引言社会对能源的需求量逐年扩大，但传统能源的节能潜力反而变得越来越低。节约能源成为当代社会的主要议题。目前在很多国家中，建筑能耗占总能耗40%，而其中欧盟国家建筑能耗的二氧化碳排放量占总排放量的36%[1]。据统计，2017年我国建筑能源消费总量为9.47亿吨标准煤，占全国能源消费总量21.10%[2]。由于建筑行业的能源消耗在总能耗中占有很大一部分比例，因此近零能耗建筑的研究对节能减排具有重大意义。建筑负荷的计算是整个设计的第一步，负荷计算尤为重要。目前的工程与研究领域，运用最广泛的建筑负荷计算方法主要包括建立物理模型计算和机器学习两种方法。邸芃[3]等使用DeST-h对夏热冬冷地区近零能耗住宅进行优化模拟，得到该地近零能耗建筑的最佳设计参数，但仍存在诸如建模过程复杂、计算时间过长等缺点，无法在工程应用上大范围推广。近些年随着计算机技术的发展，能够处理大量数据，因此诞生了基于大数据原理的机器学习方法。Biswas[4]等使用人工神经网络算法对TxAIRE项目中的建筑历史数据进行训练与预测，以此说明人工神经网络算法在预测建筑耗电量时准确度较高。Zhang[5]等对位于新加坡一所大学中的一栋建筑进行数据采集，使用支持向量机算法对其进行训练，并使用差分进化算法对支持向量机中的参数优化。Yu[6]等对建筑能耗数据进行决策树算法的训练以及预测。以上研究均能表明，用机器学习方法进行建筑负荷的预测可以缩短时间、节省人力。但因我国能耗数据库不完善，该方法并不适合我国国情。针对以上两种方法的不足，对典型近零能耗建筑进行负荷模拟。通过分析该地区近零能耗建筑的负荷，得出该典型建筑设计参数的适用范围。并对模拟结果进行统计学分析，得出该地区建筑热负荷的设计经验值，为工程设计提供参考。1基础建筑负荷模拟将建筑设计参数输入到DeST中进行负荷模拟，得到基础建筑的负荷值并验证准确性，为后面的设计参数普适性分析以及统计学方法的应用提供数据支撑。1.1建筑基础信息建筑模型为沈阳市某近零能耗建筑示范中心（以下简称“示范中心”），该示范中心位于严寒地区，示范中心外观图如图1所示。使用钢框架与现浇聚苯颗粒泡沫混凝土墙体作为主体结构，且主体为H型钢结构，屋顶为平屋顶。示范中心外观尺寸为18 m×8.4 m×6.9 m，总面积302.4 m2，体形系数0.54。示范中心共地上两层，第一层层高3.3 m，第二层层高3.6 m。设计平面图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F001图1沈阳市某近零能耗建筑示范中心外观图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F002图2示范中心设计平面图（mm）1.2软件选取DeST软件使用状态空间法对房间的热过程进行动态模拟[7]，能够准确地模拟建筑的负荷情况。关于DeST软件在负荷模拟的准确性，张晓亮[8]等使用上海与北京地区的建筑进行住宅优化分析，证明DeST软件在建筑负荷模拟的准确性。文中使用DeST模拟软件进行负荷模拟，分析示范中心的参数适用性以及负荷经验值。1.3建筑模型建立根据基准建筑信息，建立能耗计算模型如图3所示。围护结构参数如表1所示，示范中心窗户参数如表2所示。示范中心的外墙传热系数为0.099 W/(m2·K)；屋面传热系数0.090 W/(m2·K)；地面传热系数0.113 W/(m2·K)。根据表1和表2的信息可知，示范中心的外围护结构热工性能参数已经达到《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）标准。标准中规定，严寒地区公共建筑屋面平均传热系数为0.10~0.20 W/(m2·K)，外墙为0.10~0.25 W/(m2·K)，地面为0.20~0.30 W/(m2·K)，外窗（包括透光幕墙）不大于1.2 W/(m2·K)。内扰设置全部遵循DeST中相应房间的默认设置。不同房间的内扰在不同时刻可能不同，但总体符合《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）的标准，标准中人员、设备、照明内热设置如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F003图3示范中心的DeST模型10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.T001表1示范中心围护结构参数建筑结构材料名称材料厚度/mm导热系数/［W/（m·K）］热阻值/［（m·K）/W］修正系数外墙聚合物抗裂砂浆5.000.9300.0051.00石墨EPS板300.000.0338.6811.20自保温墙体120.000.1001.2001.00硅钙板10.000.2400.0421.00屋面防水卷材5.000.9300.0051.001∶3水泥砂浆20.000.9300.0221.00挤塑板280.000.02810.0001.00ALC板120.000.1300.9231.00地面面层20.000.9300.0221.00混凝土地暖（铝箔）100.001.3000.0771.00挤塑板240.000.0288.5711.00混凝土垫层80.001.3000.0621.0010.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.T002表2示范中心窗户参数组成窗体传热系数/［W/（m2·K）］气密性/级6 mmlow-E＋18（Ar）＋5mmlow-E＋18（Ar）＋6 mmlow-E1.0810.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.T003表3《近零能耗建筑技术标准》中人员、设备、照明内热设置建筑类型房间类型人均占地面积/m2设备功率密度/（W/m2）照明功率密度/（W/m2）照明开启时长/（h/月）办公建筑办公室10139240大堂门厅2005270设备用房0050住宅建筑卧室3266180厨房32246180洗手间006180楼梯间00001.4基准建筑的能耗模拟分析运行DeST能耗分析软件，得到基础建筑的负荷情况如表4所示。全年累计热负荷指标30.56 kWh/m2，全年累计冷负荷指标39.22 kWh/m2，该建筑热负荷小于冷负荷。全年逐时空调负荷分布情况如图4所示，对比可知，基本符合近零能耗建筑的负荷分布规律。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.T004表4示范中心在沈阳地区的负荷模拟结果项目统计统计值总空调面积/m2302.40全年累计热负荷/（kWh/m2）9 241.54全年累计冷负荷/（kWh/m2）11 859.85全年累计热负荷指标/（kWh/m2）30.56全年累计冷负荷指标/（kWh/m2）39.22采暖季热负荷指标/（W/m2）8.28空调季冷负荷指标/（W/m2）13.8110.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F004图4示范建筑全年逐时空调负荷2建筑参数的适应性分析近零能耗建筑的冷负荷与热负荷之比在3/2左右，且冷负荷小于热负荷[9-10]。利用这一规律验证该示范中心的设计参数是否具有普适性。将DeST建立的建筑模型的地点更换为长春和哈尔滨，分析其负荷结果是否也能符合近零能耗建筑的负荷规律，以此判断该示范中心的设计参数在严寒地区是否具有普适性。再将地点更换为辽宁省内其他城市，分析负荷结果，判断设计参数在辽宁省内是否具有普适性。2.1在严寒地区的适应性分析将软件中的地点改为位于严寒气候区的长春和哈尔滨，能耗结果如表5所示。该建筑在长春地区的全年累计热负荷指标40.22 kWh/m2，累计冷负荷指标27.18 kWh/m2。在哈尔滨地区的全年累计热负荷指标54.24 kWh/m2，累计冷负荷指标24.61 kWh/m2。两地热负荷均大于冷负荷，皆不符合近零能耗建筑负荷规律，说明该示范中心的参数设计并不适用于长春与哈尔滨两地，设计参数在严寒气候区并没有普适性。但由于出色的围护结构设计以及内扰控制，负荷指标依旧远小于普通建筑。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.T005表5示范中心在沈阳、长春以及哈尔滨地区负荷模拟结果地点项目统计统计值沈阳全年累计热负荷/（kWh/m2）9 241.54全年累计冷负荷/（kWh/m2）11 859.85全年累计热负荷指标/（kWh/m2）30.56全年累计冷负荷指标/（kWh/m2）39.22采暖季热负荷指标/（W/m2）8.28空调季冷负荷指标/（W/m2）13.81长春全年累计热负荷/（kWh/m2）12 162.40全年累计冷负荷/（kWh/m2）8 219.78全年累计热负荷指标/（kWh/m2）40.22全年累计冷负荷指标/（kWh/m2）27.18采暖季热负荷指标/（W/m2）10.00空调季冷负荷指标/（W/m2）9.52哈尔滨全年累计热负荷/（kWh/m2）16 403.31全年累计冷负荷/（kWh/m2）7 442.35全年累计热负荷指标/（kWh/m2）54.24全年累计冷负荷指标/（kWh/m2）24.61采暖季热负荷指标/（W/m2）12.74空调季冷负荷指标/（W/m2）9.07冯国会[11]等研究发现，南向窗墙比与外窗的传热系数以及外窗太阳能得热系数（SHGC）对近零能耗建筑的冷热负荷影响程度很高。改变示范中心的外窗类型与南向窗墙比，进一步探究南向窗墙比对设计参数的影响。示范中心外窗品牌种类参数如表6所示，不同外窗品牌种类的冷、热负荷随南向窗墙比变化如图5所示。由图5可知，无论外窗如何选择，热负荷都随南向窗墙比的增大而降低，冷负荷都随南向窗墙比的增大而升高。外窗选择A品牌P160、A品牌P120和B品牌PAS125的条件下，示范中心的热负荷一直高于冷负荷，只有当南向窗墙比取极限值0.45时，二者大致相等。在外窗选择B品牌78系列和A品牌S86的条件下，热负荷与冷负荷之间存在重合点，且在窗墙比处于0.375~0.4之间的某一点时，二者相等，随后热负荷继续减少，冷负荷继续增加，此时热负荷小于冷负荷，直到南向窗墙比到达极限值0.45。但在窗墙比达到0.45时，使用B品牌78系列与A品牌S86的冷热负荷之比分别为0.86、0.87，仍不符合近零能耗建筑的负荷规律。因此在该示范中心其他设计参数都固定的情况下，无法通过改变窗户类型与南向窗墙比使其适应于长春地区，即该示范中心的设计参数在严寒气候区不具有普适性。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.T006表6示范中心的外窗品牌种类参数品牌种类传热系数/［W/（m2·K）］SHGC可见光透射比气密性/级水密性/级抗风压性/级A品牌P1600.60.4240.5670.30/9700/65 000/9A品牌P1200.80.4390.6290.30/9700/65 000/9B品牌PAS1250.90.4500.6700.20/8600/55 000/9B品牌78系列1.00.5230.7100.20/8600/55 000/9A品牌S861.10.5330.6500.30/9700/65 000/910.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F005图5长春地区不同外窗品牌种类的冷、热负荷随南向窗墙比变化2.2辽宁省地区的适应性分析将软件中的地点改为辽宁省内其他地区，具体地区以及相应的负荷值如表7所示。其中只有新民地区的热负荷与冷负荷比值为0.63，接近2/3。说明该示范中心的设计参数只适用于沈阳与新民两地，即该近零能耗建筑的设计参数在省内并没有普适性，但总体规律都是热负荷不大于冷负荷。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.T007表7省内不同地区全年累计负荷值地区全年累计热负荷/kWh全年累计冷负荷/kWh热负荷/冷负荷本溪8 933.799 745.560.91朝阳6 394.512 725.960.50大连4 177.4414 038.980.29丹东5 524.9611 442.610.48锦州5 935.1212 717.520.46宽甸8 155.188 075.781.00新民7 385.7111 701.860.63兴城5 415.3413 930.050.38营口6 042.0413 044.010.46彰武9 154.6210 559.620.863近零能耗建筑负荷分布规律通过改变该示范中心的围护结构参数，并使用DeST进行900组能耗模拟。将模拟结果进行数据描述，得到样本的平均值与中位值等统计量，使用P-P图与去趋势P-P图验证负荷的分布规律，得到负荷的工程经验值。3.1原始数据获取冯国会[11]等研究发现，影响建筑负荷水平的因素从大到小依次为外窗热工性能、南向窗墙比（供冷敏感性）、外墙传热系数、屋顶传热系数、南向窗墙比（供热敏感性）、地面传热系数以及遮阳，建筑变量及相关参数如表8所示。各个变量的类型皆为离散型，符合《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）的标准。标准中规定，南向窗墙比的变化范围为0.1~0.45，而屋面传热系数与外窗传热系数的取值范围在1.3节中已经进行过阐述。外窗根据表5进行选择，因此外窗的传热系数与SHGC值一一对应。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.T008表8建筑变量及相关参数变量范围步长屋面传热系数｛0.180，0.223｝—外窗传热系数｛0.6，0.8，0.9，1.0，1.1｝—外窗SHGC｛0.424，0.439，0.450，0.523，0.533｝—南向窗墙比0.1~0.450.04将模拟结果汇总，热负荷与冷负荷数据描述如表9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.T009表9热负荷与冷负荷的数据描述描述项热负荷冷负荷平均值31.5438.94平均值的95%置信区间（下限）31.3338.72平均值的95%置信区间（上限）31.7539.16中位数31.5238.82方差10.6511.70标准偏差3.2633.420最小值22.5933.15最大值40.3247.25范围17.7414.10kWh/m2由表9可知，本次研究中共有900组有效数据，其中热负荷变化范围为22.59~40.32 kWh/m2，平均值为31.54 kWh/m2。冷负荷的变化范围为33.15~47.25 kWh/m2，平均值为38.94 kWh/m2。3.2数据分析运用SPSS软件对热负荷与冷负荷的分布情况进行分析，热负荷与冷负荷分布箱形图如图6所示。由图6可知，热负荷箱形图中腹部分布较为均匀，而冷负荷箱型图中腹部位置偏下，且二者的中位数大概分布在箱型图腹部的中间位置，说明热负荷数值较为均匀地分布在0~100%区间，而冷负荷数值则较为集中地分布在0~50%区间内。结合表9与图6可知，热负荷与冷负荷的平均值与中位值相差较小，热负荷的数据分布可能服从正态分布[12-13]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F006图6热负荷（左）与冷负荷（右）分布箱型图热负荷P-P图如图7所示。正态P-P图中数据基本分布在45°线上，且其去趋势P-P图中数据点的分布也基本关于X轴对称。由此得出，沈阳及新民地区的近零能耗建筑的热负荷服从均值31.54，方差10.65的正态分布。热负荷正态分布直方图如图8所示。根据贝叶斯定律得出，沈阳及新民地区的近零能耗建筑的热负荷值在31.54 kWh/m2左右。该值可用于工程上热负荷的经验值。对于冷负荷假设其负荷正态分布的情况下，得出冷负荷P-P图如图9所示。图中大多数数据并没有分布在45°线上，且其去趋势P-P图中数据点也没有关于X轴对称。因此判定冷负荷并不服从正态分布。继续进行对数正态分布验证，得到对数正态P-P图与去趋势对数正态P-P图，如图10所示。结果表明，冷负荷也不服从对数正态分布，即对于冷负荷并没有像热负荷一样可以直接用到工程上的经验值。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F007图7热负荷正态分布P-P图与去趋势正态分布P-P图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F008图8热负荷的正态分布直方图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F009图9冷负荷正态分布P-P图与去趋势正态分布P-P图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F010图10冷负荷对数正态分布P-P图与去趋势对数正态分布P-P图4结语对位于沈阳地区的近零能耗建筑进行负荷模拟，并使用统计学方法对负荷值分析。从这些负荷数据中得出以下结论：（1）位于严寒气候区的近零能耗建筑的设计参数不具有普适性。且沈阳地区的近零能耗建筑的设计参数只适用于新民地区，并不适用于省内其他地区，即沈阳地区的近零能耗建筑的设计参数在省内不具有普适性。（2）沈阳地区近零能耗建筑的热负荷分布服从均值31.54，方差10.65的正态分布，即沈阳与新民地区的热负荷经验值为31.54 kWh/m2，而对于冷负荷则并没有适用于工程上的经验值。（3）在工程实践上，不同城市的近零能耗建筑的参数设计并不相同，每一个城市的近零能耗建筑设计都需要进行设计参数的优化计算。沈阳地区的热负荷经验值对工程上建立模型有一定指导性，通过估算也能大致对建筑中的供热设备选型，提高设计阶段的效率。