夏热冬暖地区居住建筑应对气候变化节能适应性*

宋鑫焱，叶灿滔，马伟斌

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4. 中国科学院大学，北京 100049）

夏热冬暖地区居住建筑应对气候变化节能适应性*

宋鑫焱1，2，3，4，叶灿滔1，2，3†，马伟斌1，2，3

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4. 中国科学院大学，北京 100049）

为研究夏热冬暖地区居住建筑应对气候变化的适应性，运用TRNSYS动态能耗模拟软件对该地区典型居住建筑能耗进行仿真，制定了居住建筑节能星级评估体系。以广州市为例，分析预测了广州2020年、2050年及2080年的气候变化，并提出应对气候变化的节能措施。研究表明：气温上升1℃，4.0、5.5及6.5星级建筑能耗将分别增长25%、20%及20%；到2080年，气温上升近3.5℃，4.0星级建筑CO2年排放量达53 t/m2，将4.0星建筑升级到5.5和6.5星级，每年可相应减排19.5 t/m2和23.2 t/m2；若以4.0星级建筑当前的CO2排放量为控制目标，则需把建筑围护结构热工性能提升到6.5星级水平，可以实现未来70年减排45%。

夏热冬暖；居住建筑；气候预测；星级评估；气候变化适应性

0 前 言

能源与气候是当今世界最为关注的热点问题之一，建筑能耗因气候而生，气候变化对建筑能源的消耗产生决定性影响，自1980年以来，全球变暖显著，建筑能耗必将随之发生变化［1］。2015年，全球碳排放量总量为335.1亿t，中国碳排放量为91.5亿t，占世界碳排放量的 27.3%，成为碳排放量最多的国家［2-3］。卞家涛等［4］提出，通过大幅度降低建筑能耗、开发利用CO2捕集和封存技术，是减排温室气体的最佳途径之一。我国建筑能源消耗约为全国总能源消耗的三分之一，在建筑能耗中，空调能耗（制冷或供热）与气候变化直接相关，所占能耗比例较大，具有重要研究意义［5-6］。研究气候变化应建立在一定的情景条件下，目前被广泛使用的是 IPCC在《排放情景特别报告中》公布的SRES情景，包括A1、A2、B1及B2四个场景。刘涛［7］基于SRES情景预测法中的B1情景，利用NetCDF软件计算出西安市2050年的气象数据，并利用Energy Plus分析了气候变化对建筑能耗的影响。REN等［8］用Morphing降尺度方法预测出包括悉尼在内的6座城市未来气候变化对建筑能耗的影响，并提出了节能应对措施。

本文利用TRNSYS动态能耗模拟软件计算建筑能耗，对夏热冬暖地区典型居住建筑制定了星级评估体系。首先，有别于传统研究中对于建筑结构热工参数采取逐项达标再强化的方式，从总能耗水平对各星级的建筑进行定量优化分析，具有更好的经济效益，为建筑节能研究探索了新的思路；其次，在应对未来气候变化中，对各星级建筑进行节能减排量化，具有更好的实用性。

1 建筑模型建立

本文研究的居住建筑模型取自《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》［9］，典型居住建筑围护结构各项基本参数如下：建筑体形：一梯两户平面布局，高6层，每户80 m2，矩形建筑；建筑外墙：相当于180 mm砖墙，传热系数2.17 W/（m2·K），太阳辐射吸收系数0.7；楼板：100 mm钢筋混凝土楼板，加10 mm聚苯乙烯泡沫塑料外保温隔热，太阳辐射吸收系数0.7；窗墙比：南43%，北30%，东、西均15%；外窗：铝合金窗，传热系数5.61 W/（m2·K），遮阳系数0.9；室内环境：温度为冬天16℃以上，夏天26℃以下，换气次数1.5次/h。建筑立面及平面如图1所示。

图1 夏热冬暖地区典型居住建筑模型Fig. 1 3D model and plain figure of the studied building

TRNSYS所用的逐时气象数据库为自带的典型年气象数据库［10］。根据典型居住建筑的各项物理参数，在 TRNSYS动态能耗仿真平台中建立如图 1a所示的建筑模型，计算模型能耗，并依据规范值来校核模型。根据《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》中的能耗结果，空调能耗264.0 MJ/（m2·a），采暖能耗55.9 MJ/（m2·a），总能耗319.9 MJ/（m2·a）。本平台计算结果为：空调能耗300.2 MJ/（m2·a），采暖能耗38.6 MJ/（m2·a），总能耗338.8 MJ/（m2·a）。二者总能耗百分比误差约5.9%，在合理的误差范围内［11］。

2 居住建筑模型

2.1 居住建筑节能星级评估体系

为定量分析居住建筑的节能潜力，降低建筑能耗水平，本文开展夏热冬暖地区居住建筑节能星级评估体系研究。以广东省为例，根据调研和走访，结合广东省各气象台站数据的空间完整性和时间连续性，以及典型气象年（TMY）的干球温度、相对湿度、风速、风向、太阳辐射五要素最大值、最小值、平均值的相关性，最后筛选的气象数据台站为12个，所在的行政区分别为韶关、清远、肇庆、广州、河源、梅州、汕头、深圳、江门、阳江、茂名以及湛江，每一个气象站覆盖的气象范围代表一个独立的气候区，其气候区划分如图2所示。

根据 12个气候区内典型居住建筑的能耗特征值，将居住建筑节能等级分为20档，从0.5到10.0星级（Lv0.5～Lv10.0），星级间隔为0.5，低级别代表能耗高、舒适度较差的建筑，高级别代表能耗低、舒适度较好的建筑。具体步骤为：

（1）参考澳大利亚 NatHERS评级制度［12］，取Lv4.0为星级达标底线，对应《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 75-2012）中的居住建筑模型；

（2）根据表1中的参数，逐一调整仿真平台中Lv0.5、Lv5.5、Lv6.0以及Lv10.0等级建筑物围护结构模型的参数（Lv0.5建筑代表超高能耗建筑，Lv10.0建筑代表近零能耗建筑，Lv5.5建筑表示相对Lv4.0建筑节能30%，Lv6.0建筑为在Lv5.5基础上，仅将普通铝合金窗框白玻璃更换为木质窗框中空玻璃得到的建筑模型）。

图2 广东省12个气候区Fig. 2 The 12 climate regions in Guangdong province

表1 TRNSYS模型参数设置Table 1 Parameters of TRNSYS simulation model

（3）计算各气候区4个级别模型的年能耗值，参考澳大利亚NatHERS星级图谱，构建Weibull模型，确定其余16档节能星级的能耗水平。

Weibull模型是概率统计学中的一个著名的分布［13］，该预测模型具有较好的实用性，在生态环保变化预测、人口数量变动、城市化水平等领域有广泛的应用。其图线在前期发展阶段呈加速度增长趋势，发展到一定程度后出现一个拐点，最终趋于一个有限值。Weibull分布的数学表达式如下。

式中：y为各星级建筑的年能耗，MJ/（m2·a）；t为星级级别；α与曲线的渐进性有关；β与截距有关；γ与相应变量从初值到终值的变化速度有关；δ与数据拟合模型的灵活性有关。α、β、γ和δ的值由Lv0.5、Lv5.5、Lv6.0以及Lv10.0的年能耗值算出。将α、β、γ和δ的值带入Weibull模型表达式中，得到其余16个星级建筑的能耗水平，然后得到12个气候区Lv0.5～Lv10.0节能星级对应的年能耗水平，如图3所示。

图3 广东省居住建筑节能评估星级能耗水平图谱Fig. 3 Guangdong provincial house energy consumption rating scheme

2.2 未来典型气象数据预测

建筑能耗需求随着全球气温逐渐上升而日趋加剧，进行气候变化情景预估的主要工具是全球气候系统模式［14］。目前，国际上对未来情景进行模拟研究时，应用较为广泛的为时间序列调整——Morphing方法［15-16］。该方法通过伸缩和位移，将气候变化与已有气象参数时间序列相结合，生成新的气象参数文件。文中对于未来气候的预测，主要包括干球温度、相对湿度和太阳辐射，数学表达式为式（2）～式（4）［8］。

式中：T、T0分别为未来和现在的逐时干球温度，℃；〈T0〉m、〈T0max〉m和〈T0min〉m分别是月平均干球温度、每日最大干球温度和最小干球温度，℃；ΔTm、ΔTMAX，m和ΔTMIN，m分别是月平均干球温度变化、每日最大干球温度变化和每日最小干球温度变化，℃；HR和HR0分别是未来和现在的逐时相对湿度；I和I0分别是未来和现在的逐时太阳辐射，W/m2；αTm、αHm和αRm分别是干球温度、相对湿度、太阳辐射的降尺度伸缩系数。由南安普顿大学开发的CCWorldWeatherGen是基于Morphing方法来预测未来气候的软件［17］，通过输入气候区的历史气象数据，计算各区域的未来气象数据。以广州市为例，其2010年、2020年、2050年和2080年的干球温度如图4所示。

图4 广州市干球温度预测Fig. 4 Predicted ambient dry-bulb temperature in Guangzhou

由计算结果可知，广州地区2020、2050及2080年平均干球温度（Ta）分别较2010年上升了0.82℃、1.91℃和 3.41℃。居住建筑能耗中，照明、热水家电等对于气候变暖敏感性比空调能耗小，研究气候变化对于居住建筑降低空调、采暖的能耗具有重要作用。

3 未来预测气候下的节能途径

3.1 未来气候对于建筑能耗的影响

在TRNSYS中导入CCWorldWeatherGen预测的未来气象数据，设定建筑中空调系统COP值为2.5，计算出各星级建筑在未来气候条件下的建筑总能耗和CO2排放量，包括空间加热和冷却、照明和其他用电设施的能耗。广州地区在未来气候条件下的能耗情况如图5所示。

图5 广州地区气候变化（a）对4.0星级建筑能耗的影响，（b）对5.5星级建筑能耗影响，（c）对4.0、5.5、6.5星级建筑总能耗的影响Fig. 5 Effects of climate change on （a） energy consumption of 4.0-star building，（b） energy consumption of 5.5-star building，（c）general energy consumption of 4.0-，5.5-，and 6.5-star buildings in Guangzhou

基于以上模型计算结果，分析可知，由于冷却能耗显著增加，增加的总能耗中存在加热和冷却的互补抵消区。大气温度上升1℃，4.0星级建筑能耗增长25%，5.5星级建筑能耗增长20%，6.5星建筑能耗增长20%。

对于广州地区居住建筑的未来能源消耗，5.5星级建筑可以应对气温上升 3℃的节能需求，即当气温上升3℃时，5.5星级建筑的能耗与当前4.0星级建筑的能耗相当；当气温上升1℃时，6.5星级建筑的能耗将超过5.5星级建筑的当前能耗，6.5星级建筑不满足气温升高1℃时维持5.5星级当前能耗的节能需求。

在气候变化温度上升3.5℃的条件下，5.5星级建筑的能耗将高于当前4.0星级建筑能耗，6.5星级建筑能耗水平与当前4.0星级建筑能耗水平相当，6.5星级建筑满足气温升高3.5℃时维持4.0星级当前能耗的节能需求。

3.2 气候变暖条件下的节能途径

一般而言，在不改变居民行为的情况下，减少建筑能耗主要有四种方式：

（1）提高建筑围护结构的热工性能，降低建筑能源需求；

（2）采用节能、高能效产品；

（3）使用可再生能源及其产品，如太阳能组件，风力涡轮机，地热能等；

（4）使用替代燃料、低温室气体排放的电器。

对于建筑围护结构的热工性能，通过提高围护结构节能星级水平，可以实现温室气体减排。电能的碳排放系数取 0.785 kgCO2/（kW·h）［18］，则计算结果如表2所示。

表2 提高围护结构节能星级的CO2减排量Table 2 The reduction of CO2emission by enhancing the star level of envelope

由表2可知，广州地区4.0星级建筑在当前和气候变化温度上升3.5℃时的CO2年排放量分别为30.6 t/m2和 53 t/m2；在当前气候条件下，将 4.0星级建筑升级到5.5和6.5星级，每年可分别减排10.6 t/m2和13 t/m2；当气温升高3.5℃时，将4.0星级建筑升级到5.5和6.5星级，每年可分别减排19.5 t/m2、23.2 t/m2。应对全球气候变暖，加强建筑节能适应能力，可以从以下两个方面着手：

（1）对于既有建筑的改造，将 4.0星级建筑升级到5.5星级，具体改进措施为：热阻由55%屋顶面积的R1.0提升到100%屋顶面积的R2.0，外墙砖贴面升级到R1.0保温面砖贴面。

（2）对于新建建筑，建筑的标准从 5.5星级提升到6.5星级，具体提升措施为：热阻由屋顶R4.0降低到R3.5，外墙提升到R2.0，外墙砖贴面升级到R3.0保温面砖贴面，外窗窗框由铝合金升级到木质窗框，采用双玻璃窗。

实施节能改造措施后，各星级建筑适应气候变化的能耗情况如图6所示。

图 6 节能改造前后建筑应对未来气候变化的能耗水平Fig. 6 Energy consumption of the original and retrofitted buildings on condition of predicted weather data

在2050年末，气温将上升2.0℃，由图6可知，为维持建筑物的能源消耗在其使用寿命内不超过原设计水平，只需把目前建筑按照 5.5星级施工。对于2080年末，气温上升近3.5℃，若以该时期的建筑能耗为控制目标，则需把目前建筑围护结构提升到 6.5星级水平，通过提高围护结构的热工性能来实现减排的目的。

4 结 论

本文依据夏热冬暖地区居住建筑设计标准设立了典型居住建筑模型，通过对居住建筑模型进行能耗模拟，建立了广东省居住建筑节能评估星级，并预测出广东省未来气象数据的变化，计算出各星级建筑在未来气候条件下的能耗水平，并制定出相应的节能减排措施，结果表明：

（1）广东省居住建筑节能星级分为Lv0.5～10.0级，Lv0.5星级表示高能耗建筑，星级越高建筑能耗水平越低。

（2）广东省气温呈上升趋势，以广州为例，该地区2020、2050及2080年平均干球温度较2010年分别提升了 0.82℃、1.91℃和 3.41℃。在大气气温上升1℃的情况下，4.0、5.5及6.5星级建筑能耗增长 25%、20%及 20%；若气温上升 2.0℃，将当前建筑按照 5.5星级施工，可以维持既有建筑物的能源消耗在其使用寿命内不超过原设计水平；气温上升3.5℃时，将4.0星级建筑升级到5.5和6.5星级，每年可分别减排CO219.5 t/m2和23.2 t/m2。

（3）若以当前的CO2排放量为控制目标，则需把目前建筑围护结构提升到6.5星级水平，未来70年可以实现节能45%，为实现国家制定的节能65%的目标研究做了一定的探索。

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Climate Change Adaptation Pathways for Residential Buildings in Hot Summer and Warm Winter Zone in China

SONG Xin-yan1，2，3，4，YE Can-tao1，2，3，MA Wei-bin1，2，3
（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，China；4. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In order to investigate the climate change adaptation pathways for residential buildings in hot summer warm winter zone in China，the building energy consumption rating schemes in this area were built based on the dynamic thermal performance of residential buildings by using TRNSYS software. The future climate change of Guangzhou in 2020s，2050s and 2080s was analyzed，and then adaptation pathways were put forward. The results showed that an increase of 1oC in global warming will induce the energy consumptions of 4.0-，5.5-，and 6.5-star buildings by 25%，20%，and 20%，respectively. And if an increase of 3.5oC comes true in 2080s，annual CO2emission of the 4.0-star building will reach 53 t/m2. However，if we retrofit and update the building to 5.5- or 6.5-star，19.5 or 23.2 t/m2reduction of CO2emission can be obtained accordingly. Moreover，45% reduction of CO2emission in the future 70 years is available if the envelopes of current buildings can be retrofitted to 6.5-star.

hot summer and warm winter zone；residential building；climate prediction；house energy rating；climate change adaptation

TK-9；TU831.6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.05.012

2095-560X（2016）05-0411-06

宋鑫焱（1990-），女，硕士研究生，主要从事建筑节能研究。

叶灿滔（1980-），男，高级工程师，主要从事建筑节能、可再生能源建筑一体化研究。

马伟斌（1959-），男，研究员，主要从事地热能发电、制冷和太阳能发电、供热研究。

2016-06-27

2016-07-26

广东省重大科技专项（2013A011404007）；广东省科技计划项目（2013B091500026）

† 通信作者：叶灿滔，E-mail：yect@ms.giec.ac.cn