基于系統動力學的住宅能耗分析

狄晨華

【摘 要】本文在住宅建筑能耗影響因素基礎上，構建建筑能耗的系統動力學模型，尋找住宅建筑能耗的規律。通過調整住宅建筑能耗的不同參數，觀察其對整個住宅建筑能耗的影響，從而提出降低住宅建筑能耗、改善建筑用能、促進住宅建筑節能的可行性政策和措施。

【關鍵詞】住宅；建筑能耗；建筑節能；系統動力學

0 前言

中國是能源大國，也是能耗、能需大國。在中國高速發展的過程中，建筑業是我國國民經濟中的一個重要支柱產業。目前，我國建筑能耗已經突升到我國總能耗的30%左右，并呈現逐年上升的形式。而在這其中，住宅能耗又是極其重要且與人們生活最為相關的一部分，因此，住宅建筑的節能工作是整個建筑節能的管理重點。

能源問題的緊迫性，使得住宅建筑能耗亟待科學詳細的分析研究。陸瑩瑩[1]等介紹了家庭能源三種主要消費分析方法的發展及共同的模型基礎——投入產出模型，并就家庭能耗影響因素和國別差異進行了分析，指出家庭能源消耗可能是我國能耗消費的增長點。孫娟等[2]研究了上海不同年代住宅能源消費現狀及特點，分別對20世紀80年代及2000年后兩住宅小區的居住建筑概況、生活方式、對熱環境的評價及能耗情況進行了調查。王海寧等[3]以陜西省為例，運用系統工程理論分析能源消費的影響因素，對未來一段時期內能源消費、大氣污染物排放量等進行了預測。目前，住宅建筑能耗的研究大多集中在對于統計方法的歸納、能源消費結構的分析、現有住宅的實證對比等方面，缺乏對住宅能耗的系統性分析。出于以上考慮，本文采取系統動力學方法對影響住宅能耗的眾多變量進行系統性研究。系統動力學（System Dynamics，簡稱SD）是由美國麻省理工學院的J.M.Forrester于20世紀50年代提出的一種研究復雜系統的方法。它針對實際系統中存在的問題，從系統的整體觀出發，充分估計和研究其影響因素，不回避復雜性，特別注重研究系統內部的非線性相互作用、協同以及延遲效應等問題。

本文以住宅建筑為研究對象，通過系統動力學方法，運用Vensim PLE軟件，對影響住宅能耗的眾多變量進行動態性分析和預測，尋找住宅建筑能耗規律，探討降低住宅能耗、促進建筑節能的可行性政策和措施。

1 系統動力學模型的建立

1.1 系統總流圖的確定

根據分析研究和查閱相關文獻[4-6]，影響住宅建筑能耗的主要因素可以歸納為若干個子系統，分別是電能耗子系統、燃氣能耗子系統、家庭情況子系統、經濟發展子系統。每個子系統包含各自的影響因素。通過對各個子系統精細的分析，將這些互相影響的次級系統組合，得到整個系統的流圖（圖1）：

1.2 子系統關系式的確立

將模型細化到典型家庭住宅的層面，進一步分析和構建，添加輔助變量關系和函數表達，對各子系統進行進一步細化分析并得出關系式。由于系統較復雜，關系式較多，在此僅以空調能耗子系統和照明能耗子系統為例。

（1）空調能耗子系統

1.3 模型有效性的檢驗

根據上海統計年鑒[10-14]及對一些網絡信息的總結后，計算得到上海居民用電和用氣的估計值，以2004-2006年的數據為基準值，采用系統動力學模型對2007-2009年的戶均用電、用氣量進行仿真模擬，得到的結果如表1所示。可以看出，不論是戶均用電量還是戶均用氣量，誤差都非常小，證明了模型的適用性。該模型可以進一步用作分析和預測工具。

2 仿真、預測與綜合診斷

2.1 在既定參數下的模擬

根據相關調研結果，以中等收入家庭（家庭月收入在一萬到兩萬元的區間內）作為典型家庭特征樣本，運用系統動力學模型，對住宅建筑的能耗狀況進行仿真模擬，模型中的相關調整因子和系數，由2004年至2009年的統計年鑒中的相關數據計算分析取值，得到的結果如表2所示。根據表中數據可以看出，隨著城市經濟的發展，家庭收入逐年增加，能源消耗量也呈逐年上升的趨勢。

2.2 調整相關參數的模擬

2.2.1 空調能耗模擬

調整建筑的窗墻比、外墻傳熱性能、通風、朝向等影響因素，見表3。觀察空調能耗的變化，調整前后的空調能耗對比情況如表4所示。可以看出，每個影響因素的微量改善，能帶來的節能效果卻是非常明顯的。如果再對影響因素做進一步的改善，節能效果很有可能達到50%。

2.2.2 家庭能源消費模擬

通過模型預測一個處于中等普通生活水平的家庭每年的能耗開支（按照電費0.6元/kW·h，天然氣2.5元/m3計算）。在家用電器中，用一部分電器代替用氣設備，如用電熱水器代替燃氣熱水器。取電、燃氣替代因子為0.1，可以得到調整前后的能耗開支，見表5。可以看出，用電磁爐替代燃氣灶、用電熱水器替代燃氣熱水器，是不節能也不經濟的。

3 結論與建議

通過以上分析，上海典型家庭各類能耗（電能耗、燃氣能耗）隨著經濟增長呈現逐年上升趨勢。住宅建筑能耗需求的不斷增長和能源緊缺趨勢是不可避免的，我國政府應該加強節能教育和宣傳，大力推進節能措施。

空調能耗始終是住宅建筑能耗中一個重要部分。空調用戶應該養成良好的用能習慣，支持節能產品；廠商需不斷開發新的綠色設備；政府對空調使用方面的激勵政策也可進一步做細。改善住宅建筑參數（包括窗墻比、通風、朝向等）有利于空調能耗的降低。政府可以在住宅建筑設計階段就加入相應的能耗要求，強化綠色住宅建筑規范。在家庭生活中，用電代替燃氣雖然可以帶來一些方便，但是在節能和家庭開支上都是不劃算的。

【參考文獻】

[1]陸瑩瑩，趙旭.家庭能源消費研究述評[J].水電能源科學，2008，26（1）：187-191.

[2]孫娟，李振海，伍星，等.上海市不同年代住宅小區能源消費調查與分析[J].制冷空調與電力機械，2009，30（1）：86-89.

[3]王海寧，薛惠鋒.能源消費需求的系統動力學建模與仿真——以陜西省為例[J].系統仿真技術，2010，6（2） ：158-163.

[4]Lenzen M，Dey C，Foran B.Energy Requirements of Sydney Households.Ecological Economics，2004，49：375-399[J].

[5]Biesiot W，Noorman K J.Energy Requirements of Household Consumption，A Case Study of the Netherlands.Ecological Economics，1999，28：367-383[J].

[6]Vringer K，Blok K.The Direct and Indirect Energy Requirements of Households in the Netherlands[J].Energy Policy，1995a，23（10）：893-910.

[7]侯余波，付祥釗.夏熱冬冷地區窗墻比對建筑能耗的影響[J].建筑技術，2001，32（10）：661-662.

[8]李玉云，陳國鳴.圍護結構對中央空調能耗的影響[J].武漢科技大學學報（自然科學版），2003，26（3）：256-258.

[9]簡毅文，江億.窗墻比對住宅供暖空調總能耗的影響[J].暖通空調，2006，36（6）：1-5.

[10]上海市統計局，上海統計年鑒[M].中國統計出版社，2006.

[11]上海市統計局，上海統計年鑒[M].中國統計出版社，2007.

[12]上海市統計局，上海統計年鑒[M].中國統計出版社，2008.

[13]上海市統計局，上海統計年鑒[M].中國統計出版社，2009.

[14]上海市統計局，上海統計年鑒[M].中國統計出版社，2010.

[責任編輯：王楠]