基于STIRPAT模型的节能建筑围护结构能耗分析

刘 婕，麻延军

(张家口建筑勘察设计有限公司，河北 张家口 075000)

节约能源以及降低能源消耗是当下社会发展的重要目标，而我国建筑能耗更是接近全部能耗的30%，并且该数据还在不断增加[1]。新建的节能建筑的比例已经高于95%，但是施工过程中严格执行节能的比例则低于54%，因此，建筑能耗面临严峻形势。节能建筑能耗分析包含两方面，一是宏观层面，二是微观层面[2]。前者指的是人口数量、城市生产力、第三产业以及人均消费水平，这些因素在宏观层面对于建筑能耗存在较大影响。后者是建筑自身情况的能耗，例如门窗、墙体是建筑的主要围护结构，起到保温、防潮等功能，且这些功能对建筑的冷热负荷存在较大影响，负荷的大小则与建筑设备的能耗存在直接和显著关联[3]。因此，通常情况下为实现建筑节能目的，主要采用的手段是增强建筑围护结构的热工性能。四种建筑围护结构中，按照能耗的高低顺序为：门窗>墙体>屋顶，其中门窗的能耗占据总能耗的一半[4]。建筑门窗、墙体和屋顶节能情况是当下建筑领域十分重视的问题，为降低建筑围护结构的能耗，必须提升建筑围护结构的保温、隔热以及密封性能，则围护结构的材料性能是关键[5]。但是节能建筑围护结构的投入产出比极高，例如节能建筑围护结构的投入增加3.1%～6.1%即可实现建筑围护结构的能耗降低21%～41%。

为分析两种层面的建筑能，本文分别采用STIRPAT模型和eQUEST软件进行建筑能耗分析。STIRPAT模型是一种评估模型，其在能源消耗方面的应用较为广泛。为分析节能建筑围护结构的能耗，本文研究基于STIRPAT模型的建筑围护结构的能耗模拟，分析建筑围护结构的能耗的详细情况。

1 节能建筑围护结构能耗分析

1.1 宏观分析

1.1.1 宏观能耗影响因素分析

对节能建筑能耗造成影响的因素较多，本文以影响最为主要且直接的因素展开分析[6]。

(1)人口。人口数量是对于能源消耗增加的主要影响因素，能源的需求和消耗随着人口数量的增加而增加，导致建筑的使用频率明显提高[7]。因此，人口是影响宏观能耗的主要因素。

(2)城镇化。城镇化对于建筑能耗存在多方面宏观影响，例如城镇化的不断推进，导致建筑设施大规模建设，建筑面积显著增加[8]。在此基础上，将导致人均消费水平的提升，同时对于能源的需求将成倍增加。

(3)建筑面积。建筑面积和供暖需求具有正比例关系，能耗越多，供暖所需的能源也成倍增加[9]。

(4)消费水平。建筑在提供服务过程中，与其服务水平和所需能源之间具有正相关性[10]。

(5)第三产业的发展。第三产业在生产过程中，产生的能耗主要属于建筑范畴，因此将其归于建筑能耗，该产业的增长，则明显增加公众建筑能耗[11]。

1.1.2 STIRPAT模型

STIRPAT模型公式为

I=aPbAcTde

(1)

式中：a、e分别为模型系数和误差；I为环境压力；P、b分别为人口数量和指数；A、C分别为人均消费和其他指数；T、d分别为技术和人文驱动指数。

STIRPAT模型的特殊形式即为IPAT，且其a=b=c=d=1。在此基础上，STIRPAT模型将多项对环境压力造成影响的因素融入，分别为人口数量、富裕度、技术等人文驱动[12]。依据STIRPAT模型的非线性特征，采取对数化方式对公式两侧实行处理可得

lnI=lna+blnP+clnA+dlnT+lne

(2)

因为无法直接采用式(2)进行多元性回归分析，依据IPAT的I=PAT可知，式(2)的回归求解结果为b=c=d=1。因此，STIRPAT模型采用T实现其和IPAT的相同性，并且T在实际的回归分析应用时不是分别估算而是属于误差项内[13]。则修正模型公式为

lnI=a+blnP+clnA+e

(3)

式中：a、e分别为常数项和残差。由于STIRPAT模型具备随机性，可将富裕度等对数形式的二项式引入式(2)中，对库兹涅茨曲线实行验证，验证过程中融入多项式处理对数，则有

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

(4)

若想得到富裕度相对于环境压力的弹性系数，参考该种系数的运算原理，对下式的lnA一阶偏导数进行求解运算，则有

(5)

本文主要分析节能建筑能耗的宏观影响因素，因此结合STIRPAT模型原理，建立基于STIRPAT的节能建筑能耗宏观分析模型，其公式为

lnE=lna+b1lnP+b2lnU+c1lnA+

c2lnC+dlnD+lne

(6)

式中：U、A、C、D分别为人口总数、城镇化率、人均建筑面积、消费水平指数以及第三产业增加指数。

1.1.3 计算数据

选用某省2015—2019连续5年内的人口、城镇化、建筑面积、消费水平、第三产业的发展数据作为模型计算依据，并对该数据实行拟合，获取该省份节能建筑能耗结果，见表1。

表1 节能建筑能耗结果

1.1.4 数据计算以及宏观能耗分析

根据式(3)的修正模型可知，各个因素之间具有极高的共线关系，因此需对STIRPAT模型实行回归拟合，其通过回归分析完成。则多线性回归模型矩阵求解公式为

(7)

式中：X、β、ε、k、I分别为模型矩阵、参数向量、随机误差、偏移系数、单位矩阵，其中k取值范围为[0,1]，其获取依据为岭迹图；Y=Xβ+ε。基于此，在步长为0.003时，对式(4)实行线性拟合，利用SPSS22.0软件完成，则获取岭迹图，见图1。

图1 岭迹图

根据计算结果可确定k=0.357，则获取回归结果，见表2。

根据表2的求解结果可知：回归系数R2=0.997，具备极高的拟合程度，同时各个因素的VIF值均在1.22以下，则得出模型的拟合公式为

表2 求解结果

lnE=0.059lnP+0.208lnU+0.232A+

0.287lnC+0.220lnD+1.085

(8)

针对上述结果展开分析可知：该省份节能建筑能耗宏观分析根据影响程度的大小顺序排列为消费水平指数>人均建筑面积>第三产业发展水平>城镇化率>人口总数。说明，节能建筑能耗的宏观影响因素以消费水平指数和人均建筑面积为主，第三产业发展水平、城镇化率和人口总数为辅。

1.2 微观分析

节能建筑的围护结构对于建筑的能耗存在一定程度影响，并且围护结构的复杂性以及相互之间的关联和相互影响，因此，需从微观角度分析节能建筑围护结构能耗[14]。本文采用eQUEST软件计算节能建筑围护结构能耗。

1.2.1 eQUEST软件

eQUEST软件是一种动态模拟软件，其具备建筑场地和气象的详细数据信息，并且可针对供热系统、围护结构、结构材料以及相互遮挡实行充分模拟和分析，同时适用于所有扰量的计算，完成准确的建筑围护结构能耗的微观分析。

建筑在使用过程中，会存在动态传热过程，室内外的温度变化对传热量的大小存在直接影响。eQUEST软件通过反应系数法对建筑的负荷实行动态计算。室内外的温度在该方法的运行下，可划分成三角波，并且可叠加[15]。围护结构的能耗可用其传热量描述，该值的获取需依据维护结构表面的温度以及热流，其获取方式为叠加维护结构对各个温度三角波的反应，利用导热微分方程获取热量值。通过下式可运算得出围护结构传热量：

(9)

式中：qinside为表面传热量，W/m3；Wi和Zi均为反应系数。Voutside为围护结构外部温度，C；Vinside为围护结构内部温度，℃。

1.2.2 模型建立

采用eQUEST软件模拟2.1章节中该省的一幢既有住宅建筑，建筑模拟结果见图2。该建筑共有10层，每层高为3.8 m，建筑总长50 m，宽20 m，坐北朝南，其围护结构详细参数见表3。其他模拟参数设置见表4。

图2 建筑模拟模型

表3 围护结构详细参数

表4 模拟参数设置

1.2.3 能耗分析

节能建筑围护结构能耗分析主要包括下述几个方面：

1)墙体保温能耗分析

节能建筑的围护结构中，占据面积最大的即是墙体面积，因此其也是微观影响建筑围护结构能耗的主要因素。我国节能建筑墙体主要保温材料为聚苯板。穿透墙体的瞬间传热变化的计算公式为

Qc(τ)=LH(tc(τ)-tR)

(10)

式中：Qc(τ)外墙瞬间传热波动产生的负荷波动值，H和L分别为总传热系数以及面积，m2；tc(τ)和tR分别为冷负荷对应的温度值以及实际预测的室内温度值，℃。

根据式(9)，在传热延时忽略时，建筑能耗的主要影响因素是墙体传热系数。针对指定或者特殊的节能建筑，能耗的降低可通过调整墙体传热系数实现，则需要对墙体实施保温层增加手段。

通常情况下结构热桥属于外墙体传热系数中，外墙体不同位置的加权平均值用Km表示，其值为0.5 W/(m2·K)，模拟过程中将外墙传热系数范围调整在0.3～1.3 W/(m2·K)，获取外墙能耗模拟结果，见图3。

根据图3的测试结果可知：随着加权平均传热系数的逐渐增加，两种负荷变化均呈线性上升趋势；但是两种负荷中，热负荷变化更加显著，对比原来的传热系数值可发现，Km每增加0.2 W/(m2·K)，热负荷变化则增加18.5%左右，则表明围护结构的热负荷较大程度上会受到围护结构传热性能的干扰。

图3 外墙能耗结果

2)外窗能耗分析

模拟分析建筑能耗受到窗户传热系数的影响，并设置外窗传热系数取值区间为[1.48，3.88]W/(m2·K)，结果见图4。由于模拟的建筑是坐北朝南，因此模拟南窗和北窗的能耗结果。

图4 外窗能耗结果

根据图4的测试结果可知：窗户热负荷和冷负荷都和传热系数具有正比例关系。但是相对北窗比较，南窗的冷热两种负荷变化程度较为明显，高于北窗的负荷变化程度，其冷、热负荷变化范围分别为-1.8～2.2 W/(m2·K)和-12～16 W/(m2·K)。通过该结果的分析表明，南窗对于建筑的能耗高于北窗。

3)屋顶能耗分析

模拟屋顶传热系数范围调整在0.35～1.25 W/(m2·K)时，分析屋顶能耗变化情况，结果用图5描述。

图5 屋顶能耗结果

根据图5测试结果可知：屋顶的传热系数的变化对于建筑整体的能耗影响较低，本文模拟的建筑模型属于多层建筑，屋顶对于整个建筑的能耗影响则取决于建筑自身的类型，因此，本文模拟的建筑，屋顶对于建筑整体的能耗影响较小。冷热两种负荷变化程度中，热负荷的变化程度显著，但是变化范围较小。因此，屋顶对于建筑整体能耗的影响较小。

2 结 论

本文针对节能建筑能耗展开相关分析，采用STIRPAT模型和eQUEST软件分别从宏观角度和微观角度完成节能建筑围护结构能耗分析，获取两者的分析结果，分别为消费水平指数>人均建筑面积>第三产业发展水平>城镇化率>人口总数，窗能耗>墙体能耗>屋顶能耗。根据该分析结果，可结合实际居住以及地区气候情况，合理调整或者改造既有建筑的保温措施。