基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的住宅能耗分析

狄晨華

【摘 要】本文在住宅建筑能耗影響因素基礎(chǔ)上，構(gòu)建建筑能耗的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，尋找住宅建筑能耗的規(guī)律。通過調(diào)整住宅建筑能耗的不同參數(shù)，觀察其對(duì)整個(gè)住宅建筑能耗的影響，從而提出降低住宅建筑能耗、改善建筑用能、促進(jìn)住宅建筑節(jié)能的可行性政策和措施。

【關(guān)鍵詞】住宅；建筑能耗；建筑節(jié)能；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

0 前言

中國是能源大國，也是能耗、能需大國。在中國高速發(fā)展的過程中，建筑業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)中的一個(gè)重要支柱產(chǎn)業(yè)。目前，我國建筑能耗已經(jīng)突升到我國總能耗的30%左右，并呈現(xiàn)逐年上升的形式。而在這其中，住宅能耗又是極其重要且與人們生活最為相關(guān)的一部分，因此，住宅建筑的節(jié)能工作是整個(gè)建筑節(jié)能的管理重點(diǎn)。

能源問題的緊迫性，使得住宅建筑能耗亟待科學(xué)詳細(xì)的分析研究。陸瑩瑩[1]等介紹了家庭能源三種主要消費(fèi)分析方法的發(fā)展及共同的模型基礎(chǔ)——投入產(chǎn)出模型，并就家庭能耗影響因素和國別差異進(jìn)行了分析，指出家庭能源消耗可能是我國能耗消費(fèi)的增長點(diǎn)。孫娟等[2]研究了上海不同年代住宅能源消費(fèi)現(xiàn)狀及特點(diǎn)，分別對(duì)20世紀(jì)80年代及2000年后兩住宅小區(qū)的居住建筑概況、生活方式、對(duì)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)及能耗情況進(jìn)行了調(diào)查。王海寧等[3]以陜西省為例，運(yùn)用系統(tǒng)工程理論分析能源消費(fèi)的影響因素，對(duì)未來一段時(shí)期內(nèi)能源消費(fèi)、大氣污染物排放量等進(jìn)行了預(yù)測(cè)。目前，住宅建筑能耗的研究大多集中在對(duì)于統(tǒng)計(jì)方法的歸納、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的分析、現(xiàn)有住宅的實(shí)證對(duì)比等方面，缺乏對(duì)住宅能耗的系統(tǒng)性分析。出于以上考慮，本文采取系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)影響住宅能耗的眾多變量進(jìn)行系統(tǒng)性研究。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（System Dynamics，簡稱SD）是由美國麻省理工學(xué)院的J.M.Forrester于20世紀(jì)50年代提出的一種研究復(fù)雜系統(tǒng)的方法。它針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中存在的問題，從系統(tǒng)的整體觀出發(fā)，充分估計(jì)和研究其影響因素，不回避復(fù)雜性，特別注重研究系統(tǒng)內(nèi)部的非線性相互作用、協(xié)同以及延遲效應(yīng)等問題。

本文以住宅建筑為研究對(duì)象，通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，運(yùn)用Vensim PLE軟件，對(duì)影響住宅能耗的眾多變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)性分析和預(yù)測(cè)，尋找住宅建筑能耗規(guī)律，探討降低住宅能耗、促進(jìn)建筑節(jié)能的可行性政策和措施。

1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.1 系統(tǒng)總流圖的確定

根據(jù)分析研究和查閱相關(guān)文獻(xiàn)[4-6]，影響住宅建筑能耗的主要因素可以歸納為若干個(gè)子系統(tǒng)，分別是電能耗子系統(tǒng)、燃?xì)饽芎淖酉到y(tǒng)、家庭情況子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)包含各自的影響因素。通過對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)精細(xì)的分析，將這些互相影響的次級(jí)系統(tǒng)組合，得到整個(gè)系統(tǒng)的流圖（圖1）：

1.2 子系統(tǒng)關(guān)系式的確立

將模型細(xì)化到典型家庭住宅的層面，進(jìn)一步分析和構(gòu)建，添加輔助變量關(guān)系和函數(shù)表達(dá)，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化分析并得出關(guān)系式。由于系統(tǒng)較復(fù)雜，關(guān)系式較多，在此僅以空調(diào)能耗子系統(tǒng)和照明能耗子系統(tǒng)為例。

（1）空調(diào)能耗子系統(tǒng)

1.3 模型有效性的檢驗(yàn)

根據(jù)上海統(tǒng)計(jì)年鑒[10-14]及對(duì)一些網(wǎng)絡(luò)信息的總結(jié)后，計(jì)算得到上海居民用電和用氣的估計(jì)值，以2004-2006年的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)2007-2009年的戶均用電、用氣量進(jìn)行仿真模擬，得到的結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，不論是戶均用電量還是戶均用氣量，誤差都非常小，證明了模型的適用性。該模型可以進(jìn)一步用作分析和預(yù)測(cè)工具。

2 仿真、預(yù)測(cè)與綜合診斷

2.1 在既定參數(shù)下的模擬

根據(jù)相關(guān)調(diào)研結(jié)果，以中等收入家庭（家庭月收入在一萬到兩萬元的區(qū)間內(nèi)）作為典型家庭特征樣本，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)住宅建筑的能耗狀況進(jìn)行仿真模擬，模型中的相關(guān)調(diào)整因子和系數(shù)，由2004年至2009年的統(tǒng)計(jì)年鑒中的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算分析取值，得到的結(jié)果如表2所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，家庭收入逐年增加，能源消耗量也呈逐年上升的趨勢(shì)。

2.2 調(diào)整相關(guān)參數(shù)的模擬

2.2.1 空調(diào)能耗模擬

調(diào)整建筑的窗墻比、外墻傳熱性能、通風(fēng)、朝向等影響因素，見表3。觀察空調(diào)能耗的變化，調(diào)整前后的空調(diào)能耗對(duì)比情況如表4所示?？梢钥闯觯總€(gè)影響因素的微量改善，能帶來的節(jié)能效果卻是非常明顯的。如果再對(duì)影響因素做進(jìn)一步的改善，節(jié)能效果很有可能達(dá)到50%。

2.2.2 家庭能源消費(fèi)模擬

通過模型預(yù)測(cè)一個(gè)處于中等普通生活水平的家庭每年的能耗開支（按照電費(fèi)0.6元/kW·h，天然氣2.5元/m3計(jì)算）。在家用電器中，用一部分電器代替用氣設(shè)備，如用電熱水器代替燃?xì)鉄崴?。取電、燃?xì)馓娲蜃訛?.1，可以得到調(diào)整前后的能耗開支，見表5?？梢钥闯觯秒姶艩t替代燃?xì)庠?、用電熱水器替代燃?xì)鉄崴鳎遣还?jié)能也不經(jīng)濟(jì)的。

3 結(jié)論與建議

通過以上分析，上海典型家庭各類能耗（電能耗、燃?xì)饽芎模╇S著經(jīng)濟(jì)增長呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。住宅建筑能耗需求的不斷增長和能源緊缺趨勢(shì)是不可避免的，我國政府應(yīng)該加強(qiáng)節(jié)能教育和宣傳，大力推進(jìn)節(jié)能措施。

空調(diào)能耗始終是住宅建筑能耗中一個(gè)重要部分。空調(diào)用戶應(yīng)該養(yǎng)成良好的用能習(xí)慣，支持節(jié)能產(chǎn)品；廠商需不斷開發(fā)新的綠色設(shè)備；政府對(duì)空調(diào)使用方面的激勵(lì)政策也可進(jìn)一步做細(xì)。改善住宅建筑參數(shù)（包括窗墻比、通風(fēng)、朝向等）有利于空調(diào)能耗的降低。政府可以在住宅建筑設(shè)計(jì)階段就加入相應(yīng)的能耗要求，強(qiáng)化綠色住宅建筑規(guī)范。在家庭生活中，用電代替燃?xì)怆m然可以帶來一些方便，但是在節(jié)能和家庭開支上都是不劃算的。

【參考文獻(xiàn)】

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[12]上海市統(tǒng)計(jì)局，上海統(tǒng)計(jì)年鑒[M].中國統(tǒng)計(jì)出版社，2008.

[13]上海市統(tǒng)計(jì)局，上海統(tǒng)計(jì)年鑒[M].中國統(tǒng)計(jì)出版社，2009.

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