比较不同气候区人行为对住宅能耗影响的方法

彭海滢 薛雨、2 翟志强、2*

1 大连理工大学建设工程学部

2 科罗拉多大学伯德分校土木学院

0 引言

居住建筑中用户的行为习惯，是影响建筑能耗最主要的因素之一。国内外学者对如何横向对比不同气候区居民行为习惯的节能效果有相关研究，但使用建筑能耗[1]或节能率[2]作为节能效果的评价指标，并未排除气候条件对能耗的影响，无法单独分析不同气候区用户行为习惯的节能效果。

国际上通常通过修正的方式，消除气候对建筑能耗的影响[3]，度日数法是最常用的方法之一。有学者利用度日数法对能耗进行气候修正，以判断建筑节能改造后的节能效果[4-5]。

本文中根据各地的节能标准设定各地建筑热工参数，计算各气候区按照居民习惯模拟的建筑能耗与基准能耗的差别，并用度日数法进行气候修正，从而实现不同气候区居民行为模式对建筑能耗影响的横向对比和分析。

1 方法

在横向比较某一节能措施在不同气候条件下的相对节能效果时，应当排除其他无关因素对能耗的影响。由于各地气候的差异，建筑在设计和建造过程中的热工参数也有的明显差别，这同样会对人行为导致的能耗产生影响。因此本文探讨不同气候区居民的行为习惯对居住建筑能耗的影响时，将对能耗产生影响的因素划分为：建筑本身的设计因素，当地气候条件和建筑内人的行为。以下对本文中为排除建筑自身设计因素及气候因素对能耗造成影响，采用的方法进行说明。

1.1 排除建筑自身设计因素对能耗的影响

建筑本身的设计因素包括建筑结构设计和建筑热工设计，为排除不同建筑结构对能耗造成的影响，可在各气候区采用统一的建筑结构模型[1]或采用单位面积能耗作为评价指标[6]，本文中通过在各气候区采用统一的建筑结构模型的方式，排除由建筑结构不同对能耗造成的影响。对于建筑热工设计，由于我国幅员辽阔，地域跨度大，地区之间温度、湿度、太阳辐射等气候条件的差异很大。我国在进行建筑热工设计时因地制宜地将我国划分为五个主要的建筑气候区，分别为严寒地区，寒冷地区，夏热冬冷地区，温和地区和夏热冬暖地区，并根据每个建筑气候区的气候特点，制定了相应建筑节能设计国家标准（以下简称节能标准），目前我国新建建筑的节能标准执行率为100%[7]，本文不考虑建筑的个性化差异对建筑能耗的影响，按照建筑所在气候区的节能标准设定建筑模型中的热工设计参数。综上，本文中用统一建筑结构模型，采用当地节能标准设定建筑热工参数，将建筑设计参数对能耗的影响进行严格控制。

在进行能耗模拟部分时，参照各地建筑节能标准中对建筑结构、材料等（如窗墙比、层高、围护结构传热系数）的规定设置建筑热工设计参数，并根据居住建筑中的普遍情况设置室内热扰（如室内人员数量、散热量、家用电器使用情况等），使用Sketchup 软件建立代表建筑模型，并使用EnergyPlus 软件对各建筑开窗模式和关窗模式下的能耗情况进行模拟计算。

本文以开窗习惯为例进行不同气候区人行为模式对建筑能耗影响的横向对比。由于用户的行为，尤其是居住建筑中居民的行为极难预测，故我国未有相关标准对居民开窗时间进行规定，因此本文选用计算全年关窗（简称关窗模式）时，各地代表建筑在代表城市中的能耗作为基准，然后计算根据实测的各地居民习惯开窗（简称开窗模式）时的全年能耗作为变动能耗，对基准能耗和变动能耗进行气候修正后取两者差值作为比较不同气候条件下，各地用户开窗习惯节能效果的评价指标，从而排除各地热工设计不同对建筑能耗造成的影响。

1.2 气候修正方法

模拟得到建筑两种通风模式下的供热、供冷能耗后，对能耗进行气候修正。度日数法是排除气候对建筑能耗影响时最常用的方法[3]。Robin Deliso Woodcock指出，用某建筑一段期间的供热能耗（或供冷能耗）除以该期间内的供热度日数（或供冷度日数），可得到该建筑修正的供热能耗（或供冷能耗），用于比较不同地区的不同建筑的能耗水平，或比较同一建筑在不同时间内采用不同节能措施的实际节能效果[8]。对于单热工分区建筑，如居住建筑或小型商业建筑中，建筑供热能耗和供冷与室外温度存在明显线性关系[9]，且线性关系的回归线必通过横坐标轴上的表示基准温度的点[10]。而度日数为一段时间内室外干球温度与基准温度差值的累加值，因此可利用度日数与能耗之间的相关性进行气候修正。使用度日数法进行气候修正时，必须将供热、供冷能耗从总能耗中单独提取出来[3]，本文的建筑能耗数据是通过模拟得到的，能够准确地将供热，供冷能耗与其他建筑能耗区分出来，因此可以使用度日数法进行气候修正。

本文首先确定各地代表建筑的度日数基准温度，从而计算供热度日数和供冷度日数。基准温度（也称为临界温度）的物理意义为，室内得热量和失热量平衡，建筑不需要供热（或供冷）时室外的干球温度[11]。由物理意义可知，基准温度与建筑的室内设施、采用的节能措施和室内设计温度有关，故直接对所有建筑采用统一的基准温度计算度日数不够准确。变基点温度法是确定度日数基准温度广泛使用的方法之一，其原理在以往很多研究中都有详细描述[9]，该方法通过线性回归的方法找出能使建筑能耗与度日数关联性最强的基准温度，并认定该温度为建筑的基准温度。这种利用回归分析估算基准温度的方式虽然使物理意义变得模糊，但在用于分析气候对居住建筑能耗的影响时十分有效[11]。变基点度日数法的公式如下所示：

式中：α1、α2和β1、β2分别为两个线性回归方程的截距和斜率；α3为供热基准温度，℃；β3为供冷基准温度，℃；Ti为第i 天建筑所在地室外日平均温度，℃；HDD(α3)为供热基准温度α3对应的供暖度日数，第1到n 天中，当α3大于Ti时，将α3与Ti的差值乘1 天，所得到的乘积的累加值为n 天的供暖度日数，℃·d；Eh为n 天的建筑供热能耗；CDD (β3) 为供冷基准温度β3对应的供冷度日数，第1 到n 天中，当β3小于Ti时，将Ti与β3的差值乘1 天，所得到的乘积的累加值为n 天的供冷度日数，℃·d；Ec为建筑n 天的供冷能耗。

以冬季工况为例，每选定一个α3，即可确定一个矩阵A[HDD(α3),]，其中包括每段时间内（本文中取每个月）的供暖度日数，及该段时间内的供热能耗。将矩阵代入式（1），即可得到一个线性回归方程，以及对应的拟合度，即R2值。R2最大时的α3为建筑的供热基准温度。夏季工况同理。

本文在0～18 ℃的范围内找到供热度日数与供热能耗拟合度（R2）最高的值，在10～28 ℃的范围内找到制冷度日数与供冷能耗拟合度（R2）最高的值，作为度日数计算的基准温度。

计算出供热度日数和供冷度日数后，采用度日数法对建筑能耗进行气候修正，修正的供热能耗和供冷能耗的计算公式如式（5）、（6）所示。

式中：ENorm,h为修正后的供热能耗；EAnnual,h为建筑实际供热能耗；ENorm,c为修正后的供冷能耗；EAnnual,c为建筑实际供冷能耗。

1.3 比较不同气候条件下人的行为对能耗影响情况的方法

综合以上分析，为排除建筑自身设计因素和各地气候因素的影响，分析不同气候条件下人的某一行为对居住建筑能耗的影响情况，需要经过能耗模拟，气候修正和比较分析三个步骤，具体计算分析流程如图1 所示。

图1 横向比较不同气候下人行为模式

2 基准温度验证

本文中采用度日数法对建筑能耗进行修正，且代表建筑的度日数由基准温度决定，因此基准温度的选取对结果有很大影响，基准温度计算的准确与否直接决定不同气候区人的行为节能效果对比分析。式（7）为基准温度计算公式[12]。我国学者张文婷[4]，唐鸣放[12]就各城市供热基准温度的取值做了相关研究，并基于同一建筑模型进行了模拟验证。为验证本文基准温度计算方法的准确性，本文采用与其相同的建筑模型（以下简称为标准建筑）和设置条件，分别计算北京、上海、武汉、重庆四个地区标准建筑的供热基准温度，并与两人的结果进行对比验证。

式中：Qs为透过窗户进入室内的太阳辐射量，W；Qp为室内得热量，W；Qf为建筑冷风渗透失热量，W；Qe为围护结构传热量，W。

文献[4]和[12]中采用的标准建筑模型为某长方体建筑的顶层单元，尺寸为长12 m 宽12 m 高3 m，南向窗墙比0.35，北向窗墙比0.25，东西向无窗，室内照明，用电设备及人员散热总量为3.8 W/m2，渗风量取0.5次/h，室内设计温度为12 ℃。各城市的围护结构传热系数如表1[12]所示，由于模拟的是顶层单元，故地面设置为绝热。各城市基准温度计算结果如表2 所示，差异率均小于13%，可认为计算结果基本一致，差异由计算方法的不同和气象参数的选取造成。故经过验证，本文采用变基点度日数法计算基准温度的可保证结果的准确性。

表1 各城市建筑围护结构传热系数

3 建筑模型

本文采用的统一建筑模型为一个五层的居住建筑，建筑面积1980 m2。建筑内每层有4 户住宅，2 个楼梯间，每户建筑面积为91.5 m2，建筑模型示意图如图2所示。本文选取严寒地区的沈阳市，寒冷地区的北京市，夏热冬冷地区的武汉市，夏热冬暖地区的广州市，温和地区的昆明市作为代表城市，并且选用各气候区现行国家建筑节能标准[13-16]作为各地代表建筑的边界条件设置。热工参数具体设置如表3 所示，空调、人员及用电设备具体参数如表4 所示。严寒地区，寒冷地区和温和地区节能标准中未规定夏季室内设计温度，故按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB50736-2012》[17]中3.0.2 条相关规定，取室内空调计算温度最低要求28 ℃。室内人员平均散热量，根据《空气调节设计手册》[18]中相关规定，按照每户有一名成年男性，一名女性，一名儿童计算平均散热量。

图2 代表建筑模型示意图

表2 供热基准温度计算结果对比

表3 各城市代表建筑热工设计参数

赖达祎等人，通过调研全国五个建筑气候区，10个代表性城市，共63 户住户的开窗行为，统计得到各气候区不同季节的开窗时间[19]。本文参考其开窗行为统计数据，作为各地区建筑的开窗条件进行模拟。各气候区具体开窗时间如表5[19]所示，其中四个季节的起止日期按照候温法[20]划分得到。

表4 建筑室内热扰和空调使用时间设置

表5 各气候区开窗时间

4 模拟结果

本文采用变基点温度法找到各地代表建筑的采暖基准温度和制冷基准温度，计算时选取的温度范围及每个温度对应的拟合度（即R2）如图3 及图4 所示。由计算结果可知，各地代表建筑的采暖基准温度为沈阳市6 ℃，北京市7 ℃，昆明市5 ℃，武汉市12 ℃，广州市代表建筑没有供热能耗因此无需计算基准温度，也没有修正的供热能耗。各城市代表建筑的制冷基准温度为沈阳市16 ℃，北京市18 ℃，昆明市14 ℃，武汉市16 ℃，广州市11 ℃。根据各城市代表建筑基准温度，计算出各地代表建筑的度日数如表6 所示。

图3 各代表建筑采暖基准温度及对应拟合度

图4 各代表建筑供冷基准温度及对应拟合度

表6 各代表建筑供暖度日数和供冷度日数

各城市代表建筑关窗模式下的能耗模拟结果如图5、图6 所示。由图5 可知，所有代表城市中，严寒地区沈阳市代表建筑的实际供热能耗最高，然后依次为寒冷地区北京市和夏热冬冷地区武汉市，除夏热冬暖地区的广州市代表建筑不需供热以外，温和地区昆明市代表建筑的供热能耗最低。经过气候修正后，能耗趋势发生了变化，武汉市代表建筑的修正供热能耗最高，然后修正的供热能耗从高到低依次为北京市和沈阳市，昆明市代表建筑的修正供热能耗最低。由图6可知，所有代表城市中，广州市代表建筑的实际供冷能耗最高，然后依次为武汉市，北京市和昆明市，沈阳市代表建筑的实际供冷能耗最低。经过气候修正后，北京市的修正供冷能耗最高，然后修正的供冷能耗从高到低依次为沈阳市、武汉市、广州市，昆明市代表建筑的修正供冷能耗最低。

图5 各城市代表建筑关窗模式下供热能耗对比

图6 各城市代表关窗模式下供冷能耗对比

由表7 可知，开窗的模式下，所有代表城市的居民开窗习惯均会造成代表建筑供热能耗的增加和供冷能耗的减少。各城市代表建筑实际供热能耗增量从小到大的排序依次为，广州市、昆明市、武汉市、沈阳市、北京市。各城市代表建筑实际供冷能耗减少量从大到小的排序依次为，广州市、北京市、昆明市、沈阳市、武汉市。

表7 各城市代表建筑开窗模式下的年能耗节能量

根据本文中的设置条件，关窗模式下广州市代表建筑不需要供暖，故供热度日数为0。但开窗模式下，广州市需要供热，故理论上开窗模式下修正的供热能耗为无限大，相比于关窗模式修正供热能耗的增量也为无限大。除广州外，其余城市代表建筑开窗模式下修正供热能耗的增量从小到大依次为沈阳市、武汉市、北京市、昆明市。各城市开窗模式下修正供冷能耗的减少量从大到小依次为北京市、沈阳市、昆明市、广州市、武汉市。

5 讨论

根据本文中的模拟结果，由于关窗模式下，各城市建筑热工设计参数根据当地节能标准建立，且各城市热扰设置均相同，因此关窗模式下各城市建筑气候修正后能耗，也可用于横向比较各气候区节能标准对当地居住建筑能耗的控制水平。由模拟结果可知，各地代表建筑关窗模式下修正后的供热能耗，昆明市最低，沈阳、北京、武汉地区分别是昆明地区的1.46、1.70、1.77 倍。各地代表建筑修正后的供冷能耗为昆明市最低，沈阳、北京、武汉、广州地区分别是昆明地区的1.38、1.63、1.27、1.07 倍。由此可分析，温和地区的节能标准相对其他标准更加严格，对供热能耗和供冷能耗的控制水平均为最高。而相对于温和地区，其它气候区节能标准对当地建筑能耗的控制水平较差。除夏热冬暖地区的代表建筑不需供暖外，各气候区节能标准对供热能耗的控制水平从高到低依次为温和地区、严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区。各气候区节能标准对供冷能耗的控制水平从高到低依次为温和地区、夏热冬暖地区、夏热冬冷地区、严寒地区、寒冷地区。该结论有待采用更多类型的建筑模型或实测的建筑能耗数据进行进一步验证。

对比开窗模式和关窗模式的能耗模拟结果，各城市的居民开窗习惯均会造成供热能耗的增加和供冷能耗的减少。相对于各地气候条件，沈阳地区开窗习惯对修正后的供热能耗造成的增量最小，昆明地区增量最大。北京地区居民开窗行为对修正后的供冷能耗的节能效果最好，武汉地区最差。开窗模式下供热能耗较关窗模式高，供冷能耗较低，其原因是，住户夏季的开窗习惯主要受室内外温差的驱动，因此夏季开窗习惯能起到节能的效果。然而，住户在冬季的开窗习惯是为了调节室内空气品质，如二氧化碳浓度等，并非完全为了调节室内温度，因此多数时间开窗会造成供热能耗的增加。

全年关窗的条件下，建筑中仅有渗透风可作为自然通风调节室内环境，与实际情况相差较大。但在本文中仅采用全年关窗模式作为基准方案，用于横向比较不同气候区居住建筑节能标准对能耗的控制水平，并作为与开窗模式比较的基准方案，其能耗结果并不能代表当地建筑能耗水平，仅可用于横向比较不同气候区的能耗水平变化趋势。

本文采用度日数法对各地代表建筑的能耗进行修正，排除气候因素对能耗造成的影响。该方法操作简便，所需参数较容易获取，因此被广泛使用。但该方法仅考虑室外干球温度，而未考虑风速、湿度等其他气候因素。因此，利用度日数法对建筑能耗进行气候修正的方法，在太阳得热和风速对建筑热平衡没有决定性影响的地区应用更为可靠[3]，在其他地区也可选用其他方法进行气候修正。

本文中计算未采用我国现行建筑节能标准中规定的供热和供冷基准温度以及各城市度日数，进行度日数法气候修正相关计算，而是采用变基点度日数法计算各代表建筑的基准温度从而得到度日数，并对能耗进行气候修正。这样做的原因是，国家建筑节能标准中规定各城市的度日数，主要用于划分热工分区和估算一个地区的建筑能耗水平，因此选取一个统一的基准温度，代表全国大部分建筑的平均水平，并不强调建筑之间的个体差异。而本文中利用度日数与建筑能耗之间的线性关系，排除气候因素对能耗的影响，从而比较不同地区代表建筑的能耗水平，分析建筑之间的差异造成的影响。由于不同地区代表建筑按照当地居住建筑节能设计标准进行热工设计，故建筑之间差异巨大。基准温度主要与建筑的外形，渗风量，室内热源，围护结构传热性能和太阳辐射得热有关。采用不同的建筑模型，不同的模拟条件设置，基准温度势必会发生变化，因此不能采用统一的基准温度进行计算。而且，我国现行节能标准中根据国际惯例，将供热基准温度规定为18 ℃。然而该基准温度是在室内温度为23～24 ℃的条件下给出的[4]，明显与我国建筑室内设计温度的相关规定不符，且随着我国建筑节能标准的发展，围护结构的保温、气密性等性能都有了较大的提升，因此不宜继续采用18 ℃作为基准温度的选取标准。除度日数基准温度外，我国在《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）中规定累年日平均温度稳定低于或等于供暖室外临界温度的总日数为一个地区的采暖期时长，并规定一般民用建筑供暖室外临界温度为5 ℃[17]。然而，该温度为建国初期，参照苏联相关标准确定[22]，是在室内满足人体卫生要求的下限环境温度（12 ℃）的基础上提出的。随着近年节能技术的发展，室内热舒适要求的提高，这个临界温度的取值也无法作为本文供热基准温度的取值参考。

基准温度的物理意义为，建筑得热等于失热的时刻，室外的干球温度。然而，建筑的热平衡是一个非稳态的过程，因此本文中通过变基点度日数法计算的基准温度，并不说明只要室外温度超出基准温度，则建筑完全不需供热或供冷，而是通过回归分析的方法，确定建筑在大部分状态下，不需要供热或供冷的临界温度。张文婷[4]等人对供热基准温度进行了深入的研究，本文与其相同，均采用了各气候区的节能设计标准作为模拟设置条件计算各城市代表建筑的供热基准温度。除采用的建筑模型不同以外，在照明功率密，用电设备功率，人员数量和渗风量选取上也有较大差别。本文中参照最新版《建筑照明设计标准GB50034-2013》[23]中对住宅照明功率密度的相关规定，设置照明密度为6 W/m2，并参照Dest 软件中的推荐值设置照明作息。人员设置为3 人，根据相关标准[18]和文献[21]设置人员散热量和作息。根据普遍住户的家用电器设备设置室内用电设备功率和作息。根据节能设计标准中对门窗气密性的规定，设置门窗缝隙的密封性能，渗风量根据建筑门窗缝隙长度和室外气象条件逐时变化。本文中边界条件更贴近实际情况。而以上差异均为造成本文中供热基准温度计算结果与该文献中结果存在差别的原因。以沈阳市为例，将照明功率、人员数量、室内用电设备功率密度和渗风量调整至与该文献中一致，则沈阳市代表建筑的供热基准温度与该文献计算结果基本一致。由此说明本文中供热的基准温度与该文献中计算结果的差异主要由模拟边界条件的不同造成的。

从以上分析可得出，即使在同一个城市，由于建筑模型和模拟边界条件的不同，基准温度也会有较大差别。因此，本文旨在提出横向比较不同气候条件下某一行为习惯对能耗的影响情况的标准化方法，模拟结果仅针对本文中建筑模型和模拟条件提出，并不具有普遍适用性，不能完全代表城市大部分建筑的情况。同时，本文在每个气候区选取一个城市，作为该气候区的代表城市，但部分气候区（如严寒地区）地域较大，一个气候区内包含多个子气候区，子气候区之间也存在气候差异。因此，在之后的研究中可以根据细化的气候分区选取更多的代表城市进行模拟和比较分析。另外，为排除其他因素对模拟结果产生影响，本文中采用了统一的建筑结构及朝向。但各城市的主导风向不同，统一建筑朝向可能影响某些地区住户开窗习惯的节能效果。

6 结论

本研究提出了一种标准化的方法，通过对不同气候区代表建筑采用某一习惯前后的能耗差进行气候修正，从而横向对比不同气候条件下人的某一行为习惯模式对能耗的影响情况，并以各气候区开窗习惯为例，对方法进行详细说明。

本文通过对比各气候区代表建筑根据实测的用户习惯开窗和全年关窗两种模式下，经过气候修正的供热能耗及供冷能耗的差值，横向对比各气候区居民开窗习惯的节能效果。由模拟结果可知，相对于全年关窗的情况，各气候区实测的居民夏季开窗习惯均起到了节能的效果，而实测的冬季开窗习惯比全年关窗模式耗能更多。相对于各地气候条件，沈阳地区实测的居民开窗习惯对供热能耗的影响相对较小，昆明地区的影响最大；北京地区实测的居民开窗习惯对供冷能耗的节能效果最好，武汉地区最差。

除此之外，本文在对比各气候区用户开窗习惯的节能效果的过程中，对位于不同气候区，采用当地节能标准的同一建筑模型全年关窗模式下的供热和供冷能耗进行了气象修正，从而比较各气候区的节能标准相对于代表城市当地气候条件的能耗控制水平，但有待进一步验证。

附图A 人员作息

附图B 灯光使用时间

附表C 用电设备使用时间