比較不同氣候區(qū)人行為對住宅能耗影響的方法

彭海瀅 薛雨、2 翟志強(qiáng)、2*

1 大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部

2 科羅拉多大學(xué)伯德分校土木學(xué)院

0 引言

居住建筑中用戶的行為習(xí)慣，是影響建筑能耗最主要的因素之一。國內(nèi)外學(xué)者對如何橫向?qū)Ρ炔煌瑲夂騾^(qū)居民行為習(xí)慣的節(jié)能效果有相關(guān)研究，但使用建筑能耗[1]或節(jié)能率[2]作為節(jié)能效果的評價(jià)指標(biāo)，并未排除氣候條件對能耗的影響，無法單獨(dú)分析不同氣候區(qū)用戶行為習(xí)慣的節(jié)能效果。

國際上通常通過修正的方式，消除氣候?qū)ㄖ芎牡挠绊慬3]，度日數(shù)法是最常用的方法之一。有學(xué)者利用度日數(shù)法對能耗進(jìn)行氣候修正，以判斷建筑節(jié)能改造后的節(jié)能效果[4-5]。

本文中根據(jù)各地的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定各地建筑熱工參數(shù)，計(jì)算各氣候區(qū)按照居民習(xí)慣模擬的建筑能耗與基準(zhǔn)能耗的差別，并用度日數(shù)法進(jìn)行氣候修正，從而實(shí)現(xiàn)不同氣候區(qū)居民行為模式對建筑能耗影響的橫向?qū)Ρ群头治觥?/p>

1 方法

在橫向比較某一節(jié)能措施在不同氣候條件下的相對節(jié)能效果時(shí)，應(yīng)當(dāng)排除其他無關(guān)因素對能耗的影響。由于各地氣候的差異，建筑在設(shè)計(jì)和建造過程中的熱工參數(shù)也有的明顯差別，這同樣會對人行為導(dǎo)致的能耗產(chǎn)生影響。因此本文探討不同氣候區(qū)居民的行為習(xí)慣對居住建筑能耗的影響時(shí)，將對能耗產(chǎn)生影響的因素劃分為：建筑本身的設(shè)計(jì)因素，當(dāng)?shù)貧夂驐l件和建筑內(nèi)人的行為。以下對本文中為排除建筑自身設(shè)計(jì)因素及氣候因素對能耗造成影響，采用的方法進(jìn)行說明。

1.1 排除建筑自身設(shè)計(jì)因素對能耗的影響

建筑本身的設(shè)計(jì)因素包括建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑熱工設(shè)計(jì)，為排除不同建筑結(jié)構(gòu)對能耗造成的影響，可在各氣候區(qū)采用統(tǒng)一的建筑結(jié)構(gòu)模型[1]或采用單位面積能耗作為評價(jià)指標(biāo)[6]，本文中通過在各氣候區(qū)采用統(tǒng)一的建筑結(jié)構(gòu)模型的方式，排除由建筑結(jié)構(gòu)不同對能耗造成的影響。對于建筑熱工設(shè)計(jì)，由于我國幅員遼闊，地域跨度大，地區(qū)之間溫度、濕度、太陽輻射等氣候條件的差異很大。我國在進(jìn)行建筑熱工設(shè)計(jì)時(shí)因地制宜地將我國劃分為五個(gè)主要的建筑氣候區(qū)，分別為嚴(yán)寒地區(qū)，寒冷地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)，溫和地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)，并根據(jù)每個(gè)建筑氣候區(qū)的氣候特點(diǎn)，制定了相應(yīng)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)），目前我國新建建筑的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行率為100%[7]，本文不考慮建筑的個(gè)性化差異對建筑能耗的影響，按照建筑所在氣候區(qū)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定建筑模型中的熱工設(shè)計(jì)參數(shù)。綜上，本文中用統(tǒng)一建筑結(jié)構(gòu)模型，采用當(dāng)?shù)毓?jié)能標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定建筑熱工參數(shù)，將建筑設(shè)計(jì)參數(shù)對能耗的影響進(jìn)行嚴(yán)格控制。

在進(jìn)行能耗模擬部分時(shí)，參照各地建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中對建筑結(jié)構(gòu)、材料等（如窗墻比、層高、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)）的規(guī)定設(shè)置建筑熱工設(shè)計(jì)參數(shù)，并根據(jù)居住建筑中的普遍情況設(shè)置室內(nèi)熱擾（如室內(nèi)人員數(shù)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(guān)窗模式下的能耗情況進(jìn)行模擬計(jì)算。

本文以開窗習(xí)慣為例進(jìn)行不同氣候區(qū)人行為模式對建筑能耗影響的橫向?qū)Ρ?。由于用戶的行為，尤其是居住建筑中居民的行為極難預(yù)測，故我國未有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對居民開窗時(shí)間進(jìn)行規(guī)定，因此本文選用計(jì)算全年關(guān)窗（簡稱關(guān)窗模式）時(shí)，各地代表建筑在代表城市中的能耗作為基準(zhǔn)，然后計(jì)算根據(jù)實(shí)測的各地居民習(xí)慣開窗（簡稱開窗模式）時(shí)的全年能耗作為變動能耗，對基準(zhǔn)能耗和變動能耗進(jìn)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(xí)慣節(jié)能效果的評價(jià)指標(biāo)，從而排除各地?zé)峁ぴO(shè)計(jì)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(fēng)模式下的供熱、供冷能耗后，對能耗進(jìn)行氣候修正。度日數(shù)法是排除氣候?qū)ㄖ芎挠绊憰r(shí)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(nèi)的供熱度日數(shù)（或供冷度日數(shù)），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(qū)的不同建筑的能耗水平，或比較同一建筑在不同時(shí)間內(nèi)采用不同節(jié)能措施的實(shí)際節(jié)能效果[8]。對于單熱工分區(qū)建筑，如居住建筑或小型商業(yè)建筑中，建筑供熱能耗和供冷與室外溫度存在明顯線性關(guān)系[9]，且線性關(guān)系的回歸線必通過橫坐標(biāo)軸上的表示基準(zhǔn)溫度的點(diǎn)[10]。而度日數(shù)為一段時(shí)間內(nèi)室外干球溫度與基準(zhǔn)溫度差值的累加值，因此可利用度日數(shù)與能耗之間的相關(guān)性進(jìn)行氣候修正。使用度日數(shù)法進(jìn)行氣候修正時(shí)，必須將供熱、供冷能耗從總能耗中單獨(dú)提取出來[3]，本文的建筑能耗數(shù)據(jù)是通過模擬得到的，能夠準(zhǔn)確地將供熱，供冷能耗與其他建筑能耗區(qū)分出來，因此可以使用度日數(shù)法進(jìn)行氣候修正。

本文首先確定各地代表建筑的度日數(shù)基準(zhǔn)溫度，從而計(jì)算供熱度日數(shù)和供冷度日數(shù)?；鶞?zhǔn)溫度（也稱為臨界溫度）的物理意義為，室內(nèi)得熱量和失熱量平衡，建筑不需要供熱（或供冷）時(shí)室外的干球溫度[11]。由物理意義可知，基準(zhǔn)溫度與建筑的室內(nèi)設(shè)施、采用的節(jié)能措施和室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度有關(guān)，故直接對所有建筑采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)溫度計(jì)算度日數(shù)不夠準(zhǔn)確。變基點(diǎn)溫度法是確定度日數(shù)基準(zhǔn)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(xì)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(shù)關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)的基準(zhǔn)溫度，并認(rèn)定該溫度為建筑的基準(zhǔn)溫度。這種利用回歸分析估算基準(zhǔn)溫度的方式雖然使物理意義變得模糊，但在用于分析氣候?qū)幼〗ㄖ芎牡挠绊憰r(shí)十分有效[11]。變基點(diǎn)度日數(shù)法的公式如下所示：

式中：α1、α2和β1、β2分別為兩個(gè)線性回歸方程的截距和斜率；α3為供熱基準(zhǔn)溫度，℃；β3為供冷基準(zhǔn)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(zhǔn)溫度α3對應(yīng)的供暖度日數(shù)，第1到n 天中，當(dāng)α3大于Ti時(shí)，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(shù)，℃·d；Eh為n 天的建筑供熱能耗；CDD (β3) 為供冷基準(zhǔn)溫度β3對應(yīng)的供冷度日數(shù)，第1 到n 天中，當(dāng)β3小于Ti時(shí)，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(shù)，℃·d；Ec為建筑n 天的供冷能耗。

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

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

計(jì)算出供熱度日數(shù)和供冷度日數(shù)后，采用度日數(shù)法對建筑能耗進(jìn)行氣候修正，修正的供熱能耗和供冷能耗的計(jì)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(shí)際供熱能耗；ENorm,c為修正后的供冷能耗；EAnnual,c為建筑實(shí)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(shè)計(jì)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(jīng)過能耗模擬，氣候修正和比較分析三個(gè)步驟，具體計(jì)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(zhǔn)溫度驗(yàn)證

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

式中：Qs為透過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射量，W；Qp為室內(nèi)得熱量，W；Qf為建筑冷風(fēng)滲透失熱量，W；Qe為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量，W。

文獻(xiàn)[4]和[12]中采用的標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)照明，用電設(shè)備及人員散熱總量為3.8 W/m2，滲風(fēng)量取0.5次/h，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為12 ℃。各城市的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)如表1[12]所示，由于模擬的是頂層單元，故地面設(shè)置為絕熱。各城市基準(zhǔn)溫度計(jì)算結(jié)果如表2 所示，差異率均小于13%，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果基本一致，差異由計(jì)算方法的不同和氣象參數(shù)的選取造成。故經(jīng)過驗(yàn)證，本文采用變基點(diǎn)度日數(shù)法計(jì)算基準(zhǔn)溫度的可保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 各城市建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

3 建筑模型

本文采用的統(tǒng)一建筑模型為一個(gè)五層的居住建筑，建筑面積1980 m2。建筑內(nèi)每層有4 戶住宅，2 個(gè)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(yán)寒地區(qū)的沈陽市，寒冷地區(qū)的北京市，夏熱冬冷地區(qū)的武漢市，夏熱冬暖地區(qū)的廣州市，溫和地區(qū)的昆明市作為代表城市，并且選用各氣候區(qū)現(xiàn)行國家建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[13-16]作為各地代表建筑的邊界條件設(shè)置。熱工參數(shù)具體設(shè)置如表3 所示，空調(diào)、人員及用電設(shè)備具體參數(shù)如表4 所示。嚴(yán)寒地區(qū)，寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，故按照《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50736-2012》[17]中3.0.2 條相關(guān)規(guī)定，取室內(nèi)空調(diào)計(jì)算溫度最低要求28 ℃。室內(nèi)人員平均散熱量，根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊》[18]中相關(guān)規(guī)定，按照每戶有一名成年男性，一名女性，一名兒童計(jì)算平均散熱量。

圖2 代表建筑模型示意圖

表2 供熱基準(zhǔn)溫度計(jì)算結(jié)果對比

表3 各城市代表建筑熱工設(shè)計(jì)參數(shù)

賴達(dá)祎等人，通過調(diào)研全國五個(gè)建筑氣候區(qū)，10個(gè)代表性城市，共63 戶住戶的開窗行為，統(tǒng)計(jì)得到各氣候區(qū)不同季節(jié)的開窗時(shí)間[19]。本文參考其開窗行為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，作為各地區(qū)建筑的開窗條件進(jìn)行模擬。各氣候區(qū)具體開窗時(shí)間如表5[19]所示，其中四個(gè)季節(jié)的起止日期按照候溫法[20]劃分得到。

表4 建筑室內(nèi)熱擾和空調(diào)使用時(shí)間設(shè)置

表5 各氣候區(qū)開窗時(shí)間

4 模擬結(jié)果

本文采用變基點(diǎn)溫度法找到各地代表建筑的采暖基準(zhǔn)溫度和制冷基準(zhǔn)溫度，計(jì)算時(shí)選取的溫度范圍及每個(gè)溫度對應(yīng)的擬合度（即R2）如圖3 及圖4 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，各地代表建筑的采暖基準(zhǔn)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(jì)算基準(zhǔn)溫度，也沒有修正的供熱能耗。各城市代表建筑的制冷基準(zhǔn)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(jù)各城市代表建筑基準(zhǔn)溫度，計(jì)算出各地代表建筑的度日數(shù)如表6 所示。

圖3 各代表建筑采暖基準(zhǔn)溫度及對應(yīng)擬合度

圖4 各代表建筑供冷基準(zhǔn)溫度及對應(yīng)擬合度

表6 各代表建筑供暖度日數(shù)和供冷度日數(shù)

各城市代表建筑關(guān)窗模式下的能耗模擬結(jié)果如圖5、圖6 所示。由圖5 可知，所有代表城市中，嚴(yán)寒地區(qū)沈陽市代表建筑的實(shí)際供熱能耗最高，然后依次為寒冷地區(qū)北京市和夏熱冬冷地區(qū)武漢市，除夏熱冬暖地區(qū)的廣州市代表建筑不需供熱以外，溫和地區(qū)昆明市代表建筑的供熱能耗最低。經(jīng)過氣候修正后，能耗趨勢發(fā)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(shí)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(shí)際供冷能耗最低。經(jīng)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(guān)窗模式下供熱能耗對比

圖6 各城市代表關(guān)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(xí)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(shí)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(shí)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(jié)能量

根據(jù)本文中的設(shè)置條件，關(guān)窗模式下廣州市代表建筑不需要供暖，故供熱度日數(shù)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(guān)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(jù)本文中的模擬結(jié)果，由于關(guān)窗模式下，各城市建筑熱工設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)毓?jié)能標(biāo)準(zhǔn)建立，且各城市熱擾設(shè)置均相同，因此關(guān)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(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對當(dāng)?shù)鼐幼〗ㄖ芎牡目刂扑健Ｓ赡M結(jié)果可知，各地代表建筑關(guān)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(qū)分別是昆明地區(qū)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(qū)分別是昆明地區(qū)的1.38、1.63、1.27、1.07 倍。由此可分析，溫和地區(qū)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相對其他標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)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(qū)，其它氣候區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對當(dāng)?shù)亟ㄖ芎牡目刂扑捷^差。除夏熱冬暖地區(qū)的代表建筑不需供暖外，各氣候區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對供熱能耗的控制水平從高到低依次為溫和地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)。各氣候區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對供冷能耗的控制水平從高到低依次為溫和地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)。該結(jié)論有待采用更多類型的建筑模型或?qū)崪y的建筑能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

對比開窗模式和關(guān)窗模式的能耗模擬結(jié)果，各城市的居民開窗習(xí)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(qū)開窗習(xí)慣對修正后的供熱能耗造成的增量最小，昆明地區(qū)增量最大。北京地區(qū)居民開窗行為對修正后的供冷能耗的節(jié)能效果最好，武漢地區(qū)最差。開窗模式下供熱能耗較關(guān)窗模式高，供冷能耗較低，其原因是，住戶夏季的開窗習(xí)慣主要受室內(nèi)外溫差的驅(qū)動，因此夏季開窗習(xí)慣能起到節(jié)能的效果。然而，住戶在冬季的開窗習(xí)慣是為了調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣品質(zhì)，如二氧化碳濃度等，并非完全為了調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，因此多數(shù)時(shí)間開窗會造成供熱能耗的增加。

全年關(guān)窗的條件下，建筑中僅有滲透風(fēng)可作為自然通風(fēng)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，與實(shí)際情況相差較大。但在本文中僅采用全年關(guān)窗模式作為基準(zhǔn)方案，用于橫向比較不同氣候區(qū)居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對能耗的控制水平，并作為與開窗模式比較的基準(zhǔn)方案，其能耗結(jié)果并不能代表當(dāng)?shù)亟ㄖ芎乃剑瑑H可用于橫向比較不同氣候區(qū)的能耗水平變化趨勢。

本文采用度日數(shù)法對各地代表建筑的能耗進(jìn)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(shù)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(fēng)速、濕度等其他氣候因素。因此，利用度日數(shù)法對建筑能耗進(jìn)行氣候修正的方法，在太陽得熱和風(fēng)速對建筑熱平衡沒有決定性影響的地區(qū)應(yīng)用更為可靠[3]，在其他地區(qū)也可選用其他方法進(jìn)行氣候修正。

本文中計(jì)算未采用我國現(xiàn)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的供熱和供冷基準(zhǔn)溫度以及各城市度日數(shù)，進(jìn)行度日數(shù)法氣候修正相關(guān)計(jì)算，而是采用變基點(diǎn)度日數(shù)法計(jì)算各代表建筑的基準(zhǔn)溫度從而得到度日數(shù)，并對能耗進(jìn)行氣候修正。這樣做的原因是，國家建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定各城市的度日數(shù)，主要用于劃分熱工分區(qū)和估算一個(gè)地區(qū)的建筑能耗水平，因此選取一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)溫度，代表全國大部分建筑的平均水平，并不強(qiáng)調(diào)建筑之間的個(gè)體差異。而本文中利用度日數(shù)與建筑能耗之間的線性關(guān)系，排除氣候因素對能耗的影響，從而比較不同地區(qū)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(qū)代表建筑按照當(dāng)?shù)鼐幼〗ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)，故建筑之間差異巨大?；鶞?zhǔn)溫度主要與建筑的外形，滲風(fēng)量，室內(nèi)熱源，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱性能和太陽輻射得熱有關(guān)。采用不同的建筑模型，不同的模擬條件設(shè)置，基準(zhǔn)溫度勢必會發(fā)生變化，因此不能采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)溫度進(jìn)行計(jì)算。而且，我國現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)國際慣例，將供熱基準(zhǔn)溫度規(guī)定為18 ℃。然而該基準(zhǔn)溫度是在室內(nèi)溫度為23～24 ℃的條件下給出的[4]，明顯與我國建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的相關(guān)規(guī)定不符，且隨著我國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫、氣密性等性能都有了較大的提升，因此不宜繼續(xù)采用18 ℃作為基準(zhǔn)溫度的選取標(biāo)準(zhǔn)。除度日數(shù)基準(zhǔn)溫度外，我國在《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）中規(guī)定累年日平均溫度穩(wěn)定低于或等于供暖室外臨界溫度的總?cè)諗?shù)為一個(gè)地區(qū)的采暖期時(shí)長，并規(guī)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(lián)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定[22]，是在室內(nèi)滿足人體衛(wèi)生要求的下限環(huán)境溫度（12 ℃）的基礎(chǔ)上提出的。隨著近年節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)熱舒適要求的提高，這個(gè)臨界溫度的取值也無法作為本文供熱基準(zhǔn)溫度的取值參考。

基準(zhǔn)溫度的物理意義為，建筑得熱等于失熱的時(shí)刻，室外的干球溫度。然而，建筑的熱平衡是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過程，因此本文中通過變基點(diǎn)度日數(shù)法計(jì)算的基準(zhǔn)溫度，并不說明只要室外溫度超出基準(zhǔn)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(tài)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(zhǔn)溫度進(jìn)行了深入的研究，本文與其相同，均采用了各氣候區(qū)的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為模擬設(shè)置條件計(jì)算各城市代表建筑的供熱基準(zhǔn)溫度。除采用的建筑模型不同以外，在照明功率密，用電設(shè)備功率，人員數(shù)量和滲風(fēng)量選取上也有較大差別。本文中參照最新版《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50034-2013》[23]中對住宅照明功率密度的相關(guān)規(guī)定，設(shè)置照明密度為6 W/m2，并參照Dest 軟件中的推薦值設(shè)置照明作息。人員設(shè)置為3 人，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[18]和文獻(xiàn)[21]設(shè)置人員散熱量和作息。根據(jù)普遍住戶的家用電器設(shè)備設(shè)置室內(nèi)用電設(shè)備功率和作息。根據(jù)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對門窗氣密性的規(guī)定，設(shè)置門窗縫隙的密封性能，滲風(fēng)量根據(jù)建筑門窗縫隙長度和室外氣象條件逐時(shí)變化。本文中邊界條件更貼近實(shí)際情況。而以上差異均為造成本文中供熱基準(zhǔn)溫度計(jì)算結(jié)果與該文獻(xiàn)中結(jié)果存在差別的原因。以沈陽市為例，將照明功率、人員數(shù)量、室內(nèi)用電設(shè)備功率密度和滲風(fēng)量調(diào)整至與該文獻(xiàn)中一致，則沈陽市代表建筑的供熱基準(zhǔn)溫度與該文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果基本一致。由此說明本文中供熱的基準(zhǔn)溫度與該文獻(xiàn)中計(jì)算結(jié)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(gè)城市，由于建筑模型和模擬邊界條件的不同，基準(zhǔn)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(xí)慣對能耗的影響情況的標(biāo)準(zhǔn)化方法，模擬結(jié)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(shí)，本文在每個(gè)氣候區(qū)選取一個(gè)城市，作為該氣候區(qū)的代表城市，但部分氣候區(qū)（如嚴(yán)寒地區(qū)）地域較大，一個(gè)氣候區(qū)內(nèi)包含多個(gè)子氣候區(qū)，子氣候區(qū)之間也存在氣候差異。因此，在之后的研究中可以根據(jù)細(xì)化的氣候分區(qū)選取更多的代表城市進(jìn)行模擬和比較分析。另外，為排除其他因素對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，本文中采用了統(tǒng)一的建筑結(jié)構(gòu)及朝向。但各城市的主導(dǎo)風(fēng)向不同，統(tǒng)一建筑朝向可能影響某些地區(qū)住戶開窗習(xí)慣的節(jié)能效果。

6 結(jié)論

本研究提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法，通過對不同氣候區(qū)代表建筑采用某一習(xí)慣前后的能耗差進(jìn)行氣候修正，從而橫向?qū)Ρ炔煌瑲夂驐l件下人的某一行為習(xí)慣模式對能耗的影響情況，并以各氣候區(qū)開窗習(xí)慣為例，對方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

本文通過對比各氣候區(qū)代表建筑根據(jù)實(shí)測的用戶習(xí)慣開窗和全年關(guān)窗兩種模式下，經(jīng)過氣候修正的供熱能耗及供冷能耗的差值，橫向?qū)Ρ雀鳉夂騾^(qū)居民開窗習(xí)慣的節(jié)能效果。由模擬結(jié)果可知，相對于全年關(guān)窗的情況，各氣候區(qū)實(shí)測的居民夏季開窗習(xí)慣均起到了節(jié)能的效果，而實(shí)測的冬季開窗習(xí)慣比全年關(guān)窗模式耗能更多。相對于各地氣候條件，沈陽地區(qū)實(shí)測的居民開窗習(xí)慣對供熱能耗的影響相對較小，昆明地區(qū)的影響最大；北京地區(qū)實(shí)測的居民開窗習(xí)慣對供冷能耗的節(jié)能效果最好，武漢地區(qū)最差。

除此之外，本文在對比各氣候區(qū)用戶開窗習(xí)慣的節(jié)能效果的過程中，對位于不同氣候區(qū)，采用當(dāng)?shù)毓?jié)能標(biāo)準(zhǔn)的同一建筑模型全年關(guān)窗模式下的供熱和供冷能耗進(jìn)行了氣象修正，從而比較各氣候區(qū)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相對于代表城市當(dāng)?shù)貧夂驐l件的能耗控制水平，但有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

附圖A 人員作息

附圖B 燈光使用時(shí)間

附表C 用電設(shè)備使用時(shí)間