基于系统动力学的老旧住宅高能耗形成机理及改造策略研究*

■ 赵娜 杨雪琴 金国辉 王振华 丁超

内蒙古科技大学土木工程学院 包头 014000

0 引言

随着城镇化进程加快，建筑业飞速发展的同时也造成了大量能源消耗。《中国建筑能耗研究报告成果（2020）》指出，2018年，建筑全过程能耗总量为21.47 亿tce，占全国能源消费总量比重为46.5%。2018年全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿t CO2，占全国碳排放的比重为51.3%。。在建筑的全寿命周期中，建筑材料和建筑过程的耗能一般只占建筑总能耗的20%左右，其余的80%全发生在建筑运行阶段[1]。而早期建造的老旧住宅，其性能与能耗受限于当时的经济条件和建造技术，设计和建造标准普遍偏低，尚未设置任何节能措施，基本存在保温隔热性能差、设备系统效率低、能耗水平偏高、环境负面影响大等诸多问题。《重塑能源：中国》(2016)报告指出：建筑部门碳减排潜力高达74%，在3 大能源消费部门中最大[2]，所以研究老旧住宅运行阶段的能耗形成机理，对构建节能型社会很有必要。包头市位于我国严寒地区，冬季采暖能耗大，截至2018年底，共有住宅建筑面积约11267.1 万m2，其中2008年以前建成的城镇老旧住宅占比为28.42%，建筑面积高达3202.1万m2（包头统计年鉴，2019），故选取包头市为例，对老旧住宅运行能耗进行研究，对缓解能源压力，降低能耗水平，实现碳排放量在2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和的目标具有重要意义。

近年来，国内外学者分别从不同视角对住宅能耗影响因素进行了研究。在经济特征的视角，摩洛哥学者Haouraji C 证明了经济和人口的发展会导致该国的住宅能耗大量增加[3]；我国学者石晓菲、马景富等人研究表明科技的投入对建筑节能效果的影响越来越显著，科技的投入会促进技术进步，从而降低单位GDP能耗[4,5]。在建筑特征的视角，袁鹏丽、秦力等学者研究表明建筑选址、建筑面积、建筑结构、户型、朝向、采取保温措施的数量、照明灯具类型等建筑特征与住宅能耗具有显著相关关系[6-7]；季永明采用DeST 仿真平台对农村住宅采暖能耗进行模拟，表明建筑气密性对住宅采暖能耗影响最显著[8]；Kim Y J 研究表明建筑物的使用年限越长，其保温隔热性能越差，能耗越高[9]。在家庭特征、用能行为的视角，Zhang X B 等人通过研究居住者年龄与空调能耗的关系，证明年龄大的住户开空调的时间较短，耗电量低，年龄小的住户则相反[10]；此外，Buylova A、Liu X 等学者研究表明，家庭收入、人口、年龄结构、文化背景等因素直接影响住宅总能耗的大小，人均收入的增加和人口结构变化会增加城市居民的能耗[11,12]，特别是对于高收入家庭而言，其追求舒适性胜于经济性，家庭能耗水平远高于社会平均能耗水平[13]；Daranee J 则发现性别和节能意识对能耗有重大影响，女性居民的节能意识要高于男性，相应的也会节省更多的能源[14]。在设备特征的视角，李晓瑞、卢玫珺等学者研究发现家电的保有量和不合理使用会对住宅总能耗产生相当大的影响[15]，而对电器实行更严格的能效标识政策，会刺激家电制造商设计更节能的产品，从而降低住宅能耗[16]。

对上述文献进行总结，可以看出经济、建筑、设备、家庭及用能行为等因素与住宅能耗具有直接相关关系，但当前研究基本是围绕单因素或者部分因素而展开，而老旧住宅的能耗问题是经济、建筑、设备、用能行为等多因素耦合作用而成，因此本文针对影响老旧住宅能耗的经济、建筑、设备、家庭及用能行为等多个因素，运用系统分析的思维与方法，来综合考量在多个因素耦合作用下老旧住宅高能耗的形成机理，系统而全面地了分析老旧住宅高能耗症结所在，为节能改造策略的制定提供一定现实依据。

1 包头市老旧住宅能源消耗系统动力学模型

系统动力学是一门研究因素间相互作用关系和解决系统问题的交叉综合学科，是由美国麻省理工学院的J．M．Forrester 提出的一种研究复杂系统的方法。主要研究思路是：首先要经过系统剖析，建立因果关系反馈图；之后再转变为系统流图，建立系统动力学模型；最后通过仿真软件进行计算机模拟，完成对系统机构的仿真。本文根据用能途径，将老旧住宅能耗运行系统分为经济子系统、建筑子系统、设备子系统、用能行为子系统四个子系统，构建了各子系统相互关联的系统动力学模型，并以包头市为例，基于2015～2018年的历史统计数据，对2019～2030年社会住宅总能耗进行模拟仿真，并根据老旧住宅占全部社会住宅的比例，来得出老旧住宅能源消耗量，并结合实际做出一些政策改变，来分析导致老旧住宅高能耗的原因，探讨降低老旧住宅能耗、促进建筑节能的可行性政策和措施。

1.1 老旧住宅能源消耗主要反馈回路分析

因果回路图作为系统动力学模型的逻辑架构，由系统的构成要素及要素间的作用链组成，来描述对象系统内的反馈关系的逻辑关系图形。因果回路图中有很多因果链通过文献分析法，本研究通过综合考虑经济子系统、建筑子系统、设备子系统、用能行为子系统这4 个子系统的相互关联，将这些相互关联因素整合为一个有机整体，构成包头市社会住宅能源消耗系统，对该系统进行边界分析，对系统中涉及到的各种变量及关系进行分析归纳后，可以得出其因果回路图，如图1所示。[17-20]主要因果反馈关系如下：

图1 因果回路图

（1）1月、7月平均温度→－窗墙比→+室内外温差→+采暖能耗→+老旧住宅能耗→+碳排放→－环境质量→+1月、7月平均温度；

（2）经济发展→－生活水平→－人均居住建筑面积→－居住建筑面积→－房间进深→+空调能耗→+老旧住宅能耗→+碳排放→－环境质量→－经济发展；

（3）经济发展→－生活水平→－人均居住建筑面积→－居住建筑面积→－设备数量→+设备使用频率→+家电能耗（热水能耗、炊事能耗）→+老旧住宅能耗→+碳排放→－环境质量→－经济发展；

（4）经济发展→－生活水平→－节能意识→+设备使用频率→+家电能耗（热水能耗、炊事能耗）→+老旧住宅能耗→+碳排放→－环境质量→－经济发展

（5）1月、7月平均温度→－窗墙比→+室内外温差→+设备使用频率→+家电能耗（热水能耗、炊事能耗）→+老旧住宅能耗→+碳排放→－环境质量→+1月、7月平均温度。

1.2 模型边界及假设条件

在构建老旧住宅能源消耗模型时，考虑到一些数据的可获性，做出以下设定：

（1）由于只可获得社会所有住宅的能源消耗量，无法精确到老旧住宅能源消耗，故将2008年前住宅占比乘以社会所有住宅总能源消耗，以此来进行研究。

（2）我国能效标识制度于2005年3月1日开始正式实施。2016年6月1日起施行《新版能源效率标识管理办法》。参照以往的能效标识制度及其家用电器能效等级的设定，假设老旧住宅家用电器多处于市场平均水平，即能耗等级为3级的产品。

1.3 模型结构与方程式

在构建老旧住宅能耗因果反馈图的基础上，利用Vensim PLE 软件绘制老旧住宅能源消耗系统流图，如图2所示。本文主要数据来源于2015～2018年的《包头市统计年鉴》以及包头市人民政府公告和公开发表的文件，数据来源真实可靠。根据收集好的数据，再来通过参考相关文献和表函数法确定相关方程参数[21,22]，主要方程式见表1。最后通过对模型不断进行调整使其与历史数据相吻合。

表1 模型主要变量方程式

图2 系统流图

2 系统仿真及情景模拟

2.1 模型检验

本文的年份设置范围为2015～2030年，模型的初始年份为2015年，其中2015～2018年为模型检验阶段，2019～2030年为模拟预测阶段。为了验证模型是否可以客观反映住宅能耗情况，本文选取燃气能耗、采暖能耗、电能耗以及GDP 总量、人口数量来进行模型有效性检验，将2016～2018年的预测值与实际值进行误差检验（表2）。结果表明，各个主要变量模拟值和实际值之间的误差最大不超过5%，符合一致性要求，表明本文构建的住宅能耗预测模型基本可行，可以进行下一步的仿真预测。

表2 历史仿真检验结果

2.2 系统仿真调控方案设置

我国承诺实现2020年碳排放强度比2005年下降40%～45%，科研经费的投入会使国家研发出更高科技的产品降低能耗的产生，从而减少碳排放。因此，应从可持续发展的角度出发，制定政策调控的方案来降低老旧住宅的能耗，减少碳排放量。发达国家的经验表明，一个国家在经济发展初期，科技投入占GDP的比例一般在0.5%～0.7%左右；在经济起飞阶段，该比例则上升到1.5%左右；进入稳定发展期，该比例应该保持在2.0%以上[23]。我国经济正处于高速发展阶段，而包头市2008～2018年科技投入比例平均值仅为0.14%，远达不到国家要求。《2019年全国教育经费执行情况统计公报》指出教育投入占GDP（即99 万亿元）比重，达4.04%，而包头市近10年教育投入平均值仅为1.6%。在建筑方面，由于老旧住宅多建于90年代，根据《内蒙古自治区民用建筑节能设计标准实施细则》（1997年版）与《内蒙古居住建筑节能设计标准》（2011 版）对比，可以发现老旧住宅外墙和外窗的传热系数要大，新的规范较之以前传热系数小，更加节能。在此基础上，本文选定四个子系统里的10个变量作为系统的政策着力点，调整这10个变量的参数值，设定3 种建设路径，分别为情景一到情景三，见表3。由于低控情景是根据当前居民生活状态设置，故用能行为子系统中的因素是根据居民实际生活规律而得来，详见《老旧住宅高能耗问卷调查表》，情景二和情景三是在满足居民实际生活需要后进行调整，使用能行为因子分别减少10%、15%。

表3 情景预设汇总表

2.3 情景模拟与讨论分析

通过对以上情景进行模拟预测，得到不同情景下的老旧住宅能耗发展情况，见图3、图4。低控情景也就是目前老旧住宅能耗现状，也为基准情景。通过对3 种情景进行模拟预测，可以看出高控情景下老旧住宅节能效果最好，在高控情景下2030年老旧住宅能耗约为78.64万吨标准煤，中控情景较为节能，约为84.35 万吨，而低控情景耗能最大，2030年能源消耗量约为93.78 万吨标准煤。分析各子系统对老旧住宅能耗的影响时，发现在各情景中，老旧住宅能耗对经济子系统的变化始终是最敏感的，其次分别是建筑子系统、用能行为子系统和设备子系统。

图3 不同情景对老旧住宅能耗的影响

图4 不同情景下各子系统对老旧住宅能耗影响

2.3.1 经济子系统参数变化对老旧住宅能耗的影响

由于经济子系统对老旧住宅能耗的变化率最低，所以对经济子系统中的各项参数进行仔细分析。深化节能减排、推动绿色低碳转型，是落实生态文明建设、实现绿色发展的重要抓手，而制定配套的碳减排措施和完善的政策必不可少。为此，本文模拟时增加一定的碳减排投入和科技投入，可以看到随着这两个因素投入的增加，老旧住宅的能耗是降低的。增加一定的教育投入可以提高部分居民的节能意识，影响居民的用能行为，间接降低老旧住宅能耗，见图5。但效果远没有科技投入来的明显。这与周鸿滨等人的研究结论相类似，技术的研发和推广对住宅能耗的影响位列第一[19]。

图5 不同情景下经济子系统变量对老旧住宅能耗影响

2.3.2 建筑子系统参数变化对老旧住宅能耗的影响

建筑物本身的一些特征也是造成高能耗的因素之一。围护结构是在稳定传热条件下，外墙和外窗两侧空气温差为1K(1℃)时,单位时间内通过单位平方米墙体面积传递的热量,单位为W/(M2.K)。它代表了墙体保温系统的热工性能，有学者曾研究表明围护结构传热系数的减少将有效降低建筑能耗[24]，而本文的研究也证明了这一点。通过降低传热系数，可以看到电能耗及采暖能耗也随之降低，传热系数越小，建筑物内的冷热损耗值越小，能源消耗量越低，见图6。

图6 不同情景下建筑子系统对老旧住宅能耗影响

2.3.3 设备子系统参数变化对老旧住宅能耗的影响

设备子系统中通过调整电视、电冰箱、电热水器、空调等家用电器的能效等级，来观察老旧住宅能耗的变化。由原来的能效3级调整为能效2级和能效1级，老旧住宅能源消耗差距显而易见，前后对比见图7，可以看到能效等级的降低，到2030年时，中控情景下约降低原能耗的3.5%，高控情景下约降低6.2%。图中转折点为2017年和2018年，导致该转折点出现的主要原因是2018年包头市居民生活用电有所下降，城镇居民用电降幅较大。2018年，全市城乡居民生活用电量20.25 亿千瓦时，同比下降28.93%[25]。

图7 不同情景下设备子系统对老旧住宅能耗影响

2.3.4 用能行为子系统参数变化对老旧住宅能耗的影响居住者使用行为对居民住宅能耗有比较大的影响。通过《老旧住宅高能耗问卷调查表》调查发现，老旧住宅居住者40 岁以上的中老年人口比重为52.5%，说明多为上班族和老人，家庭居住情况是两个人的比例最大，达到45%，这也就说明大多数中老年人都是两个人居住；在厨房用能方面，大多数家庭以燃气为主要厨房用能，电炊具为辅且每日开火次数为3 次及以上的比例达70.83%；在照明及洗澡方式方面，调查家庭普遍使用荧光灯或节能灯，81.8%的家庭洗澡使用电热水器；在洗衣方面，75%的人选择机洗，在看电视这个问题上，65.83%的人选择看电视，且每日看电视时长多为3～5小时，这与老年人的身体素质问题和上班族的实际需求相符。另根据实地探访，得知老旧住宅保温隔热效果差，部分老年人出于身体考虑，多会使用电热毯等加热工具，这也是老旧住宅电能耗高的重要原因之一。本文通过将用能行为子系统中的用能因子减少10%、15%，来观察老旧住宅能耗的变化趋势，见图8。可以看到随着用能因子的减少，能耗也呈递减趋势。但开火时间因子和洗浴时间因子的变化率并不是十分敏感，且随着年份的推移逐渐趋于平缓，说明居住者的一日三餐和日常洗浴的基本生活需求是前提，在满足此前提的基础上进行节能才是正确的。而使用时间因子的改变会带来巨大的节能效果，因为居住者的用能行为具有一定主观性，是否节能，要看居住者的用能行为。由于本文所选范例所在地包头市位于严寒区，冬冷夏凉，冬季多采用集中供暖，故对空调的需求量较小，所以空调的使用时间因子变化率最大，即使改变其参数设置，节能的效果也没有其他因子的效果好。

图8 不同情景下用能行为对老旧住宅能耗影响

3 结论与建议

本文通过系统动力学对社会住宅总能耗及老旧住宅能耗形成机理进行了分析，我们可以得出以下结论：

（1）随着年代的推移，一些新型、更加节能的住宅建筑不断出现，有年代的、节能技术比较落后的住宅逐渐沦为老旧建筑，所以老旧住宅的能耗也随着年代的推移而呈增长趋势。而经济子系统的变化对老旧住宅能耗的影响是最大的，科技投入、碳减排投入和教育投入的增加会使老旧住宅能耗降低，科技投入的增加对老旧住宅的影响要大于其他两个因素。科研经费和碳减排投入的增加致力于研发出更高效、更节能的能源，研发出保温效果更好的材料。教育投入的增加则从一定程度上起到提高居住者节能意识的作用。

（2）老旧住宅能耗高的症结主要是老旧住宅的建筑子系统和设备子系统中传热系数高及家用设备的能耗等级高。随着科技的发展，建筑外层的保温材料的研究也在不断取得进步，其传热系数越来越低，保温性能也越来越好，室内外单位时间内传递的热量减少，所以新式的建筑要比老旧住宅更节能，建筑能耗更低。其次，老旧住宅家用电器能耗等级高，当时所购买的电器远达不到当前的节能要求，耗能较大。由此可见，老旧住宅受限于当时的科技条件和建设技术，设计标准和建造标准普遍偏低，尚未设置任何节能措施，保温隔热性能差，设备系统效率低，所以能耗水平偏高。

（3）用能行为子系统中居住者的使用行为也是导致高能耗的原因之一。通过问卷调查可以得知燃气能耗方面，部分家庭每天开火次数达到四次及以上。电能耗高是由于居民使用电器频率高，时间长，同时因为老旧住宅的围护结构保温性能较差，且居住者是中老年人的比例占了一半，冬季采暖能耗无法满足居住者实际需求，会额外增加居住者的用能行为，因此间接导致老旧住宅能耗高。

通过系统动力学模型对老旧住宅高能耗影响因素分析，得出以上结论，为改善包头市老旧住宅高能耗问题，使老旧住宅更加节能，特提出以下建议：

（1）政府应加大科技投入、教育投入、碳减排投入，同时合理配置建筑节能资金的投入，加强资金利用效率。加大科技研发力度，积极推动太阳能等清洁能源的研发与利用。此外，包头市老旧住宅比重较大，应进行财政支持，充分调动居民的参与积极性，有效降低老旧住宅改造及管理成本，改善老旧住宅围护结构的传热系数，维护和丰富老旧住宅自身特色，建立有效机制达成社会共识，保证老旧住宅改造的公平和公正，实现老旧住宅改造更新的常态化。与此同时，可以对老旧住宅居民实行政策激励。

（2）家用设备作为居民生活中必不可少的一部分，与居民的日常生活密切相关，同时也影响着能源的消耗。因此从设备方面，家电企业应更加注重节能技术的开发和应用，推出既满足客户实际需求，又节能环保的产品。政府应适时地给予财政支持，帮助家电企业研发更节能产品。同时制定财政补贴政策，推动消费者购买更加高效节能的家电产品。

（3）而居住者方面，居民应首先养成良好的用能习惯，提高节能意识，尽可能多的支持和使用节能产品。在用能行为上，可以在洗衣服之前提前浸泡，就会节省洗衣机运转时间。看完电视后尽量拔掉插头，会避免因电视机变压器长期空载带电，而增加耗电量。使用空调时，不要太频繁的开关。电冰箱使用时应定期除霜，降低压缩机的运转负担。居住者可以通过诸如此类的节能行为来降低能耗，达到节能的目的。