李 严，李晓锋
清华大学

［摘 要］住宅建筑的能耗与室内居住人员的行为模式紧密相关。本文选取南通市某一普通住宅小区为分析案例，采用调查、实测和模拟相结合的方法，对该住宅小区的冬季采暖能耗现状以及人员行为对能耗的影响进行了分析。首先对该小区1625 个住户进行冬季采暖耗热量的数据采集，得到不同住户的冬季采暖耗热量。并在调研的基础上以该小区其中一栋住宅楼为研究对象，利用建筑热环境模拟工具DeST 对不同空调使用模式及自然通风习惯下的采暖能耗进行动态模拟，从而分析人员行为模式对该地区住宅采暖能耗大小的影响。结果表明引入自然通风可明显的增加采暖能耗，若想得到相同的通风换气量，在冬季采用短时间大开窗的通风方式比采用长时间小开窗的方式更有利于节省采暖能耗。

［关键词］采暖能耗；行为模式；住宅；空调运行模式；自然通风

住宅建筑的能耗占建筑总能耗的比例呈逐年上升趋势，采暖空调的能耗也在逐年升高，特别是夏热冬冷地区的城镇采暖能耗，尽管与北方城镇采暖相比其目前的能耗强度不高，但其能耗强度随着冬季室温改善的需求不断增强在不断攀升。研究表明，随着建筑面积的增加，夏热冬冷地区的城镇采暖能耗从1996 年的40 万tce 迅速增长到2008 年的1490 万tce，并有继续快速增长的趋势，夏热冬冷地区采用集中供热后，能耗将出现4～10倍的增长^[1]。因此，对夏热冬冷地区住宅建筑的采暖能耗的研究对建筑节能尤为重要。

住宅建筑采暖能耗除受建筑热工性能、体型系数、窗墙比等建筑参数和气候因素的影响外，还与室内居住人员的行为模式密切相关^[2]。而不同家庭的生活方式及行为模式存在较大的差别，调查研究发现，对采暖能耗影响较为显著的生活方式的主要因素包括采暖设备形式、设备运行时间、温度设定和通风习惯，而其中建筑年代、建筑类型和建筑面积对总能耗的影响最不显著^[3]。

为研究人员的行为模式对采暖能耗的影响，本文选取江苏省南通市某一普通住宅小区开展了针对生活习惯和采暖能耗的调查研究，根据调研结果，确定了两种主要的因素为研究目标，主要包括：（1）空调运行模式，主要是指空调启停时间和运行时数；（2）自然通风模式，主要是指建筑进行自然通风的时间和开窗的大小。

对两种因素下不同的运行模式进行组合，对同一栋住宅建筑进行自然通风与能耗动态耦合模拟，从而分析人员的行为模式对该地区住宅建筑采暖能耗的影响，以获得空调行为模式和通风行为模式对采暖能耗的影响程度。

1 能耗调研与分析

本次住宅建筑采暖能耗调研对象为南通市普通住宅小区。南通市属于夏热冬地区，该地区冬季采暖和夏季制冷需求并存。所调研的小区采暖形式为集中供暖，小区设置了热源形式为地源热泵的集中热源为住户提供冬季采暖所需热量，住户可以按照自己的需求对各房间的空调进行启停控制及室温调节。

该小区集中供暖时间为每年12 月1 日至次年的3月31 日，图 1 为 2014 年冬季单位面积采暖能耗及能耗分布为2014 年冬季（2014 年12 月1 日至2015 年3 月31 日）该小区各户的单位面积采暖能耗及能耗分布。结果显示，该小区1625 户住户的个体能耗差别较大，其平均单位面积采暖能耗约为11.5kW·h/(m²·a)，其中有34% 的住户的能耗水平高于平均值；超过5% 的住户的单位面积采暖能耗不足1kW·h/(m²·a)，是冬季基本不开空调的家庭，只消费最低热力费；10% 的住户的单位面积采暖能耗超过20kWh/(m²·a)，其中能耗最高的甚至达到91kW·h/(m²·a)，远远超过平均水平，属于高能耗群体；59% 的住户的单位面积采暖能耗在5～13kW·h/(m²·a)。

为研究人员行为模式对该地区采暖能耗的影响，选取该小区其中一栋建筑（5 号楼）进行析。该小区5 号楼共有住户96 户，图 2 为2014 年冬季该栋建筑内各户的单位面积采暖能耗及能耗分布。实测结果显示，该建筑的平均单位面积采暖能耗约为11.3kW·h/(m²·a)，其平均能耗水平与整个小区一致；该栋楼有20% 的住户的单位面积采暖能耗不足1kW·h/(m²·a)，是冬季基本不开空调或无人居住的家庭，只消费最低热力费；15% 的住户的单位面积采暖能耗超过20kW·h/(m²·a)，其中能耗最高的达到40kW·h/(m²·a)；38% 的住户的单位面积采暖能耗在9～12kW·h/(m²·a)，63% 的住户的单位面积采暖能耗在5～17kW·h/(m²·a)。

2 能耗模拟分析

2.1 建筑模型及主要参数

选取该小区5 号楼为研究对象，该住宅楼共17 层，1 层为车库，二层及以上为住宅，层高为2.9m。该住宅每层共有6 户（三个单元），有两种户型：三室一厅一书房一厨两卫，建筑面积145.3m²，三室一厅一厨两卫，建筑面积118.3m²。利用建筑热环境模拟工具DeST 对不同空调使用模式及自然通风习惯下的采暖能耗及自然通风量进行动态耦合模拟，建筑模型如图 3所示。

图1 2014 年冬季单位面积采暖能耗及能耗分布

图2 2014 年冬季5 号楼单位面积采暖能耗及能耗分布

该住宅中卧室、客厅及书房设有空调，厨房、卫生间和楼梯间均无空调。其建筑围护结构热工参数及空调房间的室内热扰设置参数如表 1 和表 2 所示，符合《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》^[4]。

表1 围护结构热工参数统计表

表2 室内热扰参数设置表

2.2 模拟方法及人员行为模式设定

本文采用全年耦合计算配合能耗分析的方法，综合考虑自然通风对建筑室内热环境的影响及相互作用。首先采用CFD（Computational Fluid Dynamics 计算流体动力学）的方法对建筑周边风环境进行模拟，通过CFD 模拟得到16 个风向下建筑表面各窗口的风压大小及风压系数，然后将风压数据输入到建筑能耗及自然通风模拟软件DeST-VentPlus，通过模拟得到建筑的采暖能耗及通风量。本次CFD 模拟采用的是英国帝国理工大学开发的CFD 软件PHOENICS，它也是世界上第一套商业CFD 软件，其准确性获得了不同领域的验证。DeST-VentPlus 是清华大学基于建筑能耗模拟软件DeST（Designer’s Simulation Toolkits）热模型的基础上开发的独立通风计算模块，采用多区域网络模型连续计算自然通风量，并结合热模型实现了自然通风建筑的通风量与能耗的全年逐时耦合模拟计算。

在模拟中气象数据均采用DeST 中气象模块Medpha生成的南通市全年逐时气象数据，包括全年8760h的逐时干球温度、湿球温度、风速、风向和水平面总辐射强度等。

根据对住户的调研结果，大部分家庭采用间歇式采暖，也就是家中无人时关闭所有采暖设备，家中有人时也只是开启有人的房间的采暖设备，且多数住户的习惯是在开启空调一段时间后感觉到舒适了便关闭空调，比如晚间开空调2 小时，在睡觉前便关闭空调，而不是连续开一整夜。采用间歇采暖时，室内的设定温度通常比连续采暖时设定的要高，主要分布在22～26℃，区别于北方地区一直维持在18℃。与此同时，该地区居民有经常开窗通风的习惯，即使是室外温度较低的情况，很多居民仍会定时开窗通风。因此，基于调研结果，本文设计了3 种不同的空调运行模式和4 种自然通风模式，将这两种因素下不同的运行模式进行组合，对它们的空调能耗进行模拟分析并加以比较。如表3 和表4 所示。

表3 空调运行模式设定

注：表中“7 时”代表“7:00～8:00”，表示空调运行或自然通风1h，同理“22～23 时”代表“22:00～0:00”，表示空调运行或自然通风2h，以此类推。下表同。

表4 自然通风模式设定

本模拟中，为研究空调运行时间及自然通风模式对采暖能耗的影响，采暖室内设置温度不作为变量考虑，采暖设置温度均采用24℃。由于住宅建筑的户门常处于关闭状态，因此模拟中设置各户的内门一直处于关闭状态，各户不与楼道或电梯厅进行通风，但户内各卧室的门在自然通风时一直处于敞开状态。且空调时间认为不会开窗进行自然通风，因此，在下表中空调运行模式与自然通风模式中，空调时间与自然通风的时间相冲突的，此时只开启空调不进行自然通风。由于自然通风对室内热环境的改变及采暖能耗的影响，受到外界环境的影响很大，本模拟中设定冬季自然通风的容忍温度下限为5℃，即只有当室外气温不低于5℃时才开窗通风，其他时刻则关闭各房间的外窗，只有少量的空气通过门窗缝隙渗入室内。

2 模拟结果及分析

针对上述住宅建筑，采暖室内设计温度为24℃，采暖时间为12 月1 日至次年3 月31 日，不同人员行为模式下的单位面积采暖能耗如图 4 不同人员行为模式下的单位面积采暖能耗所示。由图 4 不同人员行为模式下的单位面积采暖能耗可以看出，室内的空调运行模式和自然通风习惯对住宅建筑的采暖能耗有着显著的影响，在图中所示21 种行为模式中，该建筑中各户的单位面积采暖能耗在6～35kW·h/(m²·a)，与该建筑的实际能耗水平相符。从模拟结果可以看出，开窗通风时，开窗时间越长，开窗面积越大，建筑的采暖能耗将越高。同时，空调运行时间越长，建筑的采暖能耗也会越高。

图4 不同人员行为模式下的单位面积采暖能耗

为研究自然通风对采暖能耗的影响，对以上各模式下的自然通风小时数及逐时自然通风量进行统计分析。研究表明，建筑自然通风量与其所带来的冷量在一定程度上呈对数关系，且通风量与开窗时间及通风有效面积呈线性关系^[5]。因此，记有效通风面积为A，日均开窗小时数为h，定义“日均有效开窗面积小时数”为“A·h”，研究不同空调运行模式下“A·h”对采暖能耗的影响，结果如图 5 不同空调运行模式下的单位面积采暖能耗与（A·h）的关系所示。

从图 5 不同空调运行模式下的单位面积采暖能耗与（A·h）的关系可以看出，有效开窗面积和开窗时数对采暖负荷有着显著的影响。在相同开窗面积下，采暖能耗随着开窗时间的增长而逐渐增大，采暖能耗随着A·h的增大呈对数增长趋势，即随着通风量的增大呈对数增长的趋势。此外，虽然与大面积的开窗通风相比，小面积开窗通风相对较不容易造成室内温度温度迅速下降，但由于墙体的热惰性，当窗户关闭以后，室内及墙体的温度并不会及时恢复，会对热舒适和能耗产生较大影响。即若想得到相同的通风换气量，在冬季采用短时间大开窗的通风方式比采用长时间小开窗的方式更有利于节省采暖能耗。模拟结果同时表明，在间歇空调模式下，该地区的采暖能耗的增加随着空调运行时间的增加并不呈线性变化。

图5 不同空调运行模式下的单位面积采暖能耗与（A·h）的关系
（a）C1 运行模式；（b）C2 运行模式；（c）C3 运行模式

3 结论

该小区2014 年冬季的平均单位面积采暖能耗约为11.5kW·h/(m²·a)，不同家庭之间差别大，最小者不足1kW·h/(m²·a)，而最大值甚至高达90kW·h/(m²·a)。大部分家庭目前是间歇式采暖，其采暖能耗主要集中在晚间和夜间，59% 的家庭的单位面积采暖能耗在5～13kW·h/(m²·a)。

在不同的自然通风模式下，有效开窗面积和开窗时数对采暖负荷有着显著的影响。在相同开窗面积下，采暖能耗随着开窗时间的增长而逐渐增大，采暖能耗随着A·h 的增大呈对数增长趋势，即随着通风量的增大呈对数增长的趋势。

在夏热冬冷地区，若想得到相同的通风换气量，在冬季采用短时间大开窗的通风方式比采用长时间小开窗的方式更有利于节省采暖能耗。

参考文献

[1] 朱光俊，张小亮. 住宅建筑采暖空调能耗模拟研究[J]. 住宅科技，2004(11):35–37.

[2] 朱理. 杭州市住宅用能与行为模式分析[D]. 浙江大学，2014.

[3] 清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2011.[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4] JGJ 134—2010 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].

[5] Li Y, Li X F. Natural ventilation potential of high-rise residential buildings in northern China using coupling thermal and airflow simulations [J]. Building Simulation, 2015,8(1):51–64.

作者简介：李严（1989—），女，内蒙古赤峰人，主要研究方向为建筑节能。

本论文入选2016年全国暖通空调制冷学术年会文集，收录于《建筑技术开发》2016年11月增刊。