既有住宅建筑舒適性與節(jié)能技術(shù)研究

■ 田 紳 Tian Shen 劉稷軒 Liu Jixuan 唐明生 Tang Mingsheng

既有住宅建筑舒適性與節(jié)能技術(shù)研究

■ 田 紳 Tian Shen 劉稷軒 Liu Jixuan 唐明生 Tang Mingsheng

文章簡(jiǎn)要闡述我國(guó)住宅建筑的能耗狀況和節(jié)能潛力，重點(diǎn)分析住宅建筑的能源消耗構(gòu)成和既有住宅建筑的節(jié)能途徑，探討基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和智能家居技術(shù)為住宅建筑提供舒適環(huán)境、減少能耗的新途徑，以及此類(lèi)技術(shù)的可行性和發(fā)展趨勢(shì)。

住宅建筑；低能耗；舒適性

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程顯著提升，隨之產(chǎn)生的民生改善和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的龐大需求，使得住宅的建設(shè)總量迅猛增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)住宅房屋總量在2012年達(dá)到了144億m2[1]， 并以每年新增約19億m2的速度保持增長(zhǎng)。在人們居住面積增加、生活水平不斷提高的同時(shí)，與之相關(guān)的電器設(shè)備擁有率也迅速提高，且當(dāng)前我國(guó)城鎮(zhèn)居民主要家電（空調(diào)、冰箱、熱水器和電視機(jī)等）的擁有率已經(jīng)接近飽和，由此所帶來(lái)的電力消耗對(duì)國(guó)家電力和能源需求提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，國(guó)家發(fā)改委、科技部等部委在2016年出臺(tái)了《關(guān)于促進(jìn)綠色消費(fèi)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，鼓勵(lì)建筑節(jié)能設(shè)備和綠色建筑技術(shù)的推廣及應(yīng)用。

本文旨在對(duì)住宅建筑的能耗狀況、能源消耗構(gòu)成和既有住宅建筑的節(jié)能途徑進(jìn)行分析，同時(shí)借鑒大數(shù)據(jù)、智能家居和物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的成果，研究一些在保障用戶熱舒適性要求基礎(chǔ)上取得較好節(jié)能效果的技術(shù)集成方案的應(yīng)用前景和可行性。

1 我國(guó)住宅建筑能耗狀況

我國(guó)城鎮(zhèn)民用建筑能耗約占社會(huì)總能耗的20%[2]。其中，城鎮(zhèn)民用住宅采暖能耗約占民用建筑總能耗的44%，除采暖外的住宅能耗約占民用建筑總能耗的18%～20%[3]，剩余的民用建筑能耗則由非住宅民用建筑和大型公共建筑的能耗組成。因此，民用住宅建筑的能耗大約占社會(huì)總能耗的12%左右。然而，無(wú)論是建筑總能耗占社會(huì)總能耗的比例（發(fā)達(dá)國(guó)家1/3），還是人均建筑能耗（中國(guó)394kgce/人，美國(guó)4714kgce/人）或單位面積建筑能耗（中國(guó)13.29kgce/m2，美國(guó)50.35kgce/ m2）所占的比例，我國(guó)都遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家水平[4]，這是由我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及居民收入狀況所決定的。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化步伐的加快，以及更加現(xiàn)代化和智能化的生活方式的推動(dòng)，可以預(yù)見(jiàn)，我國(guó)住宅建筑的能耗還會(huì)有很大的增長(zhǎng)（增長(zhǎng)比例甚至?xí)^(guò)50%[2]）。如果保持現(xiàn)有的建筑建造和運(yùn)行技術(shù)不變，將會(huì)給我國(guó)的能源供給帶來(lái)更大的壓力。

面對(duì)上述問(wèn)題，我國(guó)早在2005年起就已經(jīng)全面實(shí)行“總節(jié)能量不低于65%”的建筑節(jié)能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，北京、天津等地在近幾年甚至已將該節(jié)能量要求提升至75%。然而，即便目前的新建建筑能耗較上世紀(jì)末的建筑已大大降低，仍有進(jìn)一步提升的空間。從采暖能耗來(lái)看，目前的采暖平均能耗分布在60～120kWh/m2之間，通過(guò)改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)、減少滲風(fēng)等措施，還可以將該能耗降低至45～90kWh/m2[2]。利用“部分時(shí)間、部分空間”的用能策略、有效的自然通風(fēng)、能效等級(jí)更高的電器設(shè)備及太陽(yáng)能生活熱水等措施，還可以將除采暖外的其他建筑能耗維持在現(xiàn)有水平，使其不會(huì)隨著今后民眾對(duì)能源需求的快速增加而進(jìn)一步惡化。由此可見(jiàn)，住宅建筑節(jié)能的潛力和需求仍然很大，它是緩解社會(huì)用能緊張的一個(gè)行之有效的措施。因此，針對(duì)住宅建筑節(jié)能技術(shù)和節(jié)能措施的研究一直都是能源界的一個(gè)研究重點(diǎn)[3]。

2 住宅建筑的能耗構(gòu)成

住宅建筑能耗是指住宅在使用過(guò)程中消耗的能量，主要包括采暖、空調(diào)、熱水供應(yīng)、炊事、照明、家用電器等。其中，采暖和空調(diào)能耗占65%，生活熱水占15%，電視和照明占14%，廚房飲食約占6%[3]。住宅建筑由于內(nèi)部發(fā)熱量低、體表比小，其熱性能主要依賴于外界氣象環(huán)境。據(jù)此，目前的住宅建筑節(jié)能主要圍繞提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能和供熱制冷系統(tǒng)效率兩個(gè)方面展開(kāi)。當(dāng)然，并不是唯一途徑，我們也可以對(duì)建筑規(guī)劃、室內(nèi)裝潢設(shè)計(jì)、材料與部品選擇、室內(nèi)環(huán)境控制方案、采暖空調(diào)系統(tǒng)選擇等每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入細(xì)致的研究，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境確定最適宜的住宅建筑建造和運(yùn)行方案。然而，在我國(guó)每年新建的城鎮(zhèn)住宅中，完全按照建筑節(jié)能要求設(shè)計(jì)的不足6%[3]，這說(shuō)明有大量的既有建筑存在著保溫隔熱性能差、供熱制冷系統(tǒng)效率低下等問(wèn)題。由于在既有建筑完成建筑主體施工后，已很難對(duì)建筑規(guī)劃、外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行再次施工和改造，因此，對(duì)室內(nèi)的裝潢設(shè)計(jì)、環(huán)境控制和供熱制冷等系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)和應(yīng)用，對(duì)于目前的住宅建筑節(jié)能具有更加重要的意義。

3 既有住宅建筑的節(jié)能途徑

既有建筑的節(jié)能途徑主要包括節(jié)能外窗技術(shù)、遮陽(yáng)技術(shù)、相變材料應(yīng)用、節(jié)能通風(fēng)技術(shù)、采光節(jié)能技術(shù)、太陽(yáng)能利用和采暖空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)等，下面逐項(xiàng)詳細(xì)論述。

3.1 節(jié)能外窗技術(shù)

外窗的設(shè)計(jì)是節(jié)能建筑設(shè)計(jì)中非常復(fù)雜的環(huán)節(jié)。從對(duì)外窗的性能需求方面來(lái)看，冬季除了外窗的保溫隔熱性能要好，還要有更高的陽(yáng)光透過(guò)率，以最大限度地減少采暖負(fù)荷；夏季則需要有效減少太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)。不僅如此，還要在設(shè)計(jì)中考慮利用自然采光減少照明能耗的問(wèn)題。從外窗的材料來(lái)看，一般外窗玻璃的熱阻值越大，其透光性越差，這給舒適性和節(jié)能之間帶來(lái)了矛盾。為處理好上述兩方面的問(wèn)題，一般較好的節(jié)能設(shè)計(jì)是選用透光性好的玻璃或高透性的Low-E（低輻射）膜，但需要注意的是，夏季外窗的遮光問(wèn)題。

此外，窗框的形式對(duì)于室內(nèi)通風(fēng)的影響很大，而室內(nèi)的有效通風(fēng)可以快速移除室內(nèi)的污染物，進(jìn)而改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。優(yōu)化的通風(fēng)設(shè)計(jì)甚至可以代替機(jī)械通風(fēng)裝置，從而有效降低建筑能耗。因此，外窗的形式對(duì)于住宅建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)也很重要。根據(jù)一些已有的研究成果[5]，圖1所示的外窗形式具有最大的通風(fēng)速率，且氣密性更好。

3.2 遮陽(yáng)技術(shù)

圖1 水平軸外窗結(jié)構(gòu)形式

對(duì)住宅建筑外窗進(jìn)行遮陽(yáng)處理，可以避免陽(yáng)光直射室內(nèi)和過(guò)分加熱外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，從而有效降低室內(nèi)的熱負(fù)荷，還可以防止室內(nèi)過(guò)強(qiáng)光照帶來(lái)的光污染問(wèn)題。因此，遮陽(yáng)是一項(xiàng)既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能又能保證室內(nèi)舒適性的技術(shù)。國(guó)外的研究表明，遮陽(yáng)技術(shù)的節(jié)能收益為10%～24%，而其投資成本只有不到2%，這說(shuō)明該技術(shù)具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

外窗遮陽(yáng)大體上可以分為室內(nèi)遮陽(yáng)和室外遮陽(yáng)兩種。室內(nèi)遮陽(yáng)一般有窗簾、卷簾和百葉窗等樣式，淺色色調(diào)的運(yùn)用對(duì)遮陽(yáng)更加有利。室外遮陽(yáng)一般有水平遮陽(yáng)、垂直遮陽(yáng)、擋板式遮陽(yáng)、外置卷簾和遮陽(yáng)棚等構(gòu)造形式，特別適合于建筑夏季遮陽(yáng)。

在兩者的設(shè)計(jì)和選擇上，我們還需注意一些關(guān)鍵問(wèn)題。首先，室外遮陽(yáng)需要考慮建筑的整體性和美觀性，因?yàn)樾涡紊耐庹陉?yáng)形式會(huì)使建筑整體立面顯得雜亂無(wú)章，影響美觀。其次，室內(nèi)遮陽(yáng)的效果較室外遮陽(yáng)差，因?yàn)槭覂?nèi)遮陽(yáng)無(wú)法避免透過(guò)外窗玻璃的輻射得熱。與室外遮陽(yáng)相比，一般來(lái)講，室內(nèi)淺色百葉窗只能減少17%的輻射得熱，而室外遮陽(yáng)可以輕易遮擋68%以上的太陽(yáng)輻射，因此室外遮陽(yáng)的節(jié)能效果更佳。當(dāng)然，室內(nèi)遮陽(yáng)能夠幫助遮擋視線，滿足用戶對(duì)私密性的要求，因此對(duì)于住宅建筑來(lái)說(shuō)，難以被取代。綜上，針對(duì)遮陽(yáng)的較優(yōu)設(shè)計(jì)方案是考慮兩者兼?zhèn)洌纫獫M足遮陽(yáng)要求又要滿足實(shí)用功能的要求。

3.3 相變材料的應(yīng)用

相變材料的蓄能作用可以改善建筑的熱特性，使全年室溫都能夠更加靠近舒適區(qū)，從而顯著節(jié)省采暖和空調(diào)的用能。

相變材料在建筑中的應(yīng)用形式主要有三類(lèi)：①冬季白天利用太陽(yáng)能蓄存一定的熱能，在夜間進(jìn)行釋放，減少采暖能耗；②在夏季晝夜溫差大的地區(qū)，蓄存夜晚的自然冷能，在白天釋放，降低空調(diào)能耗；③利用峰谷電價(jià)，在夜晚低電價(jià)時(shí)，制備和蓄存冷量，再在白天使用，降低空調(diào)用能成本，并且在夜間環(huán)境中制備冷量可以使制冷系統(tǒng)在更高的效率下運(yùn)行，也可進(jìn)一步降低成本。由此可見(jiàn)，相變材料的應(yīng)用是建筑節(jié)能和室內(nèi)環(huán)境控制中一項(xiàng)非常有效的途徑。

考慮到既有建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)已很難進(jìn)行改造，本文只對(duì)應(yīng)用于室內(nèi)的相變材料部品進(jìn)行論述，主要有相變蓄能吊頂系統(tǒng)和相變蓄能地板采暖系統(tǒng)兩種。相變蓄能吊頂系統(tǒng)的原理是，夜晚通過(guò)風(fēng)機(jī)引入室外冷風(fēng)進(jìn)入吊頂，對(duì)吊頂內(nèi)的相變材料進(jìn)行蓄冷，白天利用風(fēng)機(jī)使室內(nèi)空氣強(qiáng)制通過(guò)吊頂，在空氣和蓄冷材料換熱后送入室內(nèi)。這種系統(tǒng)將蓄冷材料放置在吊頂內(nèi)，保證了室內(nèi)的美觀和簡(jiǎn)潔，具有很好的應(yīng)用前景。相變蓄能地板采暖系統(tǒng)可以綜合利用上述①和③兩種方式，一方面，利用白天的太陽(yáng)輻射照射到地板的熱量蓄熱；另一方面，在夜晚電價(jià)較低時(shí)利用電加熱給地板蓄熱。兩種方式綜合起來(lái)具有更好的節(jié)能效果，可以有效降低冬季的采暖用能總量和成本。

目前，相變材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用仍受到材料本身的一些限制，例如固-液相變材料仍存在分層、過(guò)冷嚴(yán)重、泄漏、性能衰退和造價(jià)高等問(wèn)題，但已有一些固-固相變材料被研制出來(lái)，全面解決了上述問(wèn)題，使得相變材料在建筑節(jié)能應(yīng)用中有了更高的可行性[6]。

3.4 節(jié)能通風(fēng)技術(shù)

住宅建筑的通風(fēng)可以提升室內(nèi)的空氣品質(zhì)和熱舒適度，同時(shí)，合理的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)還可以降低機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的能耗[7]，因此通風(fēng)技術(shù)的研究一直都受到廣泛關(guān)注。然而，不合理的通風(fēng)不僅不會(huì)改善室內(nèi)環(huán)境舒適度，還會(huì)直接增加采暖的能耗。據(jù)研究，住宅通風(fēng)能耗已占冬季采暖能耗的30%以上[8]，直接原因是室內(nèi)采暖設(shè)備不可控，以及通風(fēng)不可調(diào)節(jié)。因此，可控的住宅通風(fēng)是節(jié)能設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)。

一般來(lái)說(shuō)，住宅通風(fēng)可以分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種形式。在我國(guó)大部分地區(qū)，自然通風(fēng)（被動(dòng)式）是降低能耗和提升室內(nèi)熱舒適度的有效手段，又可分為風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)。風(fēng)壓通風(fēng)主要和當(dāng)?shù)氐氖⑿酗L(fēng)向有關(guān)，因此對(duì)其利用要考慮建筑的開(kāi)窗位置和面積；而熱壓通風(fēng)主要受室內(nèi)外溫差影響，對(duì)其利用主要考慮室外氣象條件和室內(nèi)溫度之間的耦合影響，以根據(jù)不同的條件對(duì)通風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

目前被動(dòng)式通風(fēng)的設(shè)計(jì)主要依靠模擬軟件對(duì)具體建筑進(jìn)行分析，利用建筑的幾何特性優(yōu)化通風(fēng)路徑，來(lái)實(shí)現(xiàn)合理的通風(fēng)布局。在完成設(shè)計(jì)后，還要使用可控的通風(fēng)裝置（如換氣百葉窗和自然通風(fēng)器等），對(duì)不同條件下的通風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以最大利用自然風(fēng)的同時(shí)降低能耗。

3.5 采光節(jié)能技術(shù)

住宅建筑的節(jié)能采光設(shè)計(jì)要點(diǎn)是盡量充分利用自然采光，節(jié)省照明用電。照明對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的能耗有一定影響，有研究指出，合理利用自然采光可以減少空調(diào)全年能耗的10%以上。另外，自然光對(duì)室內(nèi)人員的健康有利，可以減輕季節(jié)性情感錯(cuò)亂、慢性疲勞等。

目前，自然采光主要分為側(cè)窗采光和天窗采光兩種。側(cè)窗采光構(gòu)造簡(jiǎn)單、布置方便且造價(jià)低廉，使用極為普遍；天窗采光效率高、布置靈活且照度均勻，是很好的采光方案。但是，這兩種采光方式都需要對(duì)光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)檫€要考慮輻射得熱的問(wèn)題，而這可以通過(guò)給外窗加裝格柵和活動(dòng)板來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，現(xiàn)在還有一些采光技術(shù)的研究，主要解決離窗較遠(yuǎn)區(qū)域的采光問(wèn)題，如采用鏡反射表面。

實(shí)驗(yàn)是集觀察、探索、驗(yàn)證于一體的綜合性科學(xué)活動(dòng)，最終目的是對(duì)假設(shè)進(jìn)行求證.首先，觀察.通過(guò)觀察，能夠直觀了解化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象.但是，有的實(shí)驗(yàn)流程比較多，學(xué)生根本無(wú)法區(qū)分需重點(diǎn)記錄的現(xiàn)象.此時(shí)，教師要不時(shí)的加以引導(dǎo)，告知該現(xiàn)象與問(wèn)題有關(guān)聯(lián).其次，探索，即在改變實(shí)驗(yàn)步驟、溫度、催化劑之后，對(duì)結(jié)果加以記錄、觀察的過(guò)程.通過(guò)探索，可能獲得新結(jié)論.第三，驗(yàn)證.即提出某項(xiàng)假設(shè)，讓學(xué)生求證.

對(duì)于照明的節(jié)能設(shè)計(jì)，主要是應(yīng)用節(jié)能燈具和更高效的照明設(shè)計(jì)。節(jié)能燈具方面，LED燈具的能耗僅為白熾燈的1/10、節(jié)能燈的1/4，且壽命更長(zhǎng)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ木G色照明產(chǎn)品之一。高效照明設(shè)計(jì)方面，需要考慮合理的照度標(biāo)準(zhǔn)值、室內(nèi)裝潢的色調(diào)及開(kāi)關(guān)數(shù)量和照明分區(qū)等問(wèn)題。

3.6 太陽(yáng)能利用

太陽(yáng)能是一種可再生能源，是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，且住宅用能量不大，因此，對(duì)住宅而言，太陽(yáng)能技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)有效的措施。

住宅建筑對(duì)于太陽(yáng)能的利用，可以集成為一套整體的太陽(yáng)能系統(tǒng)，用來(lái)應(yīng)對(duì)不同季節(jié)的建筑功能需求。其主要是在屋頂采用玻璃式太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能電池，工作原理為：冬季白天，室外空氣由太陽(yáng)能加熱后送入室內(nèi)；冬季夜晚，利用白天太陽(yáng)能蓄存的熱量來(lái)加熱室內(nèi)空氣；夏季白天，利用太陽(yáng)能制取生活熱水；夏季夜晚，室外冷空氣流經(jīng)玻璃夾層進(jìn)入室內(nèi)。此外，太陽(yáng)能電池板還可以用來(lái)給室內(nèi)用電設(shè)備供電。

3.7 采暖空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

采暖空調(diào)系統(tǒng)占住宅建筑能耗的絕大部分，提高采暖空調(diào)系統(tǒng)的能效是住宅建筑節(jié)能的主要內(nèi)容。目前，在燃料結(jié)構(gòu)上，天然氣和電正在逐步取代傳統(tǒng)燃煤；在使用末端方面，隨著用戶對(duì)冷、熱的需求，末端裝置已逐步實(shí)現(xiàn)隨負(fù)荷變化的節(jié)能控制，以及更加高效的末端換熱。在上述趨勢(shì)影響下，未來(lái)供熱計(jì)量收費(fèi)強(qiáng)制化和更多新型采暖制冷設(shè)備（如各種熱泵技術(shù)、新型末端設(shè)備等）的應(yīng)用將會(huì)更進(jìn)一步地降低住宅建筑的能耗。

4 既有住宅建筑低能耗人工環(huán)境保障技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 住宅建筑信息數(shù)據(jù)采集

目前，由于發(fā)達(dá)的信息網(wǎng)絡(luò)和價(jià)格越來(lái)越低廉的傳感器，許多物聯(lián)和智能設(shè)備已經(jīng)能夠很方便地采集到溫度、濕度、光照、空氣質(zhì)量及各設(shè)備分項(xiàng)能耗等信息。利用這些信息，一方面，可以對(duì)住宅建筑的能耗進(jìn)行詳細(xì)分析，找到對(duì)能耗影響較大的因素，為節(jié)能設(shè)計(jì)和改造提供數(shù)據(jù)支撐和決策指導(dǎo)；另一方面，可以對(duì)居住者的用能習(xí)慣進(jìn)行分析，進(jìn)而給居住者提供更加節(jié)能的用能建議。這些采集到的數(shù)據(jù)也給建筑節(jié)能研究帶來(lái)了更加便捷的數(shù)據(jù)收集方法，一般所采用的方式是走訪式和網(wǎng)絡(luò)調(diào)查式的統(tǒng)計(jì)調(diào)查。例如，美國(guó)能源署每?jī)赡暌淮蔚慕y(tǒng)計(jì)調(diào)查，采取的方式是通過(guò)各建筑業(yè)主或開(kāi)發(fā)商提供的資料，將建筑的信息上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，上傳的調(diào)查信息包括了建筑的位置、年份、規(guī)模、功能、電力和燃油消耗、設(shè)備信息和運(yùn)行數(shù)據(jù)等。雖然這種方法看似行之有效，但在我國(guó)，由于各開(kāi)發(fā)商和業(yè)主缺乏建筑信息的統(tǒng)計(jì)和收集的意識(shí)，因此很難保證信息的完整度，而智能設(shè)備的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能可以幫助我們更加全面地搜集我國(guó)住宅建筑信息，用于節(jié)能和舒適性的研究和分析。

4.2 住宅建筑能耗標(biāo)識(shí)系統(tǒng)

能耗標(biāo)識(shí)系統(tǒng)可用來(lái)確定建筑能耗水平、節(jié)能潛力、相應(yīng)節(jié)能措施的節(jié)能量及經(jīng)濟(jì)性，是節(jié)能措施和節(jié)能方案的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。由能耗標(biāo)識(shí)系統(tǒng)得到的結(jié)果還可以為政府、開(kāi)發(fā)商和業(yè)主提供一個(gè)能耗指標(biāo)，用來(lái)將實(shí)際能耗水平和其它同類(lèi)型建筑或建筑不同時(shí)期的能耗水平進(jìn)行比較。目前，建筑能耗標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的建立主要基于簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)化（Simple）、最小二乘法（OLS）、隨機(jī)傅里葉分析（SFA）、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法（DEA）、模擬法（Simulation）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（ANN）等方法。上述方法可以分為公共和內(nèi)部?jī)煞N系統(tǒng)，分類(lèi)的依據(jù)是模型和數(shù)據(jù)是否可被公共用戶使用。其中，Simple 、OLS、 SFA為公共系統(tǒng)，用戶可以直接通過(guò)能耗標(biāo)識(shí)表獲得能耗指標(biāo)，不需要對(duì)方法中的模型進(jìn)行求解；而DEA、Simulation和ANN為內(nèi)部系統(tǒng)，用戶需要獲得算法模型，并利用模型重新計(jì)算能耗指標(biāo)，因此難以實(shí)現(xiàn)公共用途。在公共系統(tǒng)中，以Simple和OLS方法的應(yīng)用最早且最為廣泛，也最為政府和建筑行業(yè)所關(guān)注。內(nèi)部方法中，Simulation作為一種通用的方法，被研究者和工程師廣泛用于分析建筑能耗的影響因素。

目前，針對(duì)建筑能耗標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的發(fā)展以O(shè)LS和Simulation法為主，其研究重點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合也包括住宅建筑。因此，可以沿用已有的系統(tǒng)對(duì)住宅建筑進(jìn)行能效評(píng)價(jià)。需要注意的是，隨著建筑設(shè)計(jì)建造及生活水平的提升，一些標(biāo)識(shí)系統(tǒng)已經(jīng)不再適用，仍需要根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)和采集數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新，而4.1節(jié)提出的數(shù)據(jù)采集方法恰好可以滿足現(xiàn)有住宅建筑能耗標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的更新需求。

4.3 既有住宅建筑環(huán)境智能化節(jié)能控制

根據(jù)4.1和4.2節(jié)的分析，住宅建筑信息采集為住宅建筑的能耗狀況和能耗分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，住宅建筑能耗標(biāo)識(shí)系統(tǒng)為住宅建筑的節(jié)能提供了標(biāo)尺和方向，兩者可進(jìn)一步集成為一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)或?qū)＜蚁到y(tǒng)，并以大數(shù)據(jù)分析和動(dòng)態(tài)能耗計(jì)算模型為核心，得到住宅的舒適性與節(jié)能的控制策略，再利用基于物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)住宅環(huán)境的實(shí)時(shí)控制。其基本原理如圖2所示。

其具體實(shí)施措施為：在房間內(nèi)布置物聯(lián)傳感設(shè)備，對(duì)空氣的溫度、濕度、PM2.5、CO2濃度的數(shù)值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并返回到數(shù)據(jù)庫(kù)，基于個(gè)體最佳舒適性指標(biāo)和動(dòng)態(tài)能耗計(jì)算模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出控制策略，然后利用聯(lián)動(dòng)設(shè)備對(duì)房間內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使室內(nèi)設(shè)備在不影響人體熱舒適性的條件下，以最節(jié)能的方式運(yùn)行，減小人為主觀控制環(huán)境造成的能源浪費(fèi)。

住宅建筑由于其能耗和用戶用能需求及氣象環(huán)境等因素高度耦合，利用大數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)模擬方法可以對(duì)住宅能耗進(jìn)行更加精確的計(jì)算，對(duì)能耗影響因素進(jìn)行更加細(xì)致的分析，而且還可以將計(jì)算結(jié)果反饋給室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)住宅的環(huán)境自動(dòng)控制，是一種具有應(yīng)用和發(fā)展前景的方法。

5 結(jié)語(yǔ)

圖2 智能化改造流程

目前，完全按照建筑節(jié)能要求設(shè)計(jì)的住宅仍很少，有大量的既有建筑存在不同程度的能耗問(wèn)題。對(duì)于已經(jīng)完成主體施工的建筑，很難對(duì)其建筑規(guī)劃、外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行再次施工和改造，因此，對(duì)室內(nèi)的裝潢設(shè)計(jì)、環(huán)境控制、供熱制冷等系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)和應(yīng)用，對(duì)于目前的住宅建筑節(jié)能具有更加重要的意義。但是，就當(dāng)前與建筑總量的增長(zhǎng)相比，其發(fā)展還相對(duì)滯后，無(wú)法滿足國(guó)家對(duì)住宅建筑節(jié)能減排的要求。本文在研究住宅建筑的能耗狀況及能耗構(gòu)成的基礎(chǔ)上，調(diào)研并分析了已有的節(jié)能途徑，探討云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等可以為住宅建筑提供保障舒適環(huán)境、減少設(shè)備耗能的新途徑，同時(shí)指出智能設(shè)備的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能，可以幫助更加全面的搜集我國(guó)住宅建筑的信息用于節(jié)能和舒適性的研究和分析?；贠LS法和動(dòng)態(tài)Simulation法的能耗標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，可以分別針對(duì)大量建筑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和單座建筑詳細(xì)參數(shù)建立能耗標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，從而能夠?qū)ν?lèi)型建筑和不同時(shí)期的建筑本身進(jìn)行評(píng)估和比較，因此可以更加客觀和全面地評(píng)估某座住宅建筑的能耗水平。利用基于物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)動(dòng)裝置，通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)分析和能耗標(biāo)識(shí)系統(tǒng)得到的控制策略，對(duì)住宅環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使室內(nèi)設(shè)備在不影響人體熱舒適性的條件下，以最節(jié)能的方式運(yùn)行，減小人為主觀環(huán)境控制造成的能源浪費(fèi)。此類(lèi)技術(shù)屬于技術(shù)集成的范疇，其中的各項(xiàng)技術(shù)已分別有成功的應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能家居行業(yè)的發(fā)展，此類(lèi)技術(shù)將會(huì)是住宅建筑節(jié)能中的一個(gè)極具潛力的發(fā)展方向。

[1]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展報(bào)告2012,中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

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[8]王鵬,譚剛.生態(tài)建筑中的自然通風(fēng).世界建筑,2004.

Research on the comfort and energy - saving technologies of existing residential buildings

This paper briefl y introduces the energy consumption situation and energy-saving potential of the residential buildings in China. It mainly analyzes the energy consumption structure of residential buildings; energysaving ways of existing residential buildings; discusses the realization of comfortable and energy-saving building through the technologies of Internet of Things, Big Data Mining and Intelligent Home Technology; as well as the feasibility of such technology and development trends.

residential buildings, low energy consumption, comfort

2016-10-17）

本研究受到中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所所長(zhǎng)基金（青年人才培育基金）資助。

田紳，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士研究生，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所；劉稷軒，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士研究生，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所；唐明生，博士，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所助理研究員。