既有住宅建筑舒适性与节能技术研究

■ 田 绅 Tian Shen 刘稷轩 Liu Jixuan 唐明生 Tang Mingsheng

既有住宅建筑舒适性与节能技术研究

■ 田 绅 Tian Shen 刘稷轩 Liu Jixuan 唐明生 Tang Mingsheng

文章简要阐述我国住宅建筑的能耗状况和节能潜力，重点分析住宅建筑的能源消耗构成和既有住宅建筑的节能途径，探讨基于物联网技术，大数据挖掘技术和智能家居技术为住宅建筑提供舒适环境、减少能耗的新途径，以及此类技术的可行性和发展趋势。

住宅建筑；低能耗；舒适性

0 引言

近年来，我国的城镇化进程显著提升，随之产生的民生改善和经济发展的庞大需求，使得住宅的建设总量迅猛增长，城镇住宅房屋总量在2012年达到了144亿m2[1]， 并以每年新增约19亿m2的速度保持增长。在人们居住面积增加、生活水平不断提高的同时，与之相关的电器设备拥有率也迅速提高，且当前我国城镇居民主要家电（空调、冰箱、热水器和电视机等）的拥有率已经接近饱和，由此所带来的电力消耗对国家电力和能源需求提出了严峻的挑战。因此，国家发改委、科技部等部委在2016年出台了《关于促进绿色消费的指导意见》，鼓励建筑节能设备和绿色建筑技术的推广及应用。

本文旨在对住宅建筑的能耗状况、能源消耗构成和既有住宅建筑的节能途径进行分析，同时借鉴大数据、智能家居和物联网等新兴产业的成果，研究一些在保障用户热舒适性要求基础上取得较好节能效果的技术集成方案的应用前景和可行性。

1 我国住宅建筑能耗状况

我国城镇民用建筑能耗约占社会总能耗的20%[2]。其中，城镇民用住宅采暖能耗约占民用建筑总能耗的44%，除采暖外的住宅能耗约占民用建筑总能耗的18%～20%[3]，剩余的民用建筑能耗则由非住宅民用建筑和大型公共建筑的能耗组成。因此，民用住宅建筑的能耗大约占社会总能耗的12%左右。然而，无论是建筑总能耗占社会总能耗的比例（发达国家1/3），还是人均建筑能耗（中国394kgce/人，美国4714kgce/人）或单位面积建筑能耗（中国13.29kgce/m2，美国50.35kgce/ m2）所占的比例，我国都远低于发达国家水平[4]，这是由我国的经济发展水平及居民收入状况所决定的。随着我国城镇化步伐的加快，以及更加现代化和智能化的生活方式的推动，可以预见，我国住宅建筑的能耗还会有很大的增长（增长比例甚至会超过50%[2]）。如果保持现有的建筑建造和运行技术不变，将会给我国的能源供给带来更大的压力。

面对上述问题，我国早在2005年起就已经全面实行“总节能量不低于65%”的建筑节能相关标准，北京、天津等地在近几年甚至已将该节能量要求提升至75%。然而，即便目前的新建建筑能耗较上世纪末的建筑已大大降低，仍有进一步提升的空间。从采暖能耗来看，目前的采暖平均能耗分布在60～120kWh/m2之间，通过改善围护结构、减少渗风等措施，还可以将该能耗降低至45～90kWh/m2[2]。利用“部分时间、部分空间”的用能策略、有效的自然通风、能效等级更高的电器设备及太阳能生活热水等措施，还可以将除采暖外的其他建筑能耗维持在现有水平，使其不会随着今后民众对能源需求的快速增加而进一步恶化。由此可见，住宅建筑节能的潜力和需求仍然很大，它是缓解社会用能紧张的一个行之有效的措施。因此，针对住宅建筑节能技术和节能措施的研究一直都是能源界的一个研究重点[3]。

2 住宅建筑的能耗构成

住宅建筑能耗是指住宅在使用过程中消耗的能量，主要包括采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器等。其中，采暖和空调能耗占65%，生活热水占15%，电视和照明占14%，厨房饮食约占6%[3]。住宅建筑由于内部发热量低、体表比小，其热性能主要依赖于外界气象环境。据此，目前的住宅建筑节能主要围绕提高围护结构的保温隔热性能和供热制冷系统效率两个方面展开。当然，并不是唯一途径，我们也可以对建筑规划、室内装潢设计、材料与部品选择、室内环境控制方案、采暖空调系统选择等每一个环节进行深入细致的研究，根据当地的气候环境确定最适宜的住宅建筑建造和运行方案。然而，在我国每年新建的城镇住宅中，完全按照建筑节能要求设计的不足6%[3]，这说明有大量的既有建筑存在着保温隔热性能差、供热制冷系统效率低下等问题。由于在既有建筑完成建筑主体施工后，已很难对建筑规划、外墙围护结构等进行再次施工和改造，因此，对室内的装潢设计、环境控制和供热制冷等系统的节能设计和应用，对于目前的住宅建筑节能具有更加重要的意义。

3 既有住宅建筑的节能途径

既有建筑的节能途径主要包括节能外窗技术、遮阳技术、相变材料应用、节能通风技术、采光节能技术、太阳能利用和采暖空调系统优化技术等，下面逐项详细论述。

3.1 节能外窗技术

外窗的设计是节能建筑设计中非常复杂的环节。从对外窗的性能需求方面来看，冬季除了外窗的保温隔热性能要好，还要有更高的阳光透过率，以最大限度地减少采暖负荷；夏季则需要有效减少太阳辐射进入室内。不仅如此，还要在设计中考虑利用自然采光减少照明能耗的问题。从外窗的材料来看，一般外窗玻璃的热阻值越大，其透光性越差，这给舒适性和节能之间带来了矛盾。为处理好上述两方面的问题，一般较好的节能设计是选用透光性好的玻璃或高透性的Low-E（低辐射）膜，但需要注意的是，夏季外窗的遮光问题。

此外，窗框的形式对于室内通风的影响很大，而室内的有效通风可以快速移除室内的污染物，进而改善室内空气品质。优化的通风设计甚至可以代替机械通风装置，从而有效降低建筑能耗。因此，外窗的形式对于住宅建筑的节能设计也很重要。根据一些已有的研究成果[5]，图1所示的外窗形式具有最大的通风速率，且气密性更好。

3.2 遮阳技术

图1 水平轴外窗结构形式

对住宅建筑外窗进行遮阳处理，可以避免阳光直射室内和过分加热外围护结构，从而有效降低室内的热负荷，还可以防止室内过强光照带来的光污染问题。因此，遮阳是一项既能实现节能又能保证室内舒适性的技术。国外的研究表明，遮阳技术的节能收益为10%～24%，而其投资成本只有不到2%，这说明该技术具有很好的经济性。

外窗遮阳大体上可以分为室内遮阳和室外遮阳两种。室内遮阳一般有窗帘、卷帘和百叶窗等样式，浅色色调的运用对遮阳更加有利。室外遮阳一般有水平遮阳、垂直遮阳、挡板式遮阳、外置卷帘和遮阳棚等构造形式，特别适合于建筑夏季遮阳。

在两者的设计和选择上，我们还需注意一些关键问题。首先，室外遮阳需要考虑建筑的整体性和美观性，因为形形色色的外遮阳形式会使建筑整体立面显得杂乱无章，影响美观。其次，室内遮阳的效果较室外遮阳差，因为室内遮阳无法避免透过外窗玻璃的辐射得热。与室外遮阳相比，一般来讲，室内浅色百叶窗只能减少17%的辐射得热，而室外遮阳可以轻易遮挡68%以上的太阳辐射，因此室外遮阳的节能效果更佳。当然，室内遮阳能够帮助遮挡视线，满足用户对私密性的要求，因此对于住宅建筑来说，难以被取代。综上，针对遮阳的较优设计方案是考虑两者兼备，既要满足遮阳要求又要满足实用功能的要求。

3.3 相变材料的应用

相变材料的蓄能作用可以改善建筑的热特性，使全年室温都能够更加靠近舒适区，从而显著节省采暖和空调的用能。

相变材料在建筑中的应用形式主要有三类：①冬季白天利用太阳能蓄存一定的热能，在夜间进行释放，减少采暖能耗；②在夏季昼夜温差大的地区，蓄存夜晚的自然冷能，在白天释放，降低空调能耗；③利用峰谷电价，在夜晚低电价时，制备和蓄存冷量，再在白天使用，降低空调用能成本，并且在夜间环境中制备冷量可以使制冷系统在更高的效率下运行，也可进一步降低成本。由此可见，相变材料的应用是建筑节能和室内环境控制中一项非常有效的途径。

考虑到既有建筑的外围护结构已很难进行改造，本文只对应用于室内的相变材料部品进行论述，主要有相变蓄能吊顶系统和相变蓄能地板采暖系统两种。相变蓄能吊顶系统的原理是，夜晚通过风机引入室外冷风进入吊顶，对吊顶内的相变材料进行蓄冷，白天利用风机使室内空气强制通过吊顶，在空气和蓄冷材料换热后送入室内。这种系统将蓄冷材料放置在吊顶内，保证了室内的美观和简洁，具有很好的应用前景。相变蓄能地板采暖系统可以综合利用上述①和③两种方式，一方面，利用白天的太阳辐射照射到地板的热量蓄热；另一方面，在夜晚电价较低时利用电加热给地板蓄热。两种方式综合起来具有更好的节能效果，可以有效降低冬季的采暖用能总量和成本。

目前，相变材料在建筑节能中的应用仍受到材料本身的一些限制，例如固-液相变材料仍存在分层、过冷严重、泄漏、性能衰退和造价高等问题，但已有一些固-固相变材料被研制出来，全面解决了上述问题，使得相变材料在建筑节能应用中有了更高的可行性[6]。

3.4 节能通风技术

住宅建筑的通风可以提升室内的空气品质和热舒适度，同时，合理的自然通风设计还可以降低机械通风系统的能耗[7]，因此通风技术的研究一直都受到广泛关注。然而，不合理的通风不仅不会改善室内环境舒适度，还会直接增加采暖的能耗。据研究，住宅通风能耗已占冬季采暖能耗的30%以上[8]，直接原因是室内采暖设备不可控，以及通风不可调节。因此，可控的住宅通风是节能设计中重要的一环。

一般来说，住宅通风可以分为主动和被动两种形式。在我国大部分地区，自然通风（被动式）是降低能耗和提升室内热舒适度的有效手段，又可分为风压通风和热压通风。风压通风主要和当地的盛行风向有关，因此对其利用要考虑建筑的开窗位置和面积；而热压通风主要受室内外温差影响，对其利用主要考虑室外气象条件和室内温度之间的耦合影响，以根据不同的条件对通风进行调节。

目前被动式通风的设计主要依靠模拟软件对具体建筑进行分析，利用建筑的几何特性优化通风路径，来实现合理的通风布局。在完成设计后，还要使用可控的通风装置（如换气百叶窗和自然通风器等），对不同条件下的通风量进行调节，以最大利用自然风的同时降低能耗。

3.5 采光节能技术

住宅建筑的节能采光设计要点是尽量充分利用自然采光，节省照明用电。照明对于空调系统的能耗有一定影响，有研究指出，合理利用自然采光可以减少空调全年能耗的10%以上。另外，自然光对室内人员的健康有利，可以减轻季节性情感错乱、慢性疲劳等。

目前，自然采光主要分为侧窗采光和天窗采光两种。侧窗采光构造简单、布置方便且造价低廉，使用极为普遍；天窗采光效率高、布置灵活且照度均匀，是很好的采光方案。但是，这两种采光方式都需要对光强度进行调节，因为还要考虑辐射得热的问题，而这可以通过给外窗加装格栅和活动板来实现。另外，现在还有一些采光技术的研究，主要解决离窗较远区域的采光问题，如采用镜反射表面。

实验是集观察、探索、验证于一体的综合性科学活动，最终目的是对假设进行求证.首先，观察.通过观察，能够直观了解化学反应现象.但是，有的实验流程比较多，学生根本无法区分需重点记录的现象.此时，教师要不时的加以引导，告知该现象与问题有关联.其次，探索，即在改变实验步骤、温度、催化剂之后，对结果加以记录、观察的过程.通过探索，可能获得新结论.第三，验证.即提出某项假设，让学生求证.

对于照明的节能设计，主要是应用节能灯具和更高效的照明设计。节能灯具方面，LED灯具的能耗仅为白炽灯的1/10、节能灯的1/4，且寿命更长，是极具发展潜力的绿色照明产品之一。高效照明设计方面，需要考虑合理的照度标准值、室内装潢的色调及开关数量和照明分区等问题。

3.6 太阳能利用

太阳能是一种可再生能源，是未来能源结构中的重要组成部分。我国太阳能资源丰富，且住宅用能量不大，因此，对住宅而言，太阳能技术是一种经济有效的措施。

住宅建筑对于太阳能的利用，可以集成为一套整体的太阳能系统，用来应对不同季节的建筑功能需求。其主要是在屋顶采用玻璃式太阳能集热器和太阳能电池，工作原理为：冬季白天，室外空气由太阳能加热后送入室内；冬季夜晚，利用白天太阳能蓄存的热量来加热室内空气；夏季白天，利用太阳能制取生活热水；夏季夜晚，室外冷空气流经玻璃夹层进入室内。此外，太阳能电池板还可以用来给室内用电设备供电。

3.7 采暖空调系统优化技术

采暖空调系统占住宅建筑能耗的绝大部分，提高采暖空调系统的能效是住宅建筑节能的主要内容。目前，在燃料结构上，天然气和电正在逐步取代传统燃煤；在使用末端方面，随着用户对冷、热的需求，末端装置已逐步实现随负荷变化的节能控制，以及更加高效的末端换热。在上述趋势影响下，未来供热计量收费强制化和更多新型采暖制冷设备（如各种热泵技术、新型末端设备等）的应用将会更进一步地降低住宅建筑的能耗。

4 既有住宅建筑低能耗人工环境保障技术发展趋势

4.1 住宅建筑信息数据采集

目前，由于发达的信息网络和价格越来越低廉的传感器，许多物联和智能设备已经能够很方便地采集到温度、湿度、光照、空气质量及各设备分项能耗等信息。利用这些信息，一方面，可以对住宅建筑的能耗进行详细分析，找到对能耗影响较大的因素，为节能设计和改造提供数据支撑和决策指导；另一方面，可以对居住者的用能习惯进行分析，进而给居住者提供更加节能的用能建议。这些采集到的数据也给建筑节能研究带来了更加便捷的数据收集方法，一般所采用的方式是走访式和网络调查式的统计调查。例如，美国能源署每两年一次的统计调查，采取的方式是通过各建筑业主或开发商提供的资料，将建筑的信息上传至数据库，上传的调查信息包括了建筑的位置、年份、规模、功能、电力和燃油消耗、设备信息和运行数据等。虽然这种方法看似行之有效，但在我国，由于各开发商和业主缺乏建筑信息的统计和收集的意识，因此很难保证信息的完整度，而智能设备的数据自动采集功能可以帮助我们更加全面地搜集我国住宅建筑信息，用于节能和舒适性的研究和分析。

4.2 住宅建筑能耗标识系统

能耗标识系统可用来确定建筑能耗水平、节能潜力、相应节能措施的节能量及经济性，是节能措施和节能方案的重要衡量标准。由能耗标识系统得到的结果还可以为政府、开发商和业主提供一个能耗指标，用来将实际能耗水平和其它同类型建筑或建筑不同时期的能耗水平进行比较。目前，建筑能耗标识系统的建立主要基于简单标准化（Simple）、最小二乘法（OLS）、随机傅里叶分析（SFA）、数据包络分析法（DEA）、模拟法（Simulation）和人工神经网络法（ANN）等方法。上述方法可以分为公共和内部两种系统，分类的依据是模型和数据是否可被公共用户使用。其中，Simple 、OLS、 SFA为公共系统，用户可以直接通过能耗标识表获得能耗指标，不需要对方法中的模型进行求解；而DEA、Simulation和ANN为内部系统，用户需要获得算法模型，并利用模型重新计算能耗指标，因此难以实现公共用途。在公共系统中，以Simple和OLS方法的应用最早且最为广泛，也最为政府和建筑行业所关注。内部方法中，Simulation作为一种通用的方法，被研究者和工程师广泛用于分析建筑能耗的影响因素。

目前，针对建筑能耗标识系统的发展以OLS和Simulation法为主，其研究重点和应用场合也包括住宅建筑。因此，可以沿用已有的系统对住宅建筑进行能效评价。需要注意的是，随着建筑设计建造及生活水平的提升，一些标识系统已经不再适用，仍需要根据大量的统计和采集数据对系统进行更新，而4.1节提出的数据采集方法恰好可以满足现有住宅建筑能耗标识系统的更新需求。

4.3 既有住宅建筑环境智能化节能控制

根据4.1和4.2节的分析，住宅建筑信息采集为住宅建筑的能耗状况和能耗分析提供了基础数据，住宅建筑能耗标识系统为住宅建筑的节能提供了标尺和方向，两者可进一步集成为一个数据库或专家系统，并以大数据分析和动态能耗计算模型为核心，得到住宅的舒适性与节能的控制策略，再利用基于物联网的联动装置实现住宅环境的实时控制。其基本原理如图2所示。

其具体实施措施为：在房间内布置物联传感设备，对空气的温度、湿度、PM2.5、CO2浓度的数值实时监测，并返回到数据库，基于个体最佳舒适性指标和动态能耗计算模型对数据进行分析，得出控制策略，然后利用联动设备对房间内的环境进行自动调节，使室内设备在不影响人体热舒适性的条件下，以最节能的方式运行，减小人为主观控制环境造成的能源浪费。

住宅建筑由于其能耗和用户用能需求及气象环境等因素高度耦合，利用大数据和动态模拟方法可以对住宅能耗进行更加精确的计算，对能耗影响因素进行更加细致的分析，而且还可以将计算结果反馈给室内环境控制系统，从而实现住宅的环境自动控制，是一种具有应用和发展前景的方法。

5 结语

图2 智能化改造流程

目前，完全按照建筑节能要求设计的住宅仍很少，有大量的既有建筑存在不同程度的能耗问题。对于已经完成主体施工的建筑，很难对其建筑规划、外墙围护结构等进行再次施工和改造，因此，对室内的装潢设计、环境控制、供热制冷等系统的节能设计和应用，对于目前的住宅建筑节能具有更加重要的意义。但是，就当前与建筑总量的增长相比，其发展还相对滞后，无法满足国家对住宅建筑节能减排的要求。本文在研究住宅建筑的能耗状况及能耗构成的基础上，调研并分析了已有的节能途径，探讨云计算、物联网、大数据挖掘技术等可以为住宅建筑提供保障舒适环境、减少设备耗能的新途径，同时指出智能设备的数据自动采集功能，可以帮助更加全面的搜集我国住宅建筑的信息用于节能和舒适性的研究和分析。基于OLS法和动态Simulation法的能耗标识系统，可以分别针对大量建筑统计数据和单座建筑详细参数建立能耗标识系统，从而能够对同类型建筑和不同时期的建筑本身进行评估和比较，因此可以更加客观和全面地评估某座住宅建筑的能耗水平。利用基于物联网的联动装置，通过对上述数据分析和能耗标识系统得到的控制策略，对住宅环境进行实时控制，使室内设备在不影响人体热舒适性的条件下，以最节能的方式运行，减小人为主观环境控制造成的能源浪费。此类技术属于技术集成的范畴，其中的各项技术已分别有成功的应用。随着物联网和智能家居行业的发展，此类技术将会是住宅建筑节能中的一个极具潜力的发展方向。

[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展报告2012,中国建筑工业出版社.

[2]江亿,彭琛,燕达.中国建筑节能的技术路线图.建筑科技,2012(17):12-19.

[3]江亿,林波荣,曾剑龙,朱颖心.住宅节能.中国建筑工业出版社,2006.

[4]江亿.我国建筑节能战略研究.中国工程科学,2011(6):30-38.

[5]J. v. Grabe, P. Svobod, A. B☒umler. Window ventilation efficiency in the case of buoyancy ventilation. Energy and Buildings 72 (2014) 203-211.

[6]简毅文,江亿.住宅建筑围护结构保温性能的确定分析.住宅科技,2001:4-8.

[7] Y. Jiang, Q.Y. Chen, Study of natural ventilation in buildings by large eddy simulation, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 89 (2001) 1155-1178.

[8]王鹏,谭刚.生态建筑中的自然通风.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）

本研究受到中国科学院理化技术研究所所长基金（青年人才培育基金）资助。

田绅，中国科学院大学博士研究生，中国科学院理化技术研究所；刘稷轩，中国科学院大学硕士研究生，中国科学院理化技术研究所；唐明生，博士，中国科学院理化技术研究所助理研究员。