一、引言

灵敏度分析在理解复杂模型上发挥着重要作用，它有助于确定输入参数对输出的相对影响。在建立建筑能耗模型期间，通过灵敏度分析和模拟工具的有效结合，可以对输入参数的影响力进行有效的排名，以此来在建模过程中对细节进行最恰当的调整。因此，灵敏度分析在建筑领域有着广泛的应用，例如建筑设计、能耗模型校正、建筑节能改造以及空气变化对建筑的影响研究。

本文将在国内外学者研究的基础上，对借助EnergyPlus建立的标准办公建筑模型进行灵敏度分析，为下文的自动校正打下基础。

二、建筑能耗模拟仿真软件EnergyPlus简介

1  EnergyPlus整体结构

EnergyPlus是一个全能耗模拟软件，是许多程序模块的集合，通过互相的配合来计算加热和冷却建筑物所需的能耗。不同于BLAST和DOE-2的顺序模拟思路，EnergyPlus以房间热平衡计算为基础，体现整体模拟的思想。换句话说，其他两个软件的系统模拟方法御序执行的，这种方法首先需要计算每个建筑区域的负荷，然后进行空调系统的模拟计算，也就是计算空气处理机组、风机盘管、新风机组等的能耗量，最后计算冷热源的能耗量，彼此之间不存在反馈。由于暖通空调系统设备负嗬反馈的缺失，这种模拟方法会导致区域温度模拟不准确。在EnergyPlus仿真过程的每个时间步长中，负荷、系统和设备三大部分都同时进行着模拟计算，不分先后顺序，具体步骤如下:第一步，根据气象参数、区域环境的温湿度参数和实际建筑物的围护结构情况，计算热负荷;第二步，能耗模拟软件根据上一步的负荷状况计算出设备负荷，并反馈给热质平衡模块，接着对比房间负荷与设备负荷，如果两者不匹配，则在反馈负荷状况的基础上，对室内热环境的状态值进行相应的调整。由于区域温度与系统容量、设备选型、人员舒适性等方面紧密相关，因此这种存在反馈的模拟思路解决了DOE-2和BLAST的温度模拟不准确的问题。整体模拟还使用户对一些过程进行比较符合实际的仿真，例如辐射供暖和冷却系统、实际的系统控制等，这些是BLAST和DOE-2无法做到的。

模拟管理器控制整个的仿真进程。建筑系统模拟管理器处理热平衡引擎和各种暖通空调模块之间的通信，例如线圈、锅炉、制冷机、水泵、风扇和其他设备/组件。DOE-2和BLAST的“模板”系统一去不复返，取而代之的是用户可以自己设定的加热和冷却设备组件。·这给用户在模拟实际建筑时带来了更大的灵活性。

近五十年来，己涌现出几百种不同的建筑能耗模拟仿真软件，各具特点。本文将当前应用较多的几款建筑能耗仿真软件从三个方面进行了对比，包括DOE-2, BLAST, IBLAST和EnergyPlus，结果在表2-1、表2-2和表2-3进行了展示1521。其中，表2-1展示了不同仿真软件在主要特征和功能上的不同;表2-2展示了不同仿真软件在负荷计算功能上的差别;表2-3主要是不同仿真软件在HVAC系统的特征差别。

2  EnergyPlus-IDF模型简介

Energyrlus采用热平衡法来计算负荷，根据能量守恒定律，建立建筑外表面、建筑体、建筑内表面和室内空气的热量平衡方程，在此基础上联立求解方程组来计算室内瞬时负荷。假设室内空气充分混合，温度分布均匀，并且房间各个表面温度平均并且唯一，我们可以将整个过程可以分为外墙外表面的热平衡、墙体导热过程、外墙内表面的热平衡和房间空气热平衡。

在EnergyPlus负荷计算中，房间空气热平衡是计算的基础，采用导热传递函数法(Conduction Transfer Function, CTF)来计算墙体传热。假设在每个时间步长达到准稳态热平衡，忽略房间比容的情况下，房间内空气热平衡的模型如式(2.1)所示。

外墙的导热过程如图2-2所示。其中，Ta和qko分别为建筑墙体外表面温度和外表面导热热流;不和qko分别为墙体内表面温度和内表面导热热流。

CTF法可以将当前的导热热流表示为当前的表面温度和先前时刻的表面温度和导热热流的关系式。墙体内表面的导热热流如式(2.2)所示。

公式中变量的下标，逗号后为时刻，时间步长为，CTF的项数nz视取决于墙体构造，也取决于计算CTF的方法。

三、标准办公建筑能耗模拟

常见的办公建筑通常具有一些特征，例如楼层较高;照明和设备的使用时间比较固定，人员活动也比较规律:一般统一安装了集中式的空调系统;部分办公建筑中还包含了其他的建筑用途。

本文所研究的是专用的办公建筑，不具备其他建筑用途。由于建筑进深过大或者采用彩色玻璃外窗导致不能充分利用自然光线，因此室内采光主要依靠照明设备:作为专用办公建筑，为了满足日常办公需要，应该具备基本的办公设备，包括计算机、电热水器和打印机等;这种办公建筑的密封性非常好，而且常见的办公建筑通常具有较大的窗墙比，不适合采用自然通风，因此室内空气品质及热舒适性由强制通风或者空调系统来控制。这些构成了办公建筑能耗的主要组成部分，即照明能耗、设备能耗和空调系统能耗。

1  标准办公建筑描述

为了简化模型，本文研究的建筑对象限定为大型高层办公建筑，避免购物、餐饮、娱乐等功能带来的额外研究工作。

我们将标准建筑的地理位置设定在山东省济南市，位于北纬360，东经117年平均气温14C，具体的天气情况采用EnergyPlus官方提供的济南地区气象数据文件。

根据办公建筑的常见情形，设定标准办公建筑共11层，层高3.5米。文中对标准办公建筑模型进行简化，人为假定该标准建筑各层各项特征比例均相同，即都为标准层。办公建筑标准层的形状多种多样，有条形、方形、圆形、三角形、U型等，其中以条形和方形最为常见。对于标准层为条形的建筑来说，由于外墙面积过大导致体形系数过大，不利于节能，因此在本标准建筑标准层选择为方形建筑。标准层为方形(长宽比在1-2之间)的办公建筑平面规整，便于空间上的划分使用;外墙面积较小，而内部使用面积较大，经济节能;而且方形的体型结构合理，可适用于各种高度的办公建筑，尤其在超高层方面表现出突出优势。本文中的标准层采用长宽比为1.67的方形设计，面积为1500平方米，层高为3.5米。建筑朝向为南北方向r各朝向窗户材质相同，窗墙比为0.5.

建筑物的围护结构对建筑物的能耗有很大的影响，在EnergyPlus软件中提供了许多常见材料的输入参数，用户也可以自己进行定义，但是不同的是，在EnergyPlus中，对于外墙、内墙、屋顶、天花板和地板来说，我们可以有两种输入参数的方式，第一种输入参数是比热、厚度、传导率、密度等参数，第二种的输入参数是表面换热阻，也就是传热系数的倒数，为了在以后的灵敏度分析工作中减少参数个数，这里选择第二种输入方式。设定标准办公建筑围护结构中的外墙和屋顶的参数如表2一所示。

对于外窗来说，同样不是传统意义上的传热系数，而是厚度、直射太阳光传导率、直射可见光传导率等参数。在标准建筑中，我们设定建筑围护结构中采用的6 mm的单层透明玻璃，传导率设定为0.9。

建筑的能源为电力和燃气，其中燃气主要用于冬季热水、供暖等。为了简化分析，本文中的能源消耗只讨论用电量，不包括冬季采暖的燃气消耗。标准办公建筑模型涉及到的主要室外设计参数和室内设计参数如表2-6和表2-7所示。标准办公建筑空调系统为变风量空调系统，热源为蒸汽锅炉。

2  将标准建筑模型的相关参数输入到EnergyPlus中，经过仿真模拟计算可以得出以下仿真结果。

从图2-4中可以看出，在7月份和8月份的时候，耗电量最高，因为在这两个月份期间，济南地区正处夏季，温度炎热，空调系统开启，空调系统用电量明显增加。

通过模拟仿真，标准建筑全年能耗数据为1669524.39 KWh，标准建筑的总面积为1500*11平方米，也就是16500平方米。从图2-5中可看出，该标准建筑单位面积耗电量为101.18 kWh/(m2·年)，其中照明能耗占32%，设备能耗占31%，空调系统能耗占37%，该比例和单位面积耗电量均符合常见办公建筑能耗数值[571，因此该标准建筑具有一定的普遍性和实用性，可以在下一步的灵敏度计算中使用。

四、 EnergyPlus模型中可校正参数分析

在建筑能源分析的不同领域，灵敏度分析的方法大致相同。典型的灵敏度

分析步骤如下所述。

    1)确定输入变量;

    2)创建建筑模型;

    3)运行模型;

    4)收集模拟数据;

    5)进行灵敏度分析;

    6)展示灵敏度分析结果。

在灵敏度分析的基础上，进行模型校正时，可以对输出影响大的关键变量进行优先调整，这样的校正步骤可以大大提高模型校正的效率和准确度。因为本文基于EnergyPlus基础上的，因此该部分的灵敏度分析也要结合EnergyPlus来进行分析。

·模型参数

EnergyPlus的模型文件中主要包括了仿真参数、气象参数、围护结构、HVAC和Report五大模块。

.仿真参数

在EnergyPlus的建筑模型中有很多软件仿真运行必需的参数，如版本、时间步长、系统收敛极限、内部对流算法、外部对流算法、求解算法、阴影计算、运行控制和温区体积容量系数等，软件中需要首先对这些参数进行设定。

.气象参数

气象参数同样是EnergyPlus仿真运行所必需的，包括运行周期、设计日、建筑位置、地面温度和地面反射系数等，软件中也需要对这些参数进行设定。EnergyPlus支持导入本地的EPW文件来导入气象参数信息。

.围护结构

该部分的主要功能就是建立适用于EnergyPlus的建筑围护结构模型，主要包括建筑基本信息输入、建筑分区及表面生成、表面构造类型描述、子表面及热物质表面描述、构造库和材料库、内部得热描述、空气流动描述以及时间表定义。

该部分主要实现建筑系统中HVAC系统的搭建，主要包括设备的组态、设备参数和系统参数的输入。HVAC系统中包括22种设备类型，分别是锅炉、制冷机、盘管、连接部件、冷却塔、直接送风、风机、四管制风机盘管、并联泵、热交换器、.加湿器、混合器、分离器、外部空气混合器(混合风箱)、管道、水泵、外购、辐射设备、单管送风、冰蓄冷、温区和设备之间的连线。每个设备有相对应的设备参数，整个建筑系统同时需要时间表类型、时间表、循环、分支等系统参数来构建。

.Report

EnergyPlus运行的输出结果存储在ESO文件和Meter文件中，这些输出变量由用户自定义，也就是说，用户需要在IDF文件中添加相应的Report变量，EnergyPlus运行后才会输出相应的变量变化结果。

2  可校正参数分析

在这5大类输入参数中，仿真参数用来控制EnergyPlus的运行，Report参数用来对输出内容进行自定义，对仿真建筑模型的能耗没有影响，对于气象参数，EnergyPlus使用的是官网提供的天气文件，因此也不需要进行调整。

在以上讨论的基础上，本文考虑的EnergyPlus模型参数从围护结构和HVAC的相关参数变量中选取。在这两大类中，.通过对论文文献的查阅，对建筑总能耗影响比较明显的因素是整栋建筑的围护结构负荷、内部得热以及空调系统的一些参数。

1)能够直接影响整栋建筑的围护结构负荷的是屋顶、外墙和外窗所使用材料的特征参数，也就是屋顶、外墙、外窗的传热系数和外窗的遮阳系数。不仅围护结构的材料传热系数会直接影响到整栋建筑的受热，建筑物的窗墙比以及整个建筑的北向夹角也会间接影响到整栋建筑的受热。在以上所述参数中，屋顶传热系数是影响力比较小的。

2)在内部得热中，主要影响参数包括照明功率密度、设备功率密度和人员密度;

3)在空调系统中，主要影响参数包括新风量、夏季室内设计温度、制冷机COP、风机效率和水泵效率，

由于本文研究的是大型办公建筑，楼层数量很多，屋顶相对于外墙来说，属于建筑外接触面积比较小的一部分，对建筑能耗的影响可以忽略不计[601，因此不对屋顶进行灵敏度分析。

综上所述，本文将对外墙传热系数、外窗传热系数、遮阳系数、窗墙比、北向夹角、照明功率密度、设备功率密度、人员密度、夏季室内设计温度、制冷机COP、风机效率和水泵效率和新风量共13个参数进行灵敏度分析。

对于外墙来说，虽然在EnergyPlus中输入的参数为材料换热阻，但是在以后的描述中，由于传热系数使用更为普遍，因此为了便于读者的理解统一进行倒数转换后，使用材料的传热系数来代替。对于外窗来说，由于标准建筑无其他遮阳，因此用窗户的遮蔽系数来代替，外窗玻璃的遮蔽系数可以用式((2.4)来计算。

由于太阳光的直接反射比相比子直接透射比来说可以忽略不计，因此根据式((2.6)，我们可以认为遮蔽系数直接同试样的太阳光直接透射比相关，在后面的灵敏度分析中，以玻璃的太阳光直接透射比来进行分析。

对比上面13个参数，EnergyPlus中相对应的输入参数如表2-8所示。

在对选定的13个参数进行灵敏度参数分析时，对于每一个参数，在合适的取值范围内，采用等差选取的方式选择5个值来进行下一步的灵敏度分析。13个参数的灵敏度分析取值如表2-9所示。

五、建筑能耗模型参数的灵敏度分析

利用己经建立的标准办公建筑的IDF模型，将表2-9中的灵敏度参数取值依次输入，运行EnergyPlus得到标准办公建筑全年总能耗、照明能耗、设备能耗和空调能耗。通过输出的各部分能耗数据，计算输入参数的总能耗、照明能耗、设备能耗和空调能耗变化率和平均能耗变化率，以此来表征该参数对建筑能耗的影响程度。

1  灵敏度分析评价指标

为了明确地显示各个参数对模型模拟输出能耗的影响程度大小，计算出每个参数对应的平均总能耗变化率、平均照明能耗变化率、平均设备能耗变化率和平均空调能耗变化率，并分别进行对比。平均能耗变化率的具体定义如下。平均能耗变化率甄就是各项QA,的平均值。

其中，戈表示基准参数的值，式表示该参数取基准值时的能耗输出，戈表示进行分析时输入参数的值，Aj表示取此值时的能耗。在此基础上，我们根据参数变化引起的建筑空调能耗、照明能耗、设备能耗以及总能耗变化率进行对比，来查看各个参数对建筑各类能耗的影响。值得注意的是，在计算过程中，统一将5个取值中的最后一个值作为基准值来进行评价指标的计算。

2  围护结构参数分析

在围护结构部分，我们需要进行分析的参数包括外墙传热系数、窗墙比、外窗热传导率、外窗直接太阳光透射比和北向夹角。在EnergyPlus中输入对应参数，经过仿真运算我们可以得出标准建筑总能耗、照明能耗、设备能耗和空调能耗，如表2-14所示。

从表中结果看出，对于围护结构的5个参数，对于不同的参数取值，照明能耗和设备能耗都是不变的，因此在下一步将只对空调能耗和建筑物总能耗进行分析。在进行能耗变化率计算时，均选取5个取值的最后一个值作为灵敏度分析的对比值。分析结果如表2-11所示。

从以上分析结果可知，对于Energyplus的标准建筑模型来说，窗墙比、外窗直接太阳光透射比和外墙的传热系数对空调能耗都有着很大的影响，外窗的热传导率和北向夹角对建筑能耗的影响相对较小。

3  内部得热参数分析

在内部得热部分，我们需要进行分析的参数为照明功率密度、设备功率密度和人员密度。在EnergyPlus中输入对应参数，经过仿真运算我们可以得出标准建筑总能耗、照明能耗、设备能耗和空调能耗，如表2-12所示。

从表中结果看出，对于内部得热的3个参数，照明功率密度影响了照明能耗和空调能耗，设备功率密度影响了设备能耗和空调能耗，人员密度只影响空调能耗。因此该部分的灵敏度分析如表2-13所示。

由表2-13结果可知，随着照明、设备功率密度的增大和人员密度的减小，标准建筑模型的总能耗输出随之增加。其中，对照明能耗有直接影响的是照明功率密度，同理可知，对设备能耗有直接影响的是设备功率密度。同时，由于照明和设备在室内会散发热量，间接影响了房间的冷负荷，因此可以看到照明、设备功率密度对空调能耗还有影响。人员密度的增加对空调能耗有着显著的影响，原因同照明和设备相同，人类在室内的活动也会引起散热，造成空调能耗相对增大。

4  空调系统参数分析

在空调系统部分，我们需要进行分析的参数为夏季室内设计温度、制冷机COP、风机效率、水泵效率和新风量。在EnergyPlus中输入对应参数，经过仿真运算我们可以得出标准建筑总能耗、照明能耗、设备能耗和空调能耗，如表

5  各参数敏感性对比

为了更加直观的看出每个参数变化对能耗输出的影响，我们将13个参数的对建筑总能耗、照明能耗、设备能耗、空调能耗的影响程度分别展示在图2-6,图2-7、图2-8和图2-9中。

从图2-6中可以看出，只有设备功率密度对设备能耗具有直接影响，其他参数对设备能耗没有影响。

从图2-7中可以看出，只有照明功率密度对照明能耗具有直接影响，其他参数对设备能耗没有影响。

从图2-8中可以看出，各个参数均对建筑空调能耗有影响，影响程度较大的参数是新风量、风机效率、制冷机COP，夏季室内设计温度、人员密度、设备功率密度、照明功率密度、窗墙比和外墙传热系数。整体来说，虽然围护结构对空调能耗也有影响，但是相比于空调系统部分的制冷机COP、夏季室内设计温度、风机效率和内部得热部分的设备功率密度、照明功率密度和人员密度，围护结构对空调系统能耗的影响程度非常小。因此，在不要求高精确度的情况.下，可以不对这部分参数进行校正。

从图2-9中可以看出，各个参数均对建筑能耗总和有影响，影响程度较大的参数是新风量、风机效率、制冷机COP，夏季室内设计温度、人员密度、设备功率密度、照明功率密度、窗墙比和外墙传热系数。由于建筑能耗总和包括了照明能耗和设备能耗，因此相对于空调能耗，照明功率密度和设备功率密度对建筑总能耗的影响力大幅提升，而围护结构部分参数对建筑能耗总和的影响程度相比其他部分依旧比较小。

六、总结

在本章中，通过对度分析，在本文所建立的标准建筑和Energ沙lus仿真软件的基础上，我们可以得出如下结论。

1)在围护结构的五个参数，外墙传热系数、窗墙比、外窗热传导率、外窗太阳光直接投射率和北向夹角中，外墙作为建筑物最大的外表面对建筑能耗有着显著影响;窗墙比参数虽然影响也非常显著，但是在建筑建成之后，窗墙比应该是一个确定值，因此虽然影响力很大，但是在后期建模校正的时候，并不适合作为其中的参数参与校正;外窗太阳光直接透射率对建筑能耗也具有很大的影响。总体来说，外墙和外窗对建筑能耗的影响比较大。

2)在内部得热的三个参数的分析中，随着照明功率密度、设备功率密度的增大和人员密度的减小，标准建筑模型的总能耗输出随之增加。照明功率密度和设备功率密度分别对照明能耗和设备能耗有着直接的影响，同时还影响着空调能耗。人员密度的增加对空调能耗有着显著的影响。总体来说，3个参数对建筑能耗有着较为显著的影响。

3)在空调系统的五个参数中，制冷机COP对模拟仿真建筑能耗影响最大，其次是夏季室内设计温度，新风量对建筑空调具有一定影响，风机效率和水泵效率的影响相对较小，相比之下风机效率稍大。