基于Stackelberg策略的裝配式建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

孫 嫻 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院博士研究生在讀、建筑師

隨著人們生活水平的不斷提高，人們開始注意到建筑的質(zhì)量問題，裝配式建筑隨之進(jìn)入人們的視野[1]。在設(shè)計(jì)裝配式建筑的過程中，基于節(jié)能理念，運(yùn)用Stackelberg 策略降低建筑施工消耗的成本，對(duì)裝配式建筑進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)并制定最佳節(jié)能方案。

一、裝配式建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

1、裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

我國的裝配式建筑體系大致分為三類：分別是裝配式木結(jié)構(gòu)體系、裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系。裝配式木結(jié)構(gòu)體系對(duì)木材需求較高，多存在于我國南方地區(qū)。鋼結(jié)構(gòu)體系廣泛適用于超高層建筑和跨度較大的建筑[2]。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系又被稱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，中高層及高層建筑基本都是采用混凝土結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)。使用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系作為建筑的結(jié)構(gòu)體系時(shí)，在室內(nèi)添加剪力墻，能達(dá)到保溫效果，因此，嚴(yán)寒地帶基本選擇裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系。

2、裝配式建筑圍護(hù)部分節(jié)能設(shè)計(jì)

（1）建筑外墻設(shè)計(jì)

外墻保溫是所有保溫體系的基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)建筑外墻時(shí)應(yīng)首先計(jì)算墻體厚度并選擇適宜的保溫材料。我國的住宅型建筑將墻體厚度算在房屋面積之內(nèi)，因此房屋墻壁越厚，所得實(shí)際房屋面積越小，建筑設(shè)計(jì)師應(yīng)在保證足夠的供暖及保溫效果的前提下盡量減小墻體厚度，并選用合適的保溫材料[3]。為了延長保溫材料的壽命，現(xiàn)今的建筑開始使用夾層保溫的方式。

（2）建筑門窗設(shè)計(jì)

建筑外門窗占地面積不大，但卻是整個(gè)裝配式建筑節(jié)能體系中能耗最大的部分。在進(jìn)行建筑節(jié)能的門窗設(shè)計(jì)時(shí)，首先要保證建筑門窗的保溫性能，其次要考慮門窗的采光度，最后要考慮價(jià)格等問題。因玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)較高，因此單層玻璃的保溫效果極差，應(yīng)采用雙層玻璃或雙層真空玻璃的塑鋼門窗作為裝配式節(jié)能建筑的門窗。

（3）建筑屋頂設(shè)計(jì)

我國的建筑大都只有五面裸露在外的墻壁，分別是東西南北四面墻壁外加屋頂，因此設(shè)計(jì)屋頂時(shí)既要考慮防水效果也要考慮保溫效果?，F(xiàn)階段，我國的屋頂構(gòu)造以平頂略帶坡度為主，少部分南方多雨地區(qū)為坡頂構(gòu)造。無論是什么類型的建筑屋頂，其最外層都是一層防水材料。平頂構(gòu)造和坡頂構(gòu)造的保溫材料放置有一定的位置差距，具體情況如圖1 所示。

圖1 保溫材料位置

如1 圖所示坡頂構(gòu)造的保溫材料分布在尖頂連接部位和夾心部位，而平頂構(gòu)造的保溫材料僅分布于夾心部位。若是以裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系為主導(dǎo)的建筑設(shè)計(jì)，則平頂構(gòu)造的鋼板間隙處也應(yīng)填充保溫材料。

3、基于Stackelberg 判斷節(jié)能實(shí)現(xiàn)主體

若將售賣節(jié)能相關(guān)產(chǎn)品的公司和用能單位看作整個(gè)節(jié)能產(chǎn)品銷售鏈，則可以得到如圖2 所示模型。

如圖2 所示，用能單位對(duì)外公布消息想要對(duì)建筑進(jìn)行節(jié)能改造，并在預(yù)期了跟隨方動(dòng)向的前提下計(jì)算成本敏感系數(shù)，與售賣節(jié)能相關(guān)產(chǎn)品的公司所提供的節(jié)能分配比進(jìn)行對(duì)比，跟隨方所提出的成本敏感系數(shù)較小，則可直接進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。如果跟隨方所提出的成本敏感系數(shù)較大，則表示本項(xiàng)目現(xiàn)有資金不足以做完該節(jié)能工作，繼續(xù)申請(qǐng)項(xiàng)目補(bǔ)貼。使用Stackelberg 策略進(jìn)行建筑節(jié)能，能最大限度地降低成本，節(jié)省項(xiàng)目資金，達(dá)成節(jié)能目的。

二、模擬實(shí)驗(yàn)

本文選擇中國北方某地區(qū)作為地理氣候數(shù)據(jù)，在清華斯維爾建筑節(jié)能軟件的輔助模擬運(yùn)行下，構(gòu)造節(jié)能建筑設(shè)計(jì)模型，分別使用本文基于Stackelberg 策略的裝配式建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，得到最優(yōu)節(jié)能方案。

圖2 基于Stackelberg 的節(jié)能模型

1、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作

（1）地理位置及氣候參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)選擇北方嚴(yán)寒地區(qū)某市，屬溫帶大陸性氣候，冬季漫長寒冷，夏季簡短涼爽，四季分明。每年4 至5、9 至10 月為春秋兩季，十分短暫，溫度變化梯度較大。6 至9 月為夏季，降水量不足400 mm，平均氣溫23 至25 ℃。其余時(shí)間皆為冬季，最低氣溫為-30至-15 ℃，時(shí)常出現(xiàn)暴雪天氣。

（2）建筑平面圖

本實(shí)驗(yàn)采用裝配式建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)一個(gè)大概面積為200 m2的民用住宅，長50 m，寬40 m。室內(nèi)有3 個(gè)客廳、2 個(gè)衛(wèi)生間、1 個(gè)廚房和1 個(gè)客廳，具體平面圖見圖3。

如圖3 所示，平面圖左邊為南方。本實(shí)驗(yàn)建筑的結(jié)構(gòu)體系為混凝土結(jié)構(gòu)體系，在主臥和次臥1 中修建巨大的雙層真空玻璃窗，充分利用自然光和自然熱源，降低建筑內(nèi)部電能消耗，提升自然光的利用率。因該地區(qū)冬季過于寒冷，合理增加外墻厚度，盡量避免室內(nèi)溫度大量散失，節(jié)約冬季供暖能量。

2、實(shí)驗(yàn)過程

圖3 建筑平面圖

啟動(dòng)清華斯維爾建筑節(jié)能軟件，首先在軟件中找到本實(shí)驗(yàn)的所在城市，獲取當(dāng)?shù)貧夂騾?shù)，開始計(jì)算，得到冬日太陽高度角及建筑各部分所能獲得的日照強(qiáng)度。接著設(shè)置該建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括外墻傳熱系數(shù)、屋頂傳熱系數(shù)、門窗傳熱系數(shù)等，在設(shè)置系數(shù)的過程中需要考慮外圍結(jié)構(gòu)的材質(zhì)及厚度。還要設(shè)置門窗開關(guān)變量，如人出門上班下班、出門購物，每天早上開窗通風(fēng)15 min，以及暖氣開放時(shí)間等。參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動(dòng)程序，開始運(yùn)行計(jì)算。

3、能耗分析

根據(jù)啟動(dòng)軟件模擬得到的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估分析，實(shí)驗(yàn)所在地該類住宅冬季平均能耗為117.6 kW/m2，以目前我國供暖鍋爐能源轉(zhuǎn)換率每340 kg 煤得到1 萬kW·h 的標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)算，也就是1 m2住宅年耗煤4.70 kg，實(shí)驗(yàn)住宅采暖面積為200 m2，則年耗煤量為940 kg。據(jù)調(diào)查，其他供暖住宅年平均耗煤量為8.24 kg/m2，則同樣面積的住宅年耗煤量為1648 kg。本文基于Stackelberg 策略的裝配式建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法比起傳統(tǒng)建筑每年節(jié)省42%的煤炭能源。

三、結(jié)語

推進(jìn)建筑行業(yè)節(jié)能已成為當(dāng)今社會(huì)環(huán)境和資源保護(hù)的重點(diǎn)內(nèi)容，推廣建設(shè)裝配式建筑已成為大勢(shì)所趨。在裝配式建筑設(shè)計(jì)方面，基于Stackelberg 策略的節(jié)能設(shè)計(jì)能有效降低建筑成本和建筑能耗，符合新時(shí)代的可持續(xù)發(fā)展理念。