比較不同氣候區人行為對住宅能耗影響的方法

彭海瀅 薛雨、2 翟志強、2*

1 大連理工大學建設工程學部

2 科羅拉多大學伯德分校土木學院

0 引言

居住建筑中用戶的行為習慣，是影響建筑能耗最主要的因素之一。國內外學者對如何橫向對比不同氣候區居民行為習慣的節能效果有相關研究，但使用建筑能耗[1]或節能率[2]作為節能效果的評價指標，并未排除氣候條件對能耗的影響，無法單獨分析不同氣候區用戶行為習慣的節能效果。

國際上通常通過修正的方式，消除氣候對建筑能耗的影響[3]，度日數法是最常用的方法之一。有學者利用度日數法對能耗進行氣候修正，以判斷建筑節能改造后的節能效果[4-5]。

本文中根據各地的節能標準設定各地建筑熱工參數，計算各氣候區按照居民習慣模擬的建筑能耗與基準能耗的差別，并用度日數法進行氣候修正，從而實現不同氣候區居民行為模式對建筑能耗影響的橫向對比和分析。

1 方法

在橫向比較某一節能措施在不同氣候條件下的相對節能效果時，應當排除其他無關因素對能耗的影響。由于各地氣候的差異，建筑在設計和建造過程中的熱工參數也有的明顯差別，這同樣會對人行為導致的能耗產生影響。因此本文探討不同氣候區居民的行為習慣對居住建筑能耗的影響時，將對能耗產生影響的因素劃分為：建筑本身的設計因素，當地氣候條件和建筑內人的行為。以下對本文中為排除建筑自身設計因素及氣候因素對能耗造成影響，采用的方法進行說明。

1.1 排除建筑自身設計因素對能耗的影響

建筑本身的設計因素包括建筑結構設計和建筑熱工設計，為排除不同建筑結構對能耗造成的影響，可在各氣候區采用統一的建筑結構模型[1]或采用單位面積能耗作為評價指標[6]，本文中通過在各氣候區采用統一的建筑結構模型的方式，排除由建筑結構不同對能耗造成的影響。對于建筑熱工設計，由于我國幅員遼闊，地域跨度大，地區之間溫度、濕度、太陽輻射等氣候條件的差異很大。我國在進行建筑熱工設計時因地制宜地將我國劃分為五個主要的建筑氣候區，分別為嚴寒地區，寒冷地區，夏熱冬冷地區，溫和地區和夏熱冬暖地區，并根據每個建筑氣候區的氣候特點，制定了相應建筑節能設計國家標準（以下簡稱節能標準），目前我國新建建筑的節能標準執行率為100%[7]，本文不考慮建筑的個性化差異對建筑能耗的影響，按照建筑所在氣候區的節能標準設定建筑模型中的熱工設計參數。綜上，本文中用統一建筑結構模型，采用當地節能標準設定建筑熱工參數，將建筑設計參數對能耗的影響進行嚴格控制。

在進行能耗模擬部分時，參照各地建筑節能標準中對建筑結構、材料等（如窗墻比、層高、圍護結構傳熱系數）的規定設置建筑熱工設計參數，并根據居住建筑中的普遍情況設置室內熱擾（如室內人員數量、散熱量、家用電器使用情況等），使用Sketchup 軟件建立代表建筑模型，并使用EnergyPlus 軟件對各建筑開窗模式和關窗模式下的能耗情況進行模擬計算。

本文以開窗習慣為例進行不同氣候區人行為模式對建筑能耗影響的橫向對比。由于用戶的行為，尤其是居住建筑中居民的行為極難預測，故我國未有相關標準對居民開窗時間進行規定，因此本文選用計算全年關窗（簡稱關窗模式）時，各地代表建筑在代表城市中的能耗作為基準，然后計算根據實測的各地居民習慣開窗（簡稱開窗模式）時的全年能耗作為變動能耗，對基準能耗和變動能耗進行氣候修正后取兩者差值作為比較不同氣候條件下，各地用戶開窗習慣節能效果的評價指標，從而排除各地熱工設計不同對建筑能耗造成的影響。

1.2 氣候修正方法

模擬得到建筑兩種通風模式下的供熱、供冷能耗后，對能耗進行氣候修正。度日數法是排除氣候對建筑能耗影響時最常用的方法[3]。Robin Deliso Woodcock指出，用某建筑一段期間的供熱能耗（或供冷能耗）除以該期間內的供熱度日數（或供冷度日數），可得到該建筑修正的供熱能耗（或供冷能耗），用于比較不同地區的不同建筑的能耗水平，或比較同一建筑在不同時間內采用不同節能措施的實際節能效果[8]。對于單熱工分區建筑，如居住建筑或小型商業建筑中，建筑供熱能耗和供冷與室外溫度存在明顯線性關系[9]，且線性關系的回歸線必通過橫坐標軸上的表示基準溫度的點[10]。而度日數為一段時間內室外干球溫度與基準溫度差值的累加值，因此可利用度日數與能耗之間的相關性進行氣候修正。使用度日數法進行氣候修正時，必須將供熱、供冷能耗從總能耗中單獨提取出來[3]，本文的建筑能耗數據是通過模擬得到的，能夠準確地將供熱，供冷能耗與其他建筑能耗區分出來，因此可以使用度日數法進行氣候修正。

本文首先確定各地代表建筑的度日數基準溫度，從而計算供熱度日數和供冷度日數。基準溫度（也稱為臨界溫度）的物理意義為，室內得熱量和失熱量平衡，建筑不需要供熱（或供冷）時室外的干球溫度[11]。由物理意義可知，基準溫度與建筑的室內設施、采用的節能措施和室內設計溫度有關，故直接對所有建筑采用統一的基準溫度計算度日數不夠準確。變基點溫度法是確定度日數基準溫度廣泛使用的方法之一，其原理在以往很多研究中都有詳細描述[9]，該方法通過線性回歸的方法找出能使建筑能耗與度日數關聯性最強的基準溫度，并認定該溫度為建筑的基準溫度。這種利用回歸分析估算基準溫度的方式雖然使物理意義變得模糊，但在用于分析氣候對居住建筑能耗的影響時十分有效[11]。變基點度日數法的公式如下所示：

式中：α1、α2和β1、β2分別為兩個線性回歸方程的截距和斜率；α3為供熱基準溫度，℃；β3為供冷基準溫度，℃；Ti為第i 天建筑所在地室外日平均溫度，℃；HDD(α3)為供熱基準溫度α3對應的供暖度日數，第1到n 天中，當α3大于Ti時，將α3與Ti的差值乘1 天，所得到的乘積的累加值為n 天的供暖度日數，℃·d；Eh為n 天的建筑供熱能耗；CDD (β3) 為供冷基準溫度β3對應的供冷度日數，第1 到n 天中，當β3小于Ti時，將Ti與β3的差值乘1 天，所得到的乘積的累加值為n 天的供冷度日數，℃·d；Ec為建筑n 天的供冷能耗。

以冬季工況為例，每選定一個α3，即可確定一個矩陣A[HDD(α3),]，其中包括每段時間內（本文中取每個月）的供暖度日數，及該段時間內的供熱能耗。將矩陣代入式（1），即可得到一個線性回歸方程，以及對應的擬合度，即R2值。R2最大時的α3為建筑的供熱基準溫度。夏季工況同理。

本文在0～18 ℃的范圍內找到供熱度日數與供熱能耗擬合度（R2）最高的值，在10～28 ℃的范圍內找到制冷度日數與供冷能耗擬合度（R2）最高的值，作為度日數計算的基準溫度。

計算出供熱度日數和供冷度日數后，采用度日數法對建筑能耗進行氣候修正，修正的供熱能耗和供冷能耗的計算公式如式（5）、（6）所示。

式中：ENorm,h為修正后的供熱能耗；EAnnual,h為建筑實際供熱能耗；ENorm,c為修正后的供冷能耗；EAnnual,c為建筑實際供冷能耗。

1.3 比較不同氣候條件下人的行為對能耗影響情況的方法

綜合以上分析，為排除建筑自身設計因素和各地氣候因素的影響，分析不同氣候條件下人的某一行為對居住建筑能耗的影響情況，需要經過能耗模擬，氣候修正和比較分析三個步驟，具體計算分析流程如圖1 所示。

圖1 橫向比較不同氣候下人行為模式

2 基準溫度驗證

本文中采用度日數法對建筑能耗進行修正，且代表建筑的度日數由基準溫度決定，因此基準溫度的選取對結果有很大影響，基準溫度計算的準確與否直接決定不同氣候區人的行為節能效果對比分析。式（7）為基準溫度計算公式[12]。我國學者張文婷[4]，唐鳴放[12]就各城市供熱基準溫度的取值做了相關研究，并基于同一建筑模型進行了模擬驗證。為驗證本文基準溫度計算方法的準確性，本文采用與其相同的建筑模型（以下簡稱為標準建筑）和設置條件，分別計算北京、上海、武漢、重慶四個地區標準建筑的供熱基準溫度，并與兩人的結果進行對比驗證。

式中：Qs為透過窗戶進入室內的太陽輻射量，W；Qp為室內得熱量，W；Qf為建筑冷風滲透失熱量，W；Qe為圍護結構傳熱量，W。

文獻[4]和[12]中采用的標準建筑模型為某長方體建筑的頂層單元，尺寸為長12 m 寬12 m 高3 m，南向窗墻比0.35，北向窗墻比0.25，東西向無窗，室內照明，用電設備及人員散熱總量為3.8 W/m2，滲風量取0.5次/h，室內設計溫度為12 ℃。各城市的圍護結構傳熱系數如表1[12]所示，由于模擬的是頂層單元，故地面設置為絕熱。各城市基準溫度計算結果如表2 所示，差異率均小于13%，可認為計算結果基本一致，差異由計算方法的不同和氣象參數的選取造成。故經過驗證，本文采用變基點度日數法計算基準溫度的可保證結果的準確性。

表1 各城市建筑圍護結構傳熱系數

3 建筑模型

本文采用的統一建筑模型為一個五層的居住建筑，建筑面積1980 m2。建筑內每層有4 戶住宅，2 個樓梯間，每戶建筑面積為91.5 m2，建筑模型示意圖如圖2所示。本文選取嚴寒地區的沈陽市，寒冷地區的北京市，夏熱冬冷地區的武漢市，夏熱冬暖地區的廣州市，溫和地區的昆明市作為代表城市，并且選用各氣候區現行國家建筑節能標準[13-16]作為各地代表建筑的邊界條件設置。熱工參數具體設置如表3 所示，空調、人員及用電設備具體參數如表4 所示。嚴寒地區，寒冷地區和溫和地區節能標準中未規定夏季室內設計溫度，故按照《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范GB50736-2012》[17]中3.0.2 條相關規定，取室內空調計算溫度最低要求28 ℃。室內人員平均散熱量，根據《空氣調節設計手冊》[18]中相關規定，按照每戶有一名成年男性，一名女性，一名兒童計算平均散熱量。

圖2 代表建筑模型示意圖

表2 供熱基準溫度計算結果對比

表3 各城市代表建筑熱工設計參數

賴達祎等人，通過調研全國五個建筑氣候區，10個代表性城市，共63 戶住戶的開窗行為，統計得到各氣候區不同季節的開窗時間[19]。本文參考其開窗行為統計數據，作為各地區建筑的開窗條件進行模擬。各氣候區具體開窗時間如表5[19]所示，其中四個季節的起止日期按照候溫法[20]劃分得到。

表4 建筑室內熱擾和空調使用時間設置

表5 各氣候區開窗時間

4 模擬結果

本文采用變基點溫度法找到各地代表建筑的采暖基準溫度和制冷基準溫度，計算時選取的溫度范圍及每個溫度對應的擬合度（即R2）如圖3 及圖4 所示。由計算結果可知，各地代表建筑的采暖基準溫度為沈陽市6 ℃，北京市7 ℃，昆明市5 ℃，武漢市12 ℃，廣州市代表建筑沒有供熱能耗因此無需計算基準溫度，也沒有修正的供熱能耗。各城市代表建筑的制冷基準溫度為沈陽市16 ℃，北京市18 ℃，昆明市14 ℃，武漢市16 ℃，廣州市11 ℃。根據各城市代表建筑基準溫度，計算出各地代表建筑的度日數如表6 所示。

圖3 各代表建筑采暖基準溫度及對應擬合度

圖4 各代表建筑供冷基準溫度及對應擬合度

表6 各代表建筑供暖度日數和供冷度日數

各城市代表建筑關窗模式下的能耗模擬結果如圖5、圖6 所示。由圖5 可知，所有代表城市中，嚴寒地區沈陽市代表建筑的實際供熱能耗最高，然后依次為寒冷地區北京市和夏熱冬冷地區武漢市，除夏熱冬暖地區的廣州市代表建筑不需供熱以外，溫和地區昆明市代表建筑的供熱能耗最低。經過氣候修正后，能耗趨勢發生了變化，武漢市代表建筑的修正供熱能耗最高，然后修正的供熱能耗從高到低依次為北京市和沈陽市，昆明市代表建筑的修正供熱能耗最低。由圖6可知，所有代表城市中，廣州市代表建筑的實際供冷能耗最高，然后依次為武漢市，北京市和昆明市，沈陽市代表建筑的實際供冷能耗最低。經過氣候修正后，北京市的修正供冷能耗最高，然后修正的供冷能耗從高到低依次為沈陽市、武漢市、廣州市，昆明市代表建筑的修正供冷能耗最低。

圖5 各城市代表建筑關窗模式下供熱能耗對比

圖6 各城市代表關窗模式下供冷能耗對比

由表7 可知，開窗的模式下，所有代表城市的居民開窗習慣均會造成代表建筑供熱能耗的增加和供冷能耗的減少。各城市代表建筑實際供熱能耗增量從小到大的排序依次為，廣州市、昆明市、武漢市、沈陽市、北京市。各城市代表建筑實際供冷能耗減少量從大到小的排序依次為，廣州市、北京市、昆明市、沈陽市、武漢市。

表7 各城市代表建筑開窗模式下的年能耗節能量

根據本文中的設置條件，關窗模式下廣州市代表建筑不需要供暖，故供熱度日數為0。但開窗模式下，廣州市需要供熱，故理論上開窗模式下修正的供熱能耗為無限大，相比于關窗模式修正供熱能耗的增量也為無限大。除廣州外，其余城市代表建筑開窗模式下修正供熱能耗的增量從小到大依次為沈陽市、武漢市、北京市、昆明市。各城市開窗模式下修正供冷能耗的減少量從大到小依次為北京市、沈陽市、昆明市、廣州市、武漢市。

5 討論

根據本文中的模擬結果，由于關窗模式下，各城市建筑熱工設計參數根據當地節能標準建立，且各城市熱擾設置均相同，因此關窗模式下各城市建筑氣候修正后能耗，也可用于橫向比較各氣候區節能標準對當地居住建筑能耗的控制水平。由模擬結果可知，各地代表建筑關窗模式下修正后的供熱能耗，昆明市最低，沈陽、北京、武漢地區分別是昆明地區的1.46、1.70、1.77 倍。各地代表建筑修正后的供冷能耗為昆明市最低，沈陽、北京、武漢、廣州地區分別是昆明地區的1.38、1.63、1.27、1.07 倍。由此可分析，溫和地區的節能標準相對其他標準更加嚴格，對供熱能耗和供冷能耗的控制水平均為最高。而相對于溫和地區，其它氣候區節能標準對當地建筑能耗的控制水平較差。除夏熱冬暖地區的代表建筑不需供暖外，各氣候區節能標準對供熱能耗的控制水平從高到低依次為溫和地區、嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區。各氣候區節能標準對供冷能耗的控制水平從高到低依次為溫和地區、夏熱冬暖地區、夏熱冬冷地區、嚴寒地區、寒冷地區。該結論有待采用更多類型的建筑模型或實測的建筑能耗數據進行進一步驗證。

對比開窗模式和關窗模式的能耗模擬結果，各城市的居民開窗習慣均會造成供熱能耗的增加和供冷能耗的減少。相對于各地氣候條件，沈陽地區開窗習慣對修正后的供熱能耗造成的增量最小，昆明地區增量最大。北京地區居民開窗行為對修正后的供冷能耗的節能效果最好，武漢地區最差。開窗模式下供熱能耗較關窗模式高，供冷能耗較低，其原因是，住戶夏季的開窗習慣主要受室內外溫差的驅動，因此夏季開窗習慣能起到節能的效果。然而，住戶在冬季的開窗習慣是為了調節室內空氣品質，如二氧化碳濃度等，并非完全為了調節室內溫度，因此多數時間開窗會造成供熱能耗的增加。

全年關窗的條件下，建筑中僅有滲透風可作為自然通風調節室內環境，與實際情況相差較大。但在本文中僅采用全年關窗模式作為基準方案，用于橫向比較不同氣候區居住建筑節能標準對能耗的控制水平，并作為與開窗模式比較的基準方案，其能耗結果并不能代表當地建筑能耗水平，僅可用于橫向比較不同氣候區的能耗水平變化趨勢。

本文采用度日數法對各地代表建筑的能耗進行修正，排除氣候因素對能耗造成的影響。該方法操作簡便，所需參數較容易獲取，因此被廣泛使用。但該方法僅考慮室外干球溫度，而未考慮風速、濕度等其他氣候因素。因此，利用度日數法對建筑能耗進行氣候修正的方法，在太陽得熱和風速對建筑熱平衡沒有決定性影響的地區應用更為可靠[3]，在其他地區也可選用其他方法進行氣候修正。

本文中計算未采用我國現行建筑節能標準中規定的供熱和供冷基準溫度以及各城市度日數，進行度日數法氣候修正相關計算，而是采用變基點度日數法計算各代表建筑的基準溫度從而得到度日數，并對能耗進行氣候修正。這樣做的原因是，國家建筑節能標準中規定各城市的度日數，主要用于劃分熱工分區和估算一個地區的建筑能耗水平，因此選取一個統一的基準溫度，代表全國大部分建筑的平均水平，并不強調建筑之間的個體差異。而本文中利用度日數與建筑能耗之間的線性關系，排除氣候因素對能耗的影響，從而比較不同地區代表建筑的能耗水平，分析建筑之間的差異造成的影響。由于不同地區代表建筑按照當地居住建筑節能設計標準進行熱工設計，故建筑之間差異巨大。基準溫度主要與建筑的外形，滲風量，室內熱源，圍護結構傳熱性能和太陽輻射得熱有關。采用不同的建筑模型，不同的模擬條件設置，基準溫度勢必會發生變化，因此不能采用統一的基準溫度進行計算。而且，我國現行節能標準中根據國際慣例，將供熱基準溫度規定為18 ℃。然而該基準溫度是在室內溫度為23～24 ℃的條件下給出的[4]，明顯與我國建筑室內設計溫度的相關規定不符，且隨著我國建筑節能標準的發展，圍護結構的保溫、氣密性等性能都有了較大的提升，因此不宜繼續采用18 ℃作為基準溫度的選取標準。除度日數基準溫度外，我國在《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）中規定累年日平均溫度穩定低于或等于供暖室外臨界溫度的總日數為一個地區的采暖期時長，并規定一般民用建筑供暖室外臨界溫度為5 ℃[17]。然而，該溫度為建國初期，參照蘇聯相關標準確定[22]，是在室內滿足人體衛生要求的下限環境溫度（12 ℃）的基礎上提出的。隨著近年節能技術的發展，室內熱舒適要求的提高，這個臨界溫度的取值也無法作為本文供熱基準溫度的取值參考。

基準溫度的物理意義為，建筑得熱等于失熱的時刻，室外的干球溫度。然而，建筑的熱平衡是一個非穩態的過程，因此本文中通過變基點度日數法計算的基準溫度，并不說明只要室外溫度超出基準溫度，則建筑完全不需供熱或供冷，而是通過回歸分析的方法，確定建筑在大部分狀態下，不需要供熱或供冷的臨界溫度。張文婷[4]等人對供熱基準溫度進行了深入的研究，本文與其相同，均采用了各氣候區的節能設計標準作為模擬設置條件計算各城市代表建筑的供熱基準溫度。除采用的建筑模型不同以外，在照明功率密，用電設備功率，人員數量和滲風量選取上也有較大差別。本文中參照最新版《建筑照明設計標準GB50034-2013》[23]中對住宅照明功率密度的相關規定，設置照明密度為6 W/m2，并參照Dest 軟件中的推薦值設置照明作息。人員設置為3 人，根據相關標準[18]和文獻[21]設置人員散熱量和作息。根據普遍住戶的家用電器設備設置室內用電設備功率和作息。根據節能設計標準中對門窗氣密性的規定，設置門窗縫隙的密封性能，滲風量根據建筑門窗縫隙長度和室外氣象條件逐時變化。本文中邊界條件更貼近實際情況。而以上差異均為造成本文中供熱基準溫度計算結果與該文獻中結果存在差別的原因。以沈陽市為例，將照明功率、人員數量、室內用電設備功率密度和滲風量調整至與該文獻中一致，則沈陽市代表建筑的供熱基準溫度與該文獻計算結果基本一致。由此說明本文中供熱的基準溫度與該文獻中計算結果的差異主要由模擬邊界條件的不同造成的。

從以上分析可得出，即使在同一個城市，由于建筑模型和模擬邊界條件的不同，基準溫度也會有較大差別。因此，本文旨在提出橫向比較不同氣候條件下某一行為習慣對能耗的影響情況的標準化方法，模擬結果僅針對本文中建筑模型和模擬條件提出，并不具有普遍適用性，不能完全代表城市大部分建筑的情況。同時，本文在每個氣候區選取一個城市，作為該氣候區的代表城市，但部分氣候區（如嚴寒地區）地域較大，一個氣候區內包含多個子氣候區，子氣候區之間也存在氣候差異。因此，在之后的研究中可以根據細化的氣候分區選取更多的代表城市進行模擬和比較分析。另外，為排除其他因素對模擬結果產生影響，本文中采用了統一的建筑結構及朝向。但各城市的主導風向不同，統一建筑朝向可能影響某些地區住戶開窗習慣的節能效果。

6 結論

本研究提出了一種標準化的方法，通過對不同氣候區代表建筑采用某一習慣前后的能耗差進行氣候修正，從而橫向對比不同氣候條件下人的某一行為習慣模式對能耗的影響情況，并以各氣候區開窗習慣為例，對方法進行詳細說明。

本文通過對比各氣候區代表建筑根據實測的用戶習慣開窗和全年關窗兩種模式下，經過氣候修正的供熱能耗及供冷能耗的差值，橫向對比各氣候區居民開窗習慣的節能效果。由模擬結果可知，相對于全年關窗的情況，各氣候區實測的居民夏季開窗習慣均起到了節能的效果，而實測的冬季開窗習慣比全年關窗模式耗能更多。相對于各地氣候條件，沈陽地區實測的居民開窗習慣對供熱能耗的影響相對較小，昆明地區的影響最大；北京地區實測的居民開窗習慣對供冷能耗的節能效果最好，武漢地區最差。

除此之外，本文在對比各氣候區用戶開窗習慣的節能效果的過程中，對位于不同氣候區，采用當地節能標準的同一建筑模型全年關窗模式下的供熱和供冷能耗進行了氣象修正，從而比較各氣候區的節能標準相對于代表城市當地氣候條件的能耗控制水平，但有待進一步驗證。

附圖A 人員作息

附圖B 燈光使用時間

附表C 用電設備使用時間