沈陽建筑大學市政與環境工程學院      馮國會   竇寶月   徐小龍   遲丹丹   王悅

摘   要：能源短缺與環境污染是我國面臨的兩大主要問題，近零能耗建筑因其節能環保、能源利用率高的特點受到各國的廣泛關注。本文以沈陽建筑大學近零能耗居住建筑示范中心為研究對象，運用建筑能耗模擬軟件模擬了影響建筑能耗的主要因素，選擇主要的考察因素，利用正交試驗的方法安排了試驗，對構造的建筑模型進行了多次的建筑能耗模擬試驗；以正交試驗模擬得到的大量數據為基礎，利用數據分析軟件SPSS，對模擬結果進行多元線性回歸分析，得到了建筑全年采暖能耗、空調能耗以及總能耗與考察因素之間的函數關系式。為了驗證預測方程的可靠性，進行了除正交試驗之外的30次建筑能耗模擬，將建筑能耗模擬結果與建筑能耗預測方程結果進行對比分析，證明了建筑能耗預測模型的可靠性。

關鍵詞：近零能耗建筑；正交試驗；多元線性回歸

基金項目： 國家十三五重點研發計劃項目（2017YFC0702600）。

       0   引言

       目前，我國面臨的兩大主要問題就是能源的短缺及環境的污染。據相關統計，中國作為世界第二大經濟體，代價是消耗了世界一次能源的23%[1]，成為世界最大的能源消費國。而建筑能耗約占全社會能源總消耗的30%左右，根據發達國家的經驗，這一比例將逐步增加到 40%左右[2]，因此必須高度重視建筑能耗問題。對于優化建筑設計方案，可以采用建筑能耗模擬軟件，但也存在一些不足之處。在方案設計初期，有很多建筑構造以及設計因素不能確定；建筑能耗模擬軟件應用起來非常復雜，對于設計師來說很難；建筑能耗模擬軟件是基于動態能耗模擬，耗時比較長。因此，在建筑方案設計階段，提出一種簡便易行的科學分析方法，用來分析影響建筑能耗的各個因素、優化建筑的節能設計是一項迫切并且有價值的研究。本文以沈陽建筑大學近零能耗居住建筑示范中心為研究對象，運用建筑能耗模擬軟件Dest-h模擬了影響建筑能耗的因素，并選取主要因素進行了正交試驗設計及建筑能耗模擬，運用數據分析軟件SPSS對模擬的結果進行多元線性回歸分析，得到了建筑全年采暖能耗、空調能耗及總能耗的預測方程，為嚴寒地區近零能耗居住建筑設計理論體系的構建提供量化數據的支持。

       1   建筑概況及初始模型的建立

       1.1   建筑概況

       沈陽建筑大學近零能耗示范建筑，位于沈陽建筑大學校園西南側。該示范建筑共有2層，1層層高3.3m，2層層高3.6m，總建筑面積334.8m²。1層為典型的居住建筑，包括示范房間（帶火炕），廚房，衛生間，會客室，展廳，控制室以及設備房等；2層包括開敞辦公區，會議室以及衛生間。充分利用太陽能、地熱能與相變儲能技術，大大降低了化石燃料的消耗。

       示范建筑采用較好的外圍護結構保溫技術措施，傳熱系數達0.1W/(m²·K)；采用先進的外門窗密閉技術，氣密性8級。建筑體型系數為0.47，窗墻比：偏西側為0.09；偏南側為0.12；偏北側為0.12；偏東側為0.05。外觀圖如圖1所示。

圖1   建筑外觀圖

       1.2   初始模型的建立

       Dest軟件是由清華大學開發的建筑能耗分析軟件[3]，它基于CAD軟件平臺，易于操作，結果準確。對示范建筑進行能耗模擬與分析，首先要建立建筑物理模型，該模型能夠真實地反映出建筑的尺寸、布局、構造形式等。建筑能耗計算模型如圖2所示。

圖2   建筑能耗計算模型

2   正交試驗設計及建筑能耗模擬

2.1   正交試驗設計

       正交試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，正交試驗設計是分式析因設計的主要方法。國家經委已把普及和推廣正交試驗法列為全國重點推廣項目^[4]。
       影響建筑能耗的因素有很多，正交試驗中，不可能也沒必要對因素都加以考察。根據國內外的研究現狀以及研究方法等，本文選取外墻傳熱系數、屋面傳熱系數、外窗傳熱系數、外窗太陽得熱系數、南向窗墻比、北向窗墻比以及東西向窗墻比7個主要考察因素，影響因素及各因素的水平取值見表1。

       2.2   建筑能耗模擬結果

       運用SPSS軟件設計正交表，安排的試驗為18次，并對安排的試驗進行建筑能耗模擬，以建筑全年采暖能耗為例，結果見表2。

       3   多元線性回歸分析及建筑能耗預測模型

       3.1   回歸分析基本理論

       回歸分析法的特點是可以根據已經掌握的歷史數據或統計資料進行數據分析，進而找出建筑負荷或能耗與影響因素之間的相互關系，用數學表達式的形式表示出來[5]。
在前面的研究中，使用Dest-h建筑能耗模擬軟件對建筑采暖能耗、建筑空調能耗、建筑總能耗進行了多次的模擬，為了簡化分析以及將來的實際應用，擬用多元線性回歸分析方法來建立建筑能耗的預測方程，利用SPSS軟件中的多元線性回歸模塊進行回歸分析。

       3.2   建筑能耗預測模型的確立

       3.2.1   自變量的選取

       自變量的選擇是多元線性回歸分析的基礎，選擇自變量時，有兩點必須要重視：首先自變量必須與預測對象之間密切關聯；其次自變量之間應該避免有較強的線性關系。本次研究選取的變量如下：

       因變量：Y1為建筑采暖能耗指標；

       自變量：X1為外墻傳熱系數；X2為屋面傳熱系數；X3為外窗傳熱系數；X4為外窗太陽得熱系數；X5為南向窗墻比；X6為北向窗墻比；X7為東西向窗墻比。

       3.2.2   多元線性回歸分析

       本研究以建筑全年采暖能耗為例。利用正交試驗模擬得到的數據進行多元線性回歸分析，分析建筑采暖能耗指標與影響因素之間的關系，得出擬合的模型決定系數見表3。

表3   擬合的模型決定系數表

     （1）模型摘要

       從表3可以看出，模型擬合度R = 0.994，說明99.4%的預測可以用這個模型來預測，模型擬合效果較好，獨立性檢驗指標值為1.888接近2，表明殘差與自變量之間沒有明顯的相關性，二者相互獨立，自變量獨立性要求能夠較好的滿足。

     （2）顯著性分析

       模型的顯著性水平Sig = 0.000。當Sig＜0.05時，可以說明模型顯著。因此可以得到以下結論：回歸模型方程是顯著的，是可信的，拒絕原假設，即所有自變量對因變量都不會產生顯著影響，也就是說明至少有一個自變量會對因變量產生顯著的影響。

表4   顯著性分析表

  

     （3）模型系數分析

       利用之前正交試驗得到的建筑全年采暖能耗模擬得到的數據進行多元線性回歸分析，得到的結果見表5。

表5   模型各系數表

     （4）模型檢驗圖

       一般通過繪制殘差圖和正態概率圖判定正態假是否真實，如果真實，那么標準化殘差應該全部位于-2和+2之間，也就是在正態概率圖中分布在45度線附近。
圖3和圖4分別為模型的標準化殘差圖以及正態概率圖，從圖中可以看出，因變量滿足多元線性回歸正態性要求，近似服從正態分布。

圖3   標準化殘差直方圖	圖4   正態概率圖（標準P-P圖）

       圖5為因變量標準化殘差散點圖，該圖沒有發現明顯的異常點和影響點，表明該模型擬合的較好。

圖 5   因變量標準化殘差散點圖

       根據以上分析可知，建筑全年采暖能耗預測模型為：

       建筑全年空調能耗預測模型為：

       建筑全年總能耗預測模型為：

       3.3   建筑能耗預測模型誤差分析

       為了具體的評價預測模型的可靠性，除去之前所做的正交試驗的18種情況，又設定了30種不同影響因素之間的組合，分別利用建筑能耗模擬軟件和建筑能耗預測方程求出建筑能耗，并比較二者的結果。通過上面的計算，我們可以得出，用建筑能耗預測方程計算所得的結果與建筑能耗模擬軟件模擬所得的結果相差不大，相對誤差都比較小。

圖6   相對誤差散點圖

       使用建筑能耗預測方程對建筑采暖能耗、建筑空調能耗、建筑總能耗進行預測，其誤差都控制在10%以內。對于全年的建筑能耗預測結果，誤差控制在20%以內認為是可以接受的[6]。因此，本文利用多元線性回歸方法所得到的建筑能耗預測方程的預測結果是較為合理的，該模型是可以應用于沈陽市近零能耗建筑能耗分析中的。

       4   結論

       本文以沈陽建筑大學近零能耗居住建筑示范中心為研究對象，運用Dest-h建筑能耗模擬軟件建立模型，并運用正交試驗的方法對建筑全年能耗進行了模擬，運用數據分析軟件SPSS對建筑能耗模擬結果進行了多元線性回歸分析，得到了建筑采暖能耗、建筑空調能耗以及建筑總能耗與各個影響因素之間的方程式，并對方程進行了驗證，結果表明誤差較小，驗證了方程的準確性。該建筑能耗預測方程對沈陽市近零能耗居住建筑的研究有一定的實用性。

參考文獻

       [1] 中國國家統計局. 中國能源統計年鑒（2002~2014）.北京:中國統計出版社.

       [2] 仇保興.發展節能與綠色建筑刻不容緩[J].中國經濟周刊,2005,(9):11.

       [3] 潘毅群. 實用建筑能耗模擬手冊[M]. 中國建筑工業出版社, 2013.

       [4] 田勝元. 實驗設計與數據處理[M]. 1988.

       [5] 莫甘茗. 基于多元線性回歸模型的建筑能耗預測與建筑節能分析[J]. 建材與裝飾, 2016(43).

       [6] 王偉良, 劉佳, 段景曉. 被動式太陽房朝向優化設計[J]. 城市建設理論研究:電子版, 2015(2).

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年3月刊總第19期。
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