforecastingregressionmodelswereanalyzed,andthenthesoftwaresimulationandanalysis,casestudyanalysistoverifyanddoubleway,theenergyconsumptionofregressionpredictionmodelwasvalidated.
Keywords:
energyregressionmodel;hotsummerandcoldwinterclimatezones;envelope;energysaving
1引言
为了达到可持续发展目标，我国做出了构建资源节约型社会的战略决策，而在资源节约型社会的建设过程中，节约能源又是其中必不可少的重要部分。
当前，国内建筑用能在全国总能耗中所占的比例已经超过了25%，并逐渐迈向33%的大关，特别是一些建筑企业，所耗能源数量巨大，因此具有很大的节能空间[1]。
下面将研究能耗回归模型在夏热冬冷地区围护结构节能中的应用，以促进建筑节能事业的发展，帮助夏热冬冷地区更加顺利的实现近期与远期的建筑节能目标。
2模拟建筑选择
因为在不同体型系数的建筑中，节能贡献率与围护结构节能技术之间的关系也有所不同。
所以从定量角度去研究这个问题，本文中的模拟建筑需要选用多样化的体型系数的建筑模型，强调模拟分析中建筑物模型的代表性。
在分析夏热冬冷地区建筑物的建筑特点之后，发现夏热冬冷地区建筑物体形系数在0.1到0.3之间[2]。
所以，本文建筑物模型模拟分析对象分别是体型系数为0.12、0.16以及0.24的建筑物。
而且，这三种典型建筑物模型的各类建筑指标都属于夏热冬冷地区建筑设计方案的一般情况，满足建筑物的设计规定，表2.1中详细给出了三种模型的参数。
表2.1三种典型建筑物模型的基本参数
典型建筑模型
模型1
模型2
模型3
总建筑面积（m2）
2400
9600
24000
标准层面积（m2）
600
1200
2400
层数
4
8
10
建筑高度（m）
17
33
41
建筑长度（m）
40
60
80
建筑宽度（m）
15
20
30
体形系数
0.24
0.16
0.12
3围护结构主要影响因素的选取
据研究，建筑外墙、外窗、屋面、遮阳等因素都会对能耗产生影响。
屋面、外墙、外窗
窗框以及外窗玻璃都可以借助相对应的传热系数来展现其热工性能。
不过，外窗的光学性能
也会对建筑能耗产生影响，所以还需要借助太阳能透过率Tsoi、可见光透过率Tvis、太阳
得热系数SHGG太阳能反射率Rsol等关于外窗玻璃光学性能的参数来对其与建筑能耗间的关系进行表示。
太阳得热系数比较之太阳能透过率和可见光透过率更能有效地对太阳辐射通过外窗玻璃对建筑能耗带来的影响进行反映。
所以参考太阳得热系数就可以良好地体现出
外窗玻璃的透射与吸收性能给建筑采暖空调系统能耗带来的影响。
同时，太阳能反射率这一
参考指标能够有效反应玻璃反射性能给能耗带来的影响。
而内、外遮阳施工给建筑能耗带来
地影响则可以借助遮阳设施的内、外遮阳系数来表现，这里的遮阳系数指的是遮阳设施导致
的玻璃非透明面积和玻璃总面积之比。
按照上面的思路，此次对建筑围护结构节能技术措施
与建筑采暖空调系统能耗的影响所开展的研究，采用了8个影响因素，它们分别是：
屋面传
热系数、外墙传热系数、外窗窗框传热系数、外窗玻璃传热系数、外遮阳系数、内遮阳系数、外窗玻璃太阳得热系数以及外窗玻璃太阳能反射率。
此次模拟将6月到8月设为遮阳设置的
使用时限，内、外遮阳都选择活动遮阳的形式[3]。
借助上面8个因素来开展单位面积建筑能耗的回归分析，希望能够找到这些因素个单位
面积建筑能耗所带来的影响。
此次回归分析里所用到的能耗数据都是借助TRNSYS能耗模拟
软件，修改软件内的气象数据和建筑模型，以此开展夏热冬冷地区内的大、中、小三种典型建筑模型的能耗模拟工作。
在此期间，为了降低模拟次数，提升模拟方法的可操作性，我们对8个建筑围护结构主要影响因素进行了分组[4-6]:
第一组是由屋面传热系数、外墙传热系数、外窗窗框传热系数、外窗玻璃传热系数、太
阳能反射率、外窗玻璃太阳得热系数组成的综合因素组；
第二组是由内、外遮阳系数组成的遮阳因素组。
两组均都从多个水平角度开展分析，表3.1中包含了不同因素的具体取值。
从表中可以
发现，围护结构因素组里囊括的6个建筑围护结构因素的组合形式有128种，而遮阳因素
组中的2个遮阳因素的组合形式有16种，加起来共有144种。
如果再加上前文提到的三种
组合，那么这次能耗模拟所需要的计算次数为432组。
模拟中所有的数据都来自标准气象年
数据，所得到的结果是建筑全年空调采暖总能耗。
接下来就讨论一下这几种建筑模型全年采
暖空调能耗受不同建筑围护结构相关因素影响的回归方程式。
表3.1围护结构因素不同水平的参数取值
因素
基本
水平1
水平2
水平3
屋面传热系数Kroof（W/（m2.K））
3.72
0.628
0.484
0.375
外墙传热系数Kwall（W/（m2.K））
3.06
0.532
0.447
0.369
外窗窗框传热系数Kframe（W/（m2.K））
6.21
3.1
-
-
玻璃传热系数Kglass（W/（m2.k））
5.68
2.83
2.76
2.57
玻璃太阳能反射率Rsol
0.075
0.126
0.311
0.221
玻璃太阳得热系数SHGC
0.855
0.755
0.405
0.599
内遮阳系数Ci
0
0.3
0.7
1
外遮阳系数Ce
0
0.2
0.5
0.7
4回归方程式的确立
夏热冬冷地区冬季寒冷、夏季炎热，气候代表性较强。
不同于夏热冬暖区域，夏热冬冷地区的建筑物在冬季有供热耗能，所以对建筑物围护结构的热工性能进行改善会达到较好的节能效果。
但是，如果改变外窗玻璃的光学性能，那么不管是冬季供热能耗，还是夏季供冷能耗都会发生改变。
比如说，因为玻璃的隔热系数减小，夏季的太阳反射率提高，进而减少夏季供冷能耗，可是这也会增加冬季供热的能耗，所以必须从定量角度来研究建筑物的采暖
空调系统总能耗。
除此之外，建筑物的遮阳措施也大大减少了夏热冬冷地区建筑物的能耗。
（1）建筑模型1
对夏热冬冷地区内建筑模型1的144组模拟结果作多元线性回归处理，处理后获取回
归关系式的相关系数R大小是0.987，决定系数R2大小是0.973，即如果出现因变量的改
变，能够利用自变量改变的情况来解释的情况共有97.3%。
因为没有利用0.05的显著水平
检验Rsol与Kframe，所以应当除去多元回归方程中的上述两种情况。
经过处理后，获取不同围护结构节能技术下，夏热冬冷地区建筑模型1不同大小的单位面积采暖空调系统能耗指标Q，具体的多元回归方程有：
Q=0.903xKroof+2.694xKwall+2.028xKglass—0.721xSHGC-0.136xCi—0.537Ce＋25.060
（2）建筑模型2
对夏热冬冷地区内建筑模型2的144组模拟结果作多元线性回归处理，处理后获取回归关系式的相对系数R大小是0.978，而决定系数R2大小是0.957。
因为没有利用0.05的显著水平检验Kframe，所以应当除去多元回归方程的该项。
经处理，获取不同围护结构节能技术下，夏热冬冷地区建筑模型2不同大小的单位面积采暖空调系统能耗指标Q,具
体的多元回归方程有：
Q=0.519xKroof＋1.908xKwall＋1.502xKglass＋0.803xRsol—0.294xSHGC—0.152xCi—0.423Ce＋19.061
（3）建筑模型3
对夏热冬冷地区内建筑模型3的144组模拟结果作多元线性回归处理，处理后获取回归关系式的相对系数R大小是0.974，而决定系数R2大小是0.948。
因为没有利用0.05的显著水平检验Kframe，所以应当除去多元回归方程的该项。
经处理，获取不同围护结构节能技术下，夏热冬冷地区建筑模型3不同大小的单位面积采暖空调系统能耗指标Q,具体
的多元回归方程有：
Q=0.430xKroof＋1.299xKwall＋1.031xKglass＋0.860xRsol—0.728xSHGC—0.145xCi—0.350Ce＋17.807
5能耗回归预测模型分析
可以用表5.1表示夏热冬冷地区3种建筑模型采暖空调系统下，各种系统的能耗拟合关系式的回归系数，并且包含显著性归纳。
在建筑物中，外窗玻璃传热系数Kglass、屋面传
热系数Kroof、外墙传热系数Kwall三项均大于0，因为建筑物能耗指标并不受到外窗窗框传热系数Kframe太大的影响，所以应当除去该因素的显著性检验。
研究显示：
对于夏热冬冷气候，提升建筑物采暖空调系统的能源使用效率的主要方法有：
减少外窗玻璃、屋面以及外墙的传热系数。
如果仅仅使用减少外窗窗框传热系数的方法是无法保证这个地区的建筑物节能效果的。
表5.1回归系数及显著性水平
模型
模型1
模型2
模型3
显著性
回归系数
显著性
回归系数
回归系数
显著性
Kroof
0.000
0.903
0.000
0.519
0.430
0.000
Kwall
0.000
2.694
0.000
1.908
1.299
0.000
Kframe
0.520
0.008
0.361
0.005
0.004
0.119
Kglass
0.000
2.028
0.000
1.502
1.031
0.000
Rsol
0.124
0.683
0.003
0.803
0.860
0.000
SHGC
0.001
-0.721
0.001
0.294
0.728
0.000
Ci
0.006
-0.136
0.000
-0.152
-0.145
0.000
Ce
0.000
-0.537
0.000
-0.423
-0.350
0.000
常数项
0.000
25.060
0.000
19.061
17.807
0.000
对于不同的建筑物来说，其外窗玻璃太阳得热系数SHGC处理后的回归系数大小不同，
可以小于0,也可以大于0,但是太阳能反射率Rsol处理后的回归系数都大于0,所以研究结果与本人的推论相同。
在该气候区，供热能耗与供冷能耗基本相同，因为太阳得热系数SHGC不断增大，太阳光辐射到室内的热量不断减少，所以夏季的供冷能耗变大，冬季供热的能耗减少，采暖空调系统总能耗并没有定量的变化情况。
内遮阳系数与外遮阳系数大小都小于0，也就是说，在夏热冬冷的气候环境中，如果室
内自然采光充足，那么可以利用增加内、外遮阳系数的方法，也就是增加遮阳设施的方法提
升建筑物的节能效果。
由于八个围护结构因素能够有效影响建筑物的节能效果，因此使用TRNSYS来模拟各种
围护组合的节能效果，对该结果进行回归分析，确定上述不同围护结构因素与建筑物节能效果的回归关系。
最后，利用该回归关系式，从定量的角度研究各种围护结构因素产生的不同建筑物能耗效果，而且也可以根据回归关系式模拟分析出其它围护因素可能对建筑物能耗产生的影响，可是，利用回归关系式得到的建筑物能耗结果，无法确定它的准确性以及可行性，
所以需要进一步研究验证该回归模型。
6能耗回归预测模型的验证
（1）模拟验证
上文把八个建筑围护结构因素具体分为两类，即遮阳因素组与围护结构因素组。
如果对
48次与384次。
夏热冬冷地区的建筑物进行全样本的模拟，能耗模拟次数会达到6144次。
因此可以分别进
行遮阳因素与围护结构因素的模拟计算，二者的能耗模拟次数分别减少为
432次
所以，能耗模拟次数只有432次，判断回归预测模型的科学性也就转变为：
根据这能耗模拟结果设计的数据回归模型是否可以科学预测出其它围护结构组合的能耗指标。
所以，要想判断TRNSYS能耗模拟与回归预测模型结果是否相同，必须随机选择10种
不同的节能技术组合方法，然后在夏热冬冷地区选取不同的建筑物，计算二者的能耗指标，
表6.1围护结构节能技术随机组合方案
随机
Kroof
Kwall
Kframe
Kglass
Rsol
SHGC
Ci
Ce
组合
2
（W/（m2.K））
2
（W/（m2.K））
2
（W/（m2.K））
2
（W/（m2.K））
2
（W/（m2.K））
2
（W/（m2.K））
2
（W/（m2.K））
2
（W/（m2.K））
1
0.48
0.53
3.1
2.83
0.130
0.760
0
0
2
0.38
0.45
3.1
2.76
0.110
0.410
0
0
3
0.63
0.37
3.1
2.57
0.220
0.60
0
0
4
0.63
0.45
3.1
2.76
0.110
0.410
0
0
5
0.38
3.06
6.21
5.68
0.075
0.855
0.3
0.2
6
3.72
3.06
3.1
2.57
0.221
0.599
0.7
0.5
7
0.63
3.06
3.1
2.83
0.126
0.755
1
0.7
8
0.38
0.37
3.1
2.57
0.221
0.599
1
0.2
9
3.72
0.37
3.1
5.68
0.075
0.855
0.7
0.7
10
0.48
0.53
6.21
2.76
0.111
0.405
0.3
0.5
在检验夏热冬冷地区各种建筑模型的能耗指标基础上（各十组），可以发现在建筑模型1
中，TRNSYS模拟结果与能耗指标回归预测模型的最大误差率大小是1.94%，而建筑模型2
与3处理后的最大误差率大小分别是2.34%与-2.87%。
如图6.1、图6.2、图6.3。
46
42
图6.1模型1模拟验证图
35
三二学呂rM—'
29
23
图6.2模型2模拟验证图
212f23252729
IRN$YS模姒伯Jk训hArt1
图6.3模型3模拟验证图
在随机检验夏热冬冷地区三十组建筑节能指标后，可以发现3种建筑模型的TRNSYS莫
拟结果与回归预测模型存在的最大误差，其结果小于3%之所以夏热冬冷地区建筑模型的
回归预测模型和TRNSYS能耗模拟间最大误差很小，原因在于夏热冬冷地区建筑物使用了有效的围护结构技术，实现了节能的效果，而且最大误差大小和围护结构传热系数大小间存在线性关系。
也就是说，根据多元线性回归模型可以科学准确的预测出建筑模型的能耗。
所以，
本人有关于夏热冬冷地区的三种典型建筑模型设计的能耗指标回归预测数学模型和TRNSYS
能耗模拟基本一样，该回归预测数学模型可以作为相关能耗模拟的替代，并且可以科学的预
测出各种建筑围护技术组合可以对建筑采暖空调系统能耗指标的影响。
（2）调研案例验证
以上验证结果表明，本文设计的数学模型所得到的计算结果，和能耗模拟软件所得的结
果是相同的。
然而，此模型对建筑采暖空调系统能耗这一指标进行预测时还存在一些问题，无法确定其能耗结果和实际建筑所消耗的能源是否一致，这一课题还需更加深入的研究。
针
用对
对这一问题，本节将提出相应的解决方案。
以夏热冬冷地区具代表性的实际建筑为例,
应的回归预测数学模型计算出该建筑的采暖空调系统能耗指标，并将该计算结果与该建筑的
能耗账单比较。
这样就能验证在实际建筑能源消耗这一方面，本文提出的回归模型是否准确。
某一总面积为1994怦的多层建筑在2006年建设完成并开始使用。
该建筑南北朝向，每
层高3.9米，体形系数是0.28,窗与墙的比例是0.30。
该建筑多用来办公与进行科研项目，一共有70个员工，主要通过太阳能空调和地板进行采暖。
同时，还采纳了两种围护结构节能技术，一是外墙和屋面保温技术，二是外窗窗框和玻璃的选材。
该建筑利用了多种保温技
术，并选取断热铝合金作为外窗窗框的材料，玻璃则选用双层中空Low-e玻璃。
该建筑没有建立系统进行能耗的分项管理，但可以根据2012年全年各个月份的能耗记
录进行统计。
考虑到该建筑不仅用于办公还用于科研，且相关的实验设备占据了较大一部分
的能耗比例。
因此，进行统计时，将建筑能耗分成了两个部分，一部分是办公能耗，为31.4
kWh/怦，另一部分是实验能耗，为56.5kWh/讥
通过记录分析夏热冬冷地区该建筑节能技术详细的参数以及实际具体的应用情况，把数
学模型进行计算时需要的8个主要参数记录在表6.2中。
根据此建筑空调实际使用面积是
1994怦，可以对应选择建筑模型1的回归模型。
把记录的8个主要参数输入到此模型中，
就可以得到此建筑空调进行采暖消耗的能源是33.0kWh/怦。
而从该建筑的空调采暖账单中
的记录可以得到实际的消耗量是31.4kWh/怦，两者相比较可以得出本文模型的误差率是
5.1%。
表6.2回归预测模型主要输入参数
围护结构输入参数项
参数值
2
Kroof（W/（m.K））
0.54
2
Kwall（W/（m.K））
1.02
2
Kframe（W/（m.K））
2.8
Kglass（W/（m2.K））
2.57
Rsol（W/（m2.K））
0.221
2
SHGC（W/（m.K））
0.599
Ci
0.7
Ce
0
通过将这两种指标的结果进行对照，可以发现回归模型计算出的结果与实际记录的误差
不超过6%这就说明上述回归数学模型可以准确地预测夏热冬冷地区实际建筑物空调系统
的能源消耗情况。
7结束语
在上文中，我们建立了关于建筑采暖空调系统能耗指标的回归预测函数数学模型，本章对此模型做出了验证，验证分为两部分：
调研案例和模拟验证。
模拟验证得出的结果是，上面建立的关于夏热冬冷地区三种典型建筑的数学模型与
TRNSYS莫拟结果相比，误差的比例不会超过3%这个结果可以说明两种模型的相似度和一
致性较高，所以用此论文建立的数学模型可以代替TRNSYS^件，对采用节能围护技术的建
筑物消耗的指标进行预测，这种方案具备实施的可能性。
验证调查案例得到的结果是，相比于夏热冬冷地区的建筑物实际消耗指标，上述模型得
出的结果存在的误差不超过6%。
通过此事实可得知，利用本文所提出的模型进行计算可以
得到与实际指标相差不大的结果，因此对于那些运用围护节能技术的建筑物，用此种模型进
行预测分析它们的能源消耗的准确性比较高。
根据上述两种验证可以证实，对于夏热冬冷地区运用节能围护技术的各种建筑物，应用本文设计的数学模型可以对建筑空调系统的能耗指标进行可靠、准确地预测。
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