長沙地區(qū)某居住建筑供暖空調(diào)能耗調(diào)研與實(shí)測

段姣姣，張新橋，吳興應(yīng)，崔洪源

(湖南城市學(xué)院 市政與測繪工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

2016 年4 月22 日全球氣候變化協(xié)議《巴黎協(xié)定》簽署，中國是重要的參與者和推動者.習(xí)近平主席已向世界承諾，中國將于2030 年左右使單位國內(nèi)生產(chǎn)總值的二氧化碳排放比2005 年下降60%～65%[1].目前我國的碳排放主要來自工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)和建筑業(yè)，其中建筑業(yè)碳排放約為40%，所占比重最大[1].近10 年來，我國住宅建筑面積快速增長，尤其是城鎮(zhèn)地區(qū).截至2017年年初，存量住宅面積高達(dá)550 億 m2，且隨著人們生活水平的提高，居住建筑供暖空調(diào)面積也快速增大.從1995 年到2010 年，我國城鎮(zhèn)住宅空調(diào)機(jī)擁有量從0.09 億臺增加到2.61 億臺，15年間增長了28.5 倍[2].可見，不解決日益增長的居住建筑供暖空調(diào)能耗問題，建筑業(yè)碳排放下降目標(biāo)則難以實(shí)現(xiàn).

建筑業(yè)能耗取決于氣候、技術(shù)和行為因素[3].根據(jù)建筑熱工設(shè)計分區(qū)，我國主要分為嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和5 個地區(qū).其中長沙地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，其夏季漫長炎熱，冬季寒冷.一般5～9 月為炎熱期，7 月平均氣溫最高；11 月～次年3 月為寒冷期，1 月平均氣溫最低.1年中只有4 月和10 月熱舒適性最佳，不需要采取供暖和空調(diào)方案；3，5，9 和11 月均需進(jìn)行不連續(xù)供暖與空調(diào)方案才能滿足熱舒適性要求；1，2，6，7，8 和12 月均需進(jìn)行連續(xù)供暖與空調(diào)方案才能滿足室內(nèi)熱舒適性要求.因此，在一年內(nèi)，如果住戶人員長期在室，供暖和空調(diào)設(shè)備理想使用率高達(dá)83.3%[4].

夏熱冬冷地區(qū)冷熱兼用，集中空調(diào)存在一定優(yōu)勢，但由于輸配能耗比例大，導(dǎo)致高能耗、低能效；相反，分散空調(diào)由于安裝、控制、維護(hù)等方面存在很大的靈活性，能實(shí)現(xiàn)供需之間的良好響應(yīng).有研究表明，我國北方住宅集中空調(diào)比分體空調(diào)能耗高6～10 倍，南方高3～8 倍[5].同時，由于居住建筑存在“部分空間、部分時間”的特點(diǎn)，因此，從能耗和控制來看，分散供暖空調(diào)方案優(yōu)于集中方案[6].分散式空調(diào)系統(tǒng)還為行為節(jié)能發(fā)揮巨大潛力創(chuàng)造了條件[7]，如人員在室情況、空調(diào)運(yùn)行模式、室內(nèi)溫濕度控制等，不同因素組成的行為模式導(dǎo)致建筑供暖空調(diào)能耗差異很大[8].一般認(rèn)為，研究行為節(jié)能機(jī)理較氣候、技術(shù)而言，對居住建筑供暖空調(diào)降耗更有意義[9].

1 研究對象

長沙市某小區(qū)位于岳麓區(qū)，有8 棟單體建筑，其中6棟為1梯間建筑，總建筑面積為9 854.51 m2；2 棟為2 梯間建筑，總建筑面積為19 709.02 m2.所有建筑均正南北向，建筑高度均為98.2 m，且均為32 層.建筑戶型主要是兩居室和小三居，外觀和戶型見圖1.其圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

圖1 某居住建筑外觀、戶型及監(jiān)測實(shí)物圖

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 研究方法

本文針對小區(qū)居民進(jìn)行問卷調(diào)查，在調(diào)研的基礎(chǔ)上選取具有代表性的住戶進(jìn)行入戶測試，主要測試住戶各房間的室內(nèi)熱環(huán)境與空調(diào)能耗的相關(guān)參數(shù).

2.1 問卷調(diào)查

為了更好地探討影響空調(diào)能耗的技術(shù)和物理因素，尤其是人為因素，有必要對居民進(jìn)行問卷調(diào)查.在調(diào)查期間，研究人員留在參與者旁邊以確保參與者理解所有問題并全面作出真實(shí)的回答，最終獲得85 份有效問卷.

2.2 現(xiàn)場測試

由于問卷調(diào)查存在主觀差異性，故還選取了典型住戶進(jìn)行入戶測試.入戶測試戶型主要有兩居室和小三居，測試方案見圖1.其中，兩居室3個房間和小三居4 個房間均安裝了溫濕度傳感器；2 種戶型均只有客廳和主臥安裝了空調(diào)，且僅在客廳和主臥安裝了功率計，與空調(diào)插座配合使用.

3 結(jié)果分析

3.1 住戶在室情況

住戶在室情況各不相同，但典型性也較為明顯，大致可分為白天長時間有人和無人2 種.白天長時間有人居住家庭的工作日和非工作日在室情況類似，而白天長時間無人居住家庭的工作日和非工作日在室情況差別很大.結(jié)合戶型統(tǒng)計2種典型在室情況見圖2.其中，小三居為白天長時間有人居住的家庭；兩居室為白天長時間無人居住的家庭.小三居全年在室率較高，累計在室率在工作日和非工作日均呈現(xiàn)“雙U”形狀，而兩居室累計在室率在工作日呈現(xiàn)“單U”形狀，非工作日如果有定點(diǎn)外出習(xí)慣則累計在室率呈現(xiàn)“雙U”形狀，無此習(xí)慣在室率較為平均，中午和晚上略偏高.

圖2 2 種戶型在室率

空調(diào)運(yùn)行模式一般分開和關(guān)的驅(qū)動因素，包括從不開、進(jìn)入房間開、感覺熱(冷)開、睡覺前開、離開房間關(guān)、感覺冷(熱)關(guān)和入睡前關(guān)[10].通過問卷調(diào)查，長沙地區(qū)某居住小區(qū)的空調(diào)運(yùn)行模式統(tǒng)計見圖3.圖3 中比例表示選擇某些答案的參與者人數(shù)與給出有效答案的參與者人數(shù)的比值.由于極少數(shù)住戶開關(guān)空調(diào)模式選擇了2 種，如同時選擇進(jìn)入房間開和感覺熱(冷)開，導(dǎo)致總開啟模式占比之和部分略超過100%.

3.2.1 空調(diào)啟停模式

由圖3 可知，在臥室制冷期，54%的住戶感覺熱時打開空調(diào)，25%的進(jìn)入房間及23%的睡覺時打開空調(diào)，僅有3%的選擇不開空調(diào)；61%的住戶會整晚開著空調(diào)，29%的會在睡前把空調(diào)關(guān)閉，11%的感覺冷時關(guān)閉空調(diào).在客廳制冷期，77%的住戶會選擇進(jìn)入房間便打開空調(diào)，7%的感覺熱時才會打開空調(diào)，僅有2%的選擇不開空調(diào)；存在14%的住戶由于家里只有客廳1 臺空調(diào)，因此會選擇睡覺時打開空調(diào)；與臥室相反的是，58%的住戶會選擇睡前關(guān)閉空調(diào)，24%的會選擇感覺冷時關(guān)閉空調(diào)，18%整晚開著空調(diào).在制冷期，臥室和客廳開關(guān)空調(diào)主要模式均不同.

圖3 空調(diào)運(yùn)行模式

在臥室供暖期，47%的住戶感覺冷的時候會將空調(diào)打開，10%的進(jìn)入房間時打開空調(diào)，37%的從來不開空調(diào)，僅有8%的選擇在睡前將空調(diào)打開；相較于61%的住戶夏季整晚開著空調(diào)，53%的住戶會選擇睡前把空調(diào)關(guān)閉，也存在27%的會選擇整晚開著空調(diào)，20%的在感覺熱的時候會關(guān)閉空調(diào).在客廳供暖期，58%的住戶會選擇進(jìn)入房間便打開空調(diào)，29%的不會開啟空調(diào)，存在11%的由于家里只有客廳安裝了空調(diào)，因此會選擇睡覺時打開客廳空調(diào)，僅有2%的住戶感覺冷時才會打開空調(diào).在供暖期，臥室和客廳開啟空調(diào)最主要的模式不同，但關(guān)閉空調(diào)最主要的模式相同，均為入睡前關(guān)閉.

在相同工況下不同類型房間和在不同工況下相同類型房間，空調(diào)的啟停模式是截然不同的.空調(diào)住戶自身感覺是空調(diào)開啟的重要影響因素，而不是空調(diào)關(guān)閉的重要影響因素.

3.2.2 空調(diào)長時間不運(yùn)行因素

針對不開空調(diào)情況調(diào)研其原因，結(jié)果見圖4.由圖4 可知，制冷期76%的住戶感覺到不熱，認(rèn)為沒必要開啟空調(diào)，13%的認(rèn)為開啟空調(diào)后會導(dǎo)致自身不舒適，僅5%的會由于電費(fèi)因素選擇不開空調(diào)，余下6%會因?yàn)樾睦?、生理等其他因素不開啟空調(diào).而供暖期39%的住戶認(rèn)為冬季不開啟空調(diào)的原因是覺得不舒適，其次34%的認(rèn)為不冷，沒必要開啟空調(diào)，還有18%的住戶會認(rèn)為冬季開啟空調(diào)會導(dǎo)致電費(fèi)過高，余下9%會因?yàn)樾睦?、生理等其他因素不開啟空調(diào).從調(diào)研結(jié)果可知，冬季開啟空調(diào)概率較夏季明顯降低了，原因是冬季開空調(diào)不舒適，且供暖工況下空調(diào)更為耗電.長沙地區(qū)供暖期室外濕冷，供暖需求較大，而空調(diào)開啟率不高.針對這一現(xiàn)象，進(jìn)一步對家庭供暖設(shè)備進(jìn)行了調(diào)研，數(shù)據(jù)顯示，空調(diào)仍是長沙居民最常使用的加熱設(shè)備，但32%的住戶會選擇電加熱器進(jìn)行加熱.所以，冬季空調(diào)能耗不能全面代表冬季供暖能耗.

圖4 住戶不開空調(diào)的原因

3.3 室內(nèi)熱舒適性

3.3.1 制冷期熱舒適性

對空調(diào)房制冷期溫度進(jìn)行分析，可知空調(diào)運(yùn)行時小三居主臥穩(wěn)定溫度位于26.69～27.55 ℃，平均溫度為 27.06 ℃； 客廳穩(wěn)定溫度為26.21～28.35 ℃，平均溫度為27.30 ℃.兩居室主臥穩(wěn)定溫度位于24.29～25.85 ℃，平均溫度為24.62 ℃；客廳穩(wěn)定溫度為28.22～30.89 ℃，平均溫度為29.59 ℃.選取典型日溫濕度做進(jìn)一步分析，見圖5.根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)[11]，結(jié)合在室情況調(diào)研數(shù)據(jù)，主臥23:00～次日 7:00 室內(nèi)溫度較低，小三居為26～28 ℃，基本滿足熱舒適性Ⅱ級要求；兩居室為24～26 ℃，基本滿足熱舒適性Ⅰ級要求.客廳19:00—22:00 室內(nèi)溫度有所下降，而小三居21:00—次日7:00 室內(nèi)溫度一直位于28℃左右.通過住戶回訪，可知由于次臥有人居住，但室內(nèi)未安裝空調(diào)，客廳整晚開啟空調(diào)主要目的是給鄰近次臥制冷.

圖5 制冷期空調(diào)房典型日溫濕度變化

3.3.2 供暖期熱舒適性

對空調(diào)房供暖期溫度進(jìn)行分析，可知空調(diào)運(yùn)行時小三居主臥穩(wěn)定溫度為10.28～12.38 ℃，平均溫度為 11.48 ℃；兩居室主臥穩(wěn)定溫度為13.74～17.83 ℃，平均溫度為16.31 ℃.2 住戶客廳空調(diào)整個供暖期均未開啟.選取典型日溫濕度做進(jìn)一步分析，見圖6.結(jié)合在室情況調(diào)研數(shù)據(jù)，主臥1:00—3:00 室內(nèi)溫度明顯升高，且兩居室熱舒適性明顯優(yōu)于小三居，但整體熱舒適性不佳.據(jù)住戶介紹，晚上臥室睡覺棉被較厚，室內(nèi)溫度要求不高，而白天居家時間不長，客廳一般又有局部加熱器，房間空調(diào)一般不開啟.

圖6 供暖期空調(diào)房典型日溫濕度變化(左：小三居，右：兩居室)

3.4 供暖空調(diào)能耗

由圖7 可知，全年供暖空調(diào)能耗主要集中于6～9 月；4，5 和11 月過渡季為待機(jī)功率下產(chǎn)生的能耗，可忽略；12～次年3 月供暖期空調(diào)開啟率很小.小三居主臥全年空調(diào)能耗為144.85 kWh，客廳全年空調(diào)能耗為285.64 kWh；兩居室主臥全年空調(diào)能耗為547.50 kWh，客廳全年空調(diào)能耗為464.10 kWh.以空調(diào)面積為基數(shù)，小三居空調(diào)能耗指標(biāo)為6.81 kWh/m2；兩居室空調(diào)能耗指標(biāo)為22.18 kWh/m2，不同住戶能耗指標(biāo)差別較大.

圖7 全年空調(diào)能耗(左：小三居，右：兩居室)

4 結(jié)論

1)針對白天長期有人和無人居住的住戶需分類討論在室率.白天長期有人居住的住戶其工作日和非工作日在室情況類似；但無人居住的住戶差別很大.工作日累計在室率柱狀圖呈現(xiàn)“單U”狀，非工作日呈現(xiàn)“雙U”狀.結(jié)合能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)，某時刻在室率較大且長時間穩(wěn)定，制冷期空調(diào)一般處于開啟狀態(tài).

2)不同房間、不同工況的空調(diào)運(yùn)行模式存在一定差異.其中臥室空調(diào)驅(qū)動因素一般以環(huán)境為主，客廳則以事件為主.制冷期臥室空調(diào)整晚開著的概率高達(dá)61%，而供暖期此概率僅為27%.制冷期從不開啟空調(diào)的概率臥室和客廳分別為3%和2%，而供暖期從不開啟空調(diào)的概率高達(dá)37%和29%.

3)住戶自身感覺是空調(diào)開啟的重要影響因素，但不是空調(diào)關(guān)閉的重要影響因素.制冷期一般離開房間關(guān)閉空調(diào)，但供暖期臥室一般入睡前關(guān)閉空調(diào).

4)雖然空調(diào)是長沙居民最常使用的加熱設(shè)備，但32%的住戶會選擇電加熱器進(jìn)行加熱.由此可知，冬季空調(diào)能耗不能全面代表冬季供暖能耗.

5)制冷期住戶室內(nèi)熱環(huán)境明顯優(yōu)于供暖期.制冷期小三居和兩居室臥室平均穩(wěn)定溫度分別為27.06 和24.62 ℃，客廳為27.30 和29.59 ℃；供暖期小三居和兩居室臥室平均穩(wěn)定溫度分別為11.48 和16.31 ℃，且客廳一般不開啟空調(diào)，住戶臥室通過棉被，客廳通過局部加熱器等維持人體熱舒適性.

6)住戶全年供暖空調(diào)能耗主要集中在6～9 月，其中8 月最大，但不同住戶能耗差異較大.典型住戶供暖空調(diào)能耗指標(biāo)分別為6.81 和22.18 kWh/m2.