基于住戶用能行為特征的農(nóng)宅能耗模擬研究

周宇飛，申繪芳，易子浩，倪一飛（浙江農(nóng)林大學(xué)土木工程系，浙江 杭州 311300）

從“十九大”以來，農(nóng)村住宅的節(jié)能工作一直是新農(nóng)村建設(shè)工作的重要組成內(nèi)容之一。但是，我國的農(nóng)村住宅節(jié)能工作開展依然進(jìn)度緩慢。根據(jù)前期調(diào)查得知，已有農(nóng)村住宅多數(shù)未嚴(yán)格采取節(jié)能措施，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能差，采暖制冷效率低，從而導(dǎo)致建筑耗能巨大[1]。浙江省新農(nóng)村建設(shè)中農(nóng)宅的全生命周期各階段所消耗能耗所占比重各不同，其中，建筑運(yùn)行維護(hù)及更新階段所消耗的能耗最多，為 62 %，而建筑運(yùn)行維護(hù)及更新階段所消耗的能耗大都由不同住戶用能行為所引起[2]。因此，根據(jù)住戶的用能行為研究農(nóng)宅能耗研究可為相關(guān)能源政策的制定提供有力的理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對推動(dòng)建筑節(jié)能減排工作將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 調(diào)查方法

前期研究成果發(fā)現(xiàn)，在浙江省農(nóng)宅的全年使用能源消耗中，夏季的用電量占了全年用電量的 43.71 %，冬季的用電量占了全年用電量的 29.15 %，冬季的能耗遠(yuǎn)低于夏季。因此，在考慮節(jié)能減排的措施時(shí)，主要以夏季的節(jié)能減排為主[3]。

為模擬農(nóng)宅能源消耗的過程，選取浙北地區(qū)的杭州市和浙西地區(qū)的衢州市等部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展了關(guān)于住戶用能行為的數(shù)據(jù)調(diào)研。在所調(diào)研的鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，采用實(shí)地入戶走訪和問卷調(diào)查相結(jié)合的方式，重點(diǎn)調(diào)查了農(nóng)宅住戶夏季空調(diào)的用能行為，以期獲得其夏季用能行為特征，從而進(jìn)行典型性農(nóng)宅的空調(diào)能耗模擬，進(jìn)一步具體研究不同建筑環(huán)境因素對建筑能耗的影響。

問卷調(diào)查的主要內(nèi)容包括家庭的基本信息、農(nóng)宅的建筑信息、家庭的用能信息、住戶的夏季降溫設(shè)備的使用、住戶通風(fēng)習(xí)慣等用能生活方式。

2 調(diào)查數(shù)據(jù)分析

2.1 農(nóng)宅的基本信息

本次調(diào)查采樣了浙江省杭州市和衢州市的獨(dú)棟農(nóng)宅，共計(jì) 28 戶。農(nóng)宅的建筑面積多在 200 m2以上，此類占樣本數(shù)的 79%。建筑的朝向以南北向?yàn)橹?，此類占樣本?shù)的 96%。戶型結(jié)構(gòu)多為四室二廳，此類占樣本數(shù)的 59%。家庭人口結(jié)構(gòu)多為 3 ～ 6 人，此類占樣本數(shù)的 93%。

2.2 住戶用能行為分析

所調(diào)研的衢州市村鎮(zhèn)在夏季降溫期中，42% 的農(nóng)戶在 6月開始使用降溫設(shè)備， 42% 的農(nóng)戶選擇在 7 月開始使用降溫設(shè)備。有 83% 的用戶選擇在 9 月結(jié)束使用降溫設(shè)備。常用的降溫設(shè)備為電空調(diào)和電風(fēng)扇，但是電空調(diào)并非處于始終開啟狀態(tài)。其中，50% 的農(nóng)戶電空調(diào)使用時(shí)長為 5 ～ 8 h/d，55% 左右的農(nóng)戶空調(diào)開啟行為是“覺得熱了開，人離開房間就關(guān)”。夏季天氣炎熱，一般 14:00 時(shí)室外溫度達(dá)到最高點(diǎn)，早上和夜晚溫度較低。但因農(nóng)戶白天需外出勞作，居家時(shí)間短，且為節(jié)約電費(fèi)而選擇忍受，只有到了夜晚，成員基本都回家時(shí)才會(huì)選擇開啟空調(diào)以保證舒適的睡眠環(huán)境。92%的農(nóng)戶對降溫方式表示滿意。在寒冷季節(jié)，有 33% 的農(nóng)戶選擇在 12 月開啟采暖設(shè)備，25% 的農(nóng)戶選擇在 1 月開啟采暖設(shè)備，42% 的農(nóng)戶選擇 3 月結(jié)束使用采暖設(shè)備。常用采暖設(shè)備為電暖器、電熱毯等，偶爾選擇開空調(diào)。50% 的農(nóng)戶對采暖方式表示滿意， 42% 的農(nóng)戶表示采暖方式的滿意度一般。

杭州市村鎮(zhèn)在夏季降溫期中， 44% 的農(nóng)戶在 6 月開始使用降溫設(shè)備， 44% 的農(nóng)戶選擇在 7 月開始使用降溫設(shè)備，83% 的用戶選擇在 9 月結(jié)束使用。常用的降溫設(shè)備為電空調(diào)和電風(fēng)扇。其中，67% 的農(nóng)戶電空調(diào)使用時(shí)長為 5～ 8 h/d。44% 左右的農(nóng)戶選擇“覺得熱了開，人離開房間就關(guān)”，31% 的農(nóng)戶選擇“感覺熱了開，過一會(huì)室內(nèi)涼快了就關(guān)”。大部分人們對降溫方式表示滿意。在冬季采暖期， 38% 的農(nóng)戶在 12 月開啟采暖設(shè)備，37% 的農(nóng)戶 2 月結(jié)束使用供暖設(shè)備，31% 的農(nóng)戶常在 3 月結(jié)束采暖。常用采暖設(shè)備為壁掛空調(diào)、電熱毯等。58% 的農(nóng)戶表示對采暖方式滿意， 33% 的農(nóng)戶表示采暖方式的滿意度一般。

3 住戶用能行為影響農(nóng)宅能耗模擬分析

3.1 研究方法

選取杭州市（浙北地區(qū)）和衢州市（浙西地區(qū)）的典型性戶型農(nóng)宅為載體，結(jié)合上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果所得住戶的用能行為特征，利用能耗模擬軟件全年負(fù)荷計(jì)算及能耗分析，對實(shí)體住戶的能耗進(jìn)行模擬。

所選農(nóng)宅 a 為杭州地區(qū)的農(nóng)宅， 2010 年建成，住宅戶型為三室一廳，建筑面積為 124 m2。所選農(nóng)宅 b 為衢州地區(qū)的農(nóng)宅， 2004 年建成，住宅戶型為二室一廳，建筑面積為 83 m2。農(nóng)宅的平面圖如圖 1 所示。

圖1 農(nóng)宅平面圖

3.2 模擬參數(shù)設(shè)置

（1）氣象參數(shù)設(shè)置。在進(jìn)行能耗模擬研究時(shí)，選取Chinese Standard Weather Data（CSWD）氣象數(shù)據(jù)庫中浙江省衢州市、杭州市氣象文件進(jìn)行氣象參數(shù)的輸入。CSWD 數(shù)據(jù)是以中國氣象信息中心氣象資料室收集的全國270 個(gè)地面氣象站，基于 1971 ～ 2003 年的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)編制而成，其可為建筑熱環(huán)境及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)模擬分析提供全面可靠的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)[4]。因此該氣象文件可較好地反映浙江省內(nèi)地區(qū)的氣候特點(diǎn)，并為獲得較為理想的模擬結(jié)果提供了一定保障。

（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置。模擬建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的信息如表 1 所示。

表1 模擬建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)信息匯總

（3）建筑分區(qū)用途參數(shù)設(shè)置。選用常見的家用分體式空調(diào)作為夏季制冷降溫設(shè)備。外窗遮陽則根據(jù)建筑物實(shí)際選用的遮陽措施進(jìn)行具體的設(shè)置。不同于其他一些能耗模擬軟件只需使用遮陽系數(shù)進(jìn)行遮陽措施的設(shè)置方式，某全年負(fù)荷計(jì)算及能耗分析軟件的這一處理方式使得遮陽措施對模擬對象能耗的影響更加接近于實(shí)際情況。

（4）用能行為參數(shù)設(shè)置。根據(jù)上述用能行為特征的分析，對農(nóng)戶的夏季用能行為相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行一般常用模式設(shè)置，具體的電空調(diào)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表 2 所示。

表2 臥室的空調(diào)開關(guān)和通風(fēng)行為的參數(shù)設(shè)置

3.3 模擬結(jié)果分析

（1）區(qū)域差異對能耗的影響。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)定，利用某全年負(fù)荷計(jì)算及能耗分析軟件進(jìn)行農(nóng)宅的能耗模擬。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，杭州地區(qū)的農(nóng)宅全年能耗為 3.924 4 kWh/m2。其中，夏季能耗最高為 8 月 1.126 0 kWh/m2。衢州地區(qū)的農(nóng)宅全年能耗為 5.007 4 kWh/m2，其中，夏季能耗最高為 7月，即 1.616 4 kWh/m2。以上模擬能耗數(shù)據(jù)基本上與實(shí)際用電量相差不大，可反映農(nóng)宅的實(shí)際能耗用量。

（2）樓層和朝向的差異對能耗的影響。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)定及能耗分析軟件的結(jié)果，選取衢州地區(qū)的農(nóng)宅能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行具體研究，對同一建筑物同一位置的不同高度臥室的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，隨著樓層高度的增加，在相同的面積下，其分區(qū)溫度也在不斷上升，導(dǎo)致其冷負(fù)荷也相應(yīng)增加。選取杭州地區(qū)的農(nóng)宅能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的研究，對同一建筑物同一樓層的不同朝向臥室的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，在面積相似的情況下，窗戶朝南的臥室自然室溫會(huì)明顯高于朝北的臥室，即使是在夜晚其分區(qū)溫度差異也較大。這與白天陽光的照射有直接關(guān)系，直接造成其冷負(fù)荷顯著地增加。

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)用材差異對能耗的影響。在前期的研究中發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)用材對建筑的能耗有著顯著的影響[5-7]，這在本研究中也得到了驗(yàn)證。選取衢州地區(qū)的農(nóng)宅，設(shè)置不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料（分別為多孔磚和加氣混凝土砌塊），其他設(shè)置參數(shù)都不變，結(jié)果數(shù)據(jù)顯示如表 3 所示。在該農(nóng)宅中，照明設(shè)備的全年能耗不變，但空調(diào)設(shè)備的能耗卻有較大變化。采用加氣混凝土砌塊為外墻主要材料的農(nóng)宅夏季能耗只是采用多孔磚為外墻材料的農(nóng)宅夏季能耗的 72.22 %，顯著減少了 27.78 %，節(jié)能效果較為明顯。

表3 杭州地區(qū)農(nóng)宅的不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)用材的（臥室）冷負(fù)荷表

（4）差異原因分析。對比以上浙北和浙西地區(qū)的農(nóng)宅能耗數(shù)據(jù)，分析得到產(chǎn)生能耗差異的原因如下所示。① 區(qū)域及氣候差異，特別是夏季。衢州地區(qū)全年平均氣溫為 16.3～ 17.4 ℃，夏季平均氣溫為 27.6 ～ 29.2 ℃，夏季最高氣溫為 41.8 ℃，夏季高溫天數(shù) 40 ～ 55 d。杭州地區(qū)全年平均氣溫為 15.9 ～ 17.0 ℃，夏季平均氣溫為 19.0 ～ 27.0 ℃，夏季最高氣溫 39.8 ～ 42.9 ℃，夏季高溫天數(shù) 40 ～ 55 d。②住戶用能行為差異。衢州地區(qū)的空調(diào)開關(guān)時(shí)長少于杭州地區(qū)1 h 左右，衢州地區(qū)的空調(diào)設(shè)定溫度高于杭州地區(qū)，衢州地區(qū)在空調(diào)關(guān)閉后的通風(fēng)換氣次數(shù)高于杭州地區(qū)。③ 農(nóng)宅的樓層及房間布置差異。杭州地區(qū)農(nóng)宅的臥室南北朝向均有，且數(shù)目一致。衢州地區(qū)農(nóng)宅臥室朝南的數(shù)量高于朝北的數(shù)目。④ 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)用材差異如表 4 所示。

表4 衢州地區(qū)農(nóng)宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)用材差異

外墻傳熱系數(shù) K 值對建筑室內(nèi)熱環(huán)境與建筑能耗有顯著的影響。外墻 K 值越小，全年單位耗冷量、全年單位耗熱量以及全年單位總耗量越小，采暖與制冷度小時(shí)數(shù)越少（南向除外）[8]。

4 結(jié) 語

（1）分別對衢州市、杭州市某農(nóng)宅同一建筑物同一位置的不同高度臥室進(jìn)行對比。調(diào)研結(jié)果顯示，雖然不同區(qū)域建筑的面積、劃分不同，但在一棟建筑中層數(shù)越高，區(qū)間溫度越大，預(yù)測冷負(fù)荷越大。對同一建筑物同一高度的不同位置臥室進(jìn)行對比。調(diào)研結(jié)果顯示，面積相似的情況下，窗戶朝陽的臥室自然室溫在白天會(huì)高于北部的臥室。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)可知，農(nóng)村住宅中，1 F 常是活動(dòng)場所，2 F 及以上常為居住場所。一棟農(nóng)宅的臥室相對較多，一般窗戶朝南、北的臥室都有。因此，在修建農(nóng)宅的時(shí)候建議農(nóng)村建筑住宅臥室相對富余的情況下，在夏季選擇層數(shù)較低、窗戶朝北面的臥室居住，由此，夏季空調(diào)能耗會(huì)相對較低。

（2）通過分析圖像可知，同一建筑如果采用不同的外墻材料將會(huì)導(dǎo)致能耗不同。以磚墻和加氣混凝土墻為例，在相同建筑中，照明、設(shè)備的全年能耗不變，但空調(diào)能耗中加氣混凝土外墻能耗只有磚墻全年能耗的 72.22 %。因此，建議在修建農(nóng)宅外墻時(shí)盡量選擇加氣混凝土墻等能盡量減少能耗的材料。