人員熱適應(yīng)對(duì)住宅全年供暖、供冷需求影響
——以重慶為例

杜晨秋，李信儀，喻 偉，姚潤(rùn)明

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，?？?570228)

夏熱冬冷地區(qū)由于典型的夏季炎熱、冬季寒冷、全年高濕的氣候特點(diǎn)，室內(nèi)熱環(huán)境較差，尤其是冬季，使得該地區(qū)改善室內(nèi)熱環(huán)境的呼聲日益強(qiáng)烈。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001—2011年該地區(qū)僅供暖電耗已經(jīng)從77億kWh增加到414億kWh，而且隨著家庭收入增加和人們舒適度提高，預(yù)計(jì)將來(lái)會(huì)持續(xù)增加[1]，這將對(duì)中國(guó)建筑碳排放達(dá)峰產(chǎn)生重要影響。因此，如何平衡人員熱舒適需求和建筑節(jié)能減排壓力，已成為該地區(qū)建筑可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

根據(jù)適應(yīng)性理論，夏熱冬冷地區(qū)人員由于長(zhǎng)期生活在該地區(qū)獨(dú)特的氣候特征和建筑特性背景下，已經(jīng)通過(guò)生理適應(yīng)、心理期望和行為調(diào)節(jié)，適應(yīng)了該地區(qū)的氣候和室內(nèi)環(huán)境，其對(duì)環(huán)境的容忍度和可接受度也更高[2-3]。加上住宅中人員適應(yīng)性調(diào)節(jié)行為更加多樣，包括開(kāi)窗通風(fēng)、增減衣服、使用風(fēng)扇、空調(diào)等[4]，其熱舒適區(qū)間更廣[3,5-7]。Du等[8]分析了夏熱冬冷地區(qū)住宅人員全年適應(yīng)性調(diào)節(jié)行為(服裝/開(kāi)窗)等隨室外溫度的變化，發(fā)現(xiàn)即使同樣的室內(nèi)溫度下，由于前期人員熱經(jīng)歷，人員服裝熱阻和室內(nèi)風(fēng)速在秋季和春季也存在一定差異。Liu 等[9]調(diào)研了該地區(qū)住宅建筑全年不同季節(jié)人員適應(yīng)性隨室內(nèi)熱環(huán)境的變化，結(jié)果顯示該地區(qū)居民全年熱中性溫度在夏季較高(24.25 ℃)，冬季較低(21.02 ℃)，而過(guò)渡季節(jié)的中性溫度則在冬季和夏季之間，表明人員的真實(shí)熱舒適需求是隨著室外氣候和季節(jié)而動(dòng)態(tài)變化的。即使在供暖期間，Wang等[10-11]對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)冬季住宅調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著供暖的深入，室內(nèi)平均溫度高于24 ℃的頻率逐漸增加，供暖初期、中期和后期人員的熱中性溫度分別為21.6、23.5、23.1 ℃。同樣，一項(xiàng)對(duì)教室的調(diào)研分析也顯示，人員的熱中性溫度會(huì)隨著供暖時(shí)間推移發(fā)生變化，冬季和春季的熱中性溫度存在顯著差異，冬季的熱中性溫度要低于春季，因此同樣的供暖溫度設(shè)定引起更多人員不舒適。而Hoyt等[12]采用模擬的方法模擬了美國(guó)4個(gè)城市辦公建筑在調(diào)節(jié)溫度設(shè)定點(diǎn)策略下全年空調(diào)能耗：當(dāng)供冷溫度從22.2 ℃增加到25.0 ℃，供冷能耗可節(jié)約29%；供暖溫度從21.1 ℃降低到20.0 ℃，其供暖能耗可節(jié)省34%。進(jìn)一步將溫度設(shè)定區(qū)間擴(kuò)大到18.3～27.8 ℃，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力可達(dá)32%～73%。上述研究表明，真實(shí)環(huán)境中人員的熱舒適需求是隨著室外氣候、季節(jié)和自身適應(yīng)性而動(dòng)態(tài)變化的，這一特性會(huì)對(duì)室內(nèi)實(shí)際供暖空調(diào)用能需求和節(jié)能潛力產(chǎn)生顯著影響。

但是，現(xiàn)有關(guān)于供暖空調(diào)溫度調(diào)節(jié)的研究主要以結(jié)果導(dǎo)向，研究對(duì)象多以公共建筑為主，假定人員的適應(yīng)性可以拓寬舒適溫度區(qū)間，進(jìn)而研究溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下的節(jié)能潛力。對(duì)于其溫度調(diào)節(jié)策略的理論依據(jù)，這一調(diào)節(jié)策略是否滿足人員真實(shí)熱舒適需求等，缺少理論依據(jù)和支撐。針對(duì)該問(wèn)題，本文首先以夏熱冬冷地區(qū)典型城市-重慶為例，基于課題組建立的重慶住宅建筑全年熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，探討該地區(qū)居民在充分發(fā)揮自身適應(yīng)性基礎(chǔ)上，其全年熱舒適隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特性，從而確定基于舒適溫度動(dòng)態(tài)變化的全年供暖空調(diào)調(diào)控策略。在此基礎(chǔ)上，利用EnergyPlus建立重慶地區(qū)典型住宅樣本建筑模型，在執(zhí)行該地區(qū)最新版JGJ134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[13]基礎(chǔ)上，模擬住宅分別采用傳統(tǒng)供暖空調(diào)溫度設(shè)計(jì)(18～26 ℃)和基于人員動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的全年室內(nèi)熱環(huán)境，分析其動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)的節(jié)能潛力。研究結(jié)果有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)該地區(qū)人員長(zhǎng)期形成的熱適應(yīng)性對(duì)其舒適需求的影響，量化得到的全年舒適溫度動(dòng)態(tài)變化特性可為該地區(qū)住宅室內(nèi)熱環(huán)境營(yíng)造和最優(yōu)化供暖空調(diào)動(dòng)態(tài)調(diào)控提供一定理論基礎(chǔ)和研究參考，實(shí)現(xiàn)在滿足人員熱舒適需求的同時(shí)最大化建筑節(jié)能潛力。

1 住宅人員全年動(dòng)態(tài)熱舒適需求

1.1 住宅熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)

筆者所在課題組前期對(duì)夏熱冬冷地區(qū)6個(gè)典型城市的住宅建筑開(kāi)展了超過(guò)一年的入戶調(diào)研。調(diào)研同時(shí)涵蓋了室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)測(cè)量和居民主觀問(wèn)卷調(diào)查，具體調(diào)研方法可參考文獻(xiàn)[9-14]。需要指出的是，使用局部供暖、供冷設(shè)備，比如風(fēng)扇、空調(diào)、電暖氣等，均可看作居民適應(yīng)性行為調(diào)節(jié)，且會(huì)顯著影響其主觀舒適度。前期調(diào)研中通過(guò)設(shè)置問(wèn)題“此時(shí)，您是否開(kāi)啟供暖空調(diào)設(shè)備？如果是，請(qǐng)選擇設(shè)備__”和“采用空調(diào)供暖/供冷時(shí)，其設(shè)定溫度為_(kāi)_”來(lái)反映人員適應(yīng)性行為調(diào)節(jié)，具體請(qǐng)參考文獻(xiàn)[8]。本文選擇典型城市-重慶為例，在數(shù)據(jù)篩選中也包含這些樣本案例。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，剔除一些缺失主要信息的樣本，得到的重慶地區(qū)住宅調(diào)研有效樣本數(shù)為2 151份，涵蓋全年12個(gè)月，且每個(gè)月樣本量近似。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55[15]、GB/T 50785[16]等建立的適應(yīng)性模型，主要基于自然通風(fēng)建筑，給出人員舒適溫度隨室外月平滑或周平滑溫度線性變化關(guān)系，但溫度變化范圍較窄(約10～30 ℃)。在該范圍內(nèi)，人員可以充分發(fā)揮適應(yīng)性調(diào)節(jié)來(lái)改善自身熱舒適。然而，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)典型夏熱、冬冷氣候特點(diǎn)，冬季和夏季環(huán)境下人員的適應(yīng)性調(diào)節(jié)能力有限，其舒適溫度是否仍隨室外溫度線性變化尚不明晰。因此，本文主要基于數(shù)據(jù)庫(kù)中全年室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)(室內(nèi)/室外空氣溫度)和人員熱感覺(jué)投票(ASHRAE 55[15]7級(jí)標(biāo)尺，-3～+3)，分析人員全年舒適溫度隨室內(nèi)外溫度變化特性，進(jìn)而給出該地區(qū)全年供暖空調(diào)動(dòng)態(tài)溫度設(shè)計(jì)。

1.2 人員全年舒適溫度動(dòng)態(tài)變化

考慮全年不同季節(jié)、不同時(shí)間人員適應(yīng)性的動(dòng)態(tài)變化，本文將調(diào)研數(shù)據(jù)根據(jù)月份分為12批次。人員舒適溫度根據(jù)Griffiths法[17]計(jì)算，見(jiàn)式(1)。Griffiths方法中G值實(shí)際上反映了在無(wú)熱適應(yīng)情況下，熱感覺(jué)投票隨室內(nèi)操作溫度變化的敏感程度。Nicol等[18]提出G取0.5較合理，表示室內(nèi)操作溫度變化2 ℃對(duì)應(yīng)平均熱感覺(jué)投票變化一個(gè)刻度，本文亦取G值為0.5。

C-0=G(Top-Tc)

(1)

式中：C為熱感覺(jué)投票值;G為Griffiths常數(shù)，℃-1；Top為操作溫度，℃，本文近似等于空氣溫度；Tc為舒適溫度，℃。

利用G值、熱感覺(jué)投票值C以及Top即可計(jì)算人員單個(gè)熱感覺(jué)投票對(duì)應(yīng)的舒適溫度Tc?？紤]人員舒適溫度受室外氣候變化顯著，這里進(jìn)一步采用溫頻法，取1 ℃溫度間隔，計(jì)算每月每個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的人員平均舒適溫度Tc，繪制如圖1所示。從圖1可以看出，室外溫度在10～15 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，人員的舒適溫度隨室外溫度的增加而升高，且呈顯著的線性關(guān)系。然而，圖1顯示當(dāng)室外溫度高于30 ℃，其人員舒適溫度逐漸降低，當(dāng)室外溫度低于10℃，人員舒適溫度逐漸升高，兩者的線性關(guān)系不再顯著。

圖1 人員舒適溫度隨室外溫度動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Variation of comfort temperatures with outdoor temperatures

采用多項(xiàng)式擬合得到人員舒適溫度Tc隨室外溫度Tout變化的回歸模型表示為

(2)

式中：Tc為舒適溫度，℃;Tout為室外空氣溫度，℃。

1.3 基于人員熱適應(yīng)的供暖、供冷調(diào)節(jié)策略

由圖1可以看出，重慶住宅中由于人員適應(yīng)性調(diào)節(jié)，其全年舒適溫度隨室外氣候動(dòng)態(tài)變化，這必然影響其供暖、供冷期間人員的真實(shí)熱舒適需求?？紤]到不同時(shí)期、不同年份室外溫度變化不同，在提出基于人員適應(yīng)性熱舒適的供暖、供冷溫度設(shè)計(jì)時(shí)，為使分析更具代表性，選擇典型氣象年室外溫度作為基準(zhǔn)參考，結(jié)合式(2)，可以計(jì)算得到人員全年舒適溫度變化，如圖2中藍(lán)色虛線所示。結(jié)合圖1，由于人員在冬季和夏季的舒適溫度并不隨室外溫度線性變化，因此圖2僅給出了過(guò)渡季節(jié)人員舒適溫度變化。同時(shí)，對(duì)于需要輔助供暖、供冷時(shí)期，結(jié)合圖1舒適溫度變化趨勢(shì)，確定住宅供暖、供冷起止時(shí)間及適宜設(shè)計(jì)溫度，如圖2所示。具體來(lái)講，圖2中供暖起始時(shí)間為室外日均溫度低于16 ℃，供暖結(jié)束時(shí)間為2月28日。此外，考慮人員適應(yīng)性引起的舒適溫度變化(圖1)，在供暖初期推薦設(shè)定溫度16 ℃。隨著供暖的深入，由于室外溫度降低，人員的適應(yīng)性無(wú)法滿足自身熱舒適，而圖1顯示溫度低于10 ℃時(shí)，人員的舒適溫度反而提高，因此此時(shí)推薦供暖溫度提高到18 ℃。同樣，對(duì)于夏季供冷，供冷初期由于人員的適應(yīng)性，其供冷起始時(shí)間為室外日均溫度高于 28 ℃，設(shè)計(jì)溫度為28 ℃。隨著供冷的深入，室外溫度逐漸升高，而人員的舒適溫度逐漸減低。因此，當(dāng)供冷中期室外日均溫度高于26 ℃時(shí)，此時(shí)推薦供冷設(shè)計(jì)溫度調(diào)整為26 ℃。供冷后期，由于人員夏季熱經(jīng)歷，當(dāng)室外日均溫度低于28 ℃時(shí)，停止供冷，基于人員的適應(yīng)性調(diào)節(jié)即可滿足人員舒適需求。此外，根據(jù)重慶市標(biāo)準(zhǔn)DBJ50-071-2016《居住建筑節(jié)能65%(綠色建筑)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[19]， 重慶地區(qū)的供冷計(jì)算期為6月1日～9月30日，供冷溫度26 ℃，供暖計(jì)算期為12月1日～2月28日，供暖溫度18 ℃。因此，圖2同時(shí)也給出了傳統(tǒng)供暖、供冷的設(shè)計(jì)溫度和起止時(shí)間。

圖2 住宅全年室內(nèi)供冷、供暖溫度設(shè)計(jì)Fig.2 Annual temperature design for heating and cooling in residences

綜上所述，結(jié)合人員動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和熱舒適需求的變化，提出重慶住宅供暖、供冷溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)策略如下：

1)夏季：6月15日～7月15日,室內(nèi)溫度高于28 ℃開(kāi)啟空調(diào)，空調(diào)設(shè)定溫度為28 ℃； 7月15日～8月31日,室內(nèi)溫度高于26 ℃開(kāi)啟空調(diào)，空調(diào)設(shè)定溫度為26 ℃；9月1日～9月15日,室內(nèi)溫度高于28 ℃開(kāi)啟空調(diào)，空調(diào)設(shè)定溫度為28 ℃。

2)冬季：11月15日～12月15日，室內(nèi)溫度低于16 ℃開(kāi)啟空調(diào)，空調(diào)設(shè)定溫度為16 ℃；12月15日～2月15日，室內(nèi)溫度低于18 ℃開(kāi)啟空調(diào)，空調(diào)設(shè)定溫度為18 ℃；2月15日～2月28日，室內(nèi)溫度低于16 ℃開(kāi)啟空調(diào)，空調(diào)設(shè)定溫度為16 ℃。

相比，傳統(tǒng)供暖、供冷設(shè)計(jì)以室內(nèi)溫度18～26 ℃作為供暖、供冷邊界條件，即在室內(nèi)溫度超過(guò)26 ℃時(shí)考慮供冷，低于18 ℃時(shí)考慮供暖。

2 住宅樣本建筑能耗模擬

2.1 住宅建筑樣本模型

為進(jìn)一步探討采用動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)下住宅全年供暖、供冷節(jié)能潛力，選擇重慶一戶住宅作為典型樣本建筑開(kāi)展模擬分析。根據(jù)2010年重慶市人口普查數(shù)據(jù)[20]，重慶地區(qū)上班族夫婦+一個(gè)小孩為主要家庭結(jié)構(gòu)之一，比例占26.26%。因此這里以該類家庭結(jié)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行樣本建筑建模。此外，結(jié)合重慶地區(qū)居住建筑典型戶型布局和人均居住面積統(tǒng)計(jì)(重慶城鎮(zhèn)人均居住建筑面積約為35 m2)，兩室一廳為該類家庭結(jié)構(gòu)常見(jiàn)戶型，因此選擇典型戶型為兩室一廳，總面積105 m2，具體平面布局如圖3所示，且各不同功能房間面積滿足GB 50096—2011《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]規(guī)定的最小面積要求。為簡(jiǎn)化相關(guān)因素的影響，使模擬的住宅樣本更具代表性，本研究選擇典型家庭戶位于建筑中間層，含有3面外墻和1面內(nèi)墻，入戶門位于內(nèi)墻。

圖3 住宅建筑樣本模型平面圖Fig.3 Layout of reference residence model

首先，根據(jù)JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[13]，確定模擬的建筑熱工參數(shù)輸入，見(jiàn)表1。此外，為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，建筑所有內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面(包括內(nèi)墻、樓板和天花板)均設(shè)置為絕熱表面。

表1 居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與熱工性能Tab.1 Thermal performance of building envelopes in residences

參考文獻(xiàn)[20]，建筑內(nèi)部得熱情況設(shè)置如下：居住建筑人工照明密度設(shè)置為6 W/m2，設(shè)備密度設(shè)置為4.3 W/m2，人員在室時(shí)間情況見(jiàn)表2，同時(shí)考慮人員典型的工作/上學(xué)時(shí)間段安排和睡眠習(xí)慣，當(dāng)室內(nèi)人員處于非睡眠狀態(tài)時(shí)，在17點(diǎn)后開(kāi)啟人工照明。

表2 不同房間類型的人員在室時(shí)間表Tab.2 Occupancy timetable for residents in different types of rooms

2.2 供暖、供冷設(shè)計(jì)及模擬輸出

傳統(tǒng)建筑熱環(huán)境營(yíng)造多以室內(nèi)溫度18～26 ℃作為供暖、供冷使用的判定依據(jù)，并未細(xì)化考慮不同舒適需求對(duì)住宅供暖、供冷的影響，因而并不能真實(shí)反映該地區(qū)居住建筑用能情況。結(jié)合上述分析得到的人員動(dòng)態(tài)舒適溫度變化(圖1)和溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)策略(圖2)，本文在模擬設(shè)置時(shí)進(jìn)一步細(xì)化供暖、供冷設(shè)定溫度，具體參數(shù)設(shè)置情況如下：

1)每日供暖、供冷時(shí)段設(shè)置:考慮人員在廚房、衛(wèi)生間等區(qū)域停留時(shí)間有限，且這些房間一般未安裝空調(diào)對(duì)其室溫進(jìn)行控制，所以這里僅針對(duì)兩個(gè)臥室和客廳的供暖、供冷使用情況開(kāi)展模擬計(jì)算，同時(shí)僅在有人使用時(shí)間段內(nèi)開(kāi)啟供暖、供冷設(shè)備。其不同類型房間供暖、供冷使用時(shí)段如下。

①工作日?？蛷d：周一至周五，中午12:30～14:00，晚上17:00～22:00；臥室：周一到周五，晚上22:00～8:00(次日)。

②周末。默認(rèn)在室率100%。

2)供暖、供冷起止時(shí)間及相應(yīng)溫度設(shè)定:根據(jù)基于人員熱適應(yīng)的供暖、供冷調(diào)節(jié)策略得到的供暖、供冷起止時(shí)間和各時(shí)間段推薦溫度進(jìn)行輸入設(shè)置。同時(shí)，選擇傳統(tǒng)供暖、供冷設(shè)計(jì)溫度18～26 ℃和推薦供暖、供冷時(shí)間分別進(jìn)行模擬。

本文采用EnergyPlus對(duì)住宅樣本的全年逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，選擇中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)集(CSWD)中的重慶沙坪壩氣象站數(shù)據(jù)作為模擬的典型氣象年數(shù)據(jù)。模擬設(shè)置3種情景：住宅樣本全年自然通風(fēng)和兩種供暖、供冷溫度設(shè)計(jì)模式(傳統(tǒng)/動(dòng)態(tài)溫度設(shè)置)，輸出住宅室內(nèi)各個(gè)功能房間溫濕度，以及供暖、供冷逐時(shí)負(fù)荷等數(shù)據(jù)(8 760 h)。為了進(jìn)一步分析住宅室內(nèi)不同時(shí)期、不同設(shè)定溫度對(duì)住宅全年供暖、供冷運(yùn)行能耗的影響，本文將模擬得到的供暖、供冷累計(jì)負(fù)荷數(shù)據(jù)換算為千瓦時(shí)，并折算為供暖空調(diào)耗電量進(jìn)行分析討論?？紤]到住宅中人員多采用分體式房間空調(diào)器作為供暖、供冷主要設(shè)備，根據(jù)JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》推薦[13]，采用動(dòng)態(tài)計(jì)算法計(jì)算空調(diào)年耗電量時(shí)，房間空調(diào)器制冷季節(jié)能源消耗效率(SEER)取2.3，制熱季節(jié)性能系數(shù)(HSPF)取1.9。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同運(yùn)行模式下住宅樣本室內(nèi)熱環(huán)境

3.1.1 自然環(huán)境下住宅室內(nèi)溫濕度分布

這里以模擬住宅典型主臥為例(圖3)，由于模擬輸出的是自然環(huán)境下全年8 760 h的房間溫濕度逐時(shí)數(shù)據(jù)，首先以d單位，計(jì)算其臥室全年365 d室內(nèi)平均空氣溫度和含濕量，并繪制在焓濕圖上，如圖4所示。此外，圖4中陰影區(qū)間為ASHRAE55—2017[15]標(biāo)準(zhǔn)推薦的供暖、供冷環(huán)境下人員熱舒適區(qū)間。從圖4可以看出，重慶地區(qū)室外溫度全年基本都在舒適區(qū)外，且全年含濕量較高(靠近100%相對(duì)濕度線)。相比，由于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，其室內(nèi)熱環(huán)境明顯改善。以傳統(tǒng)舒適區(qū)間18～26 ℃為例，統(tǒng)計(jì)得到全年室內(nèi)溫濕度散點(diǎn)位于區(qū)間內(nèi)的比例為32.2%，低于18 ℃和高于26 ℃的比例分別為33.0%和34.7%。這也反映了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的提高會(huì)顯著改善室內(nèi)熱環(huán)境，從根本上降低室內(nèi)供暖、供冷需求。

圖4 自然環(huán)境下建筑全年室內(nèi)外溫濕度分布及標(biāo)準(zhǔn)舒適區(qū)間Fig.4 Annual indoor and outdoor temperature and humidity of buildings in natural environment and comfort zone suggested in standards

3.1.2 兩種供暖、供冷模式下住宅室內(nèi)溫度分布

仍以住宅臥室為例，圖5進(jìn)一步分析了采用供暖、供冷模式下室內(nèi)外日均溫度在全年的分布?？梢钥闯觯晔彝馊站鶞囟仍?～32 ℃較大溫度范圍內(nèi)變化，與圖4溫濕度分布一致。相比，采用供暖、供冷后，其室內(nèi)日均溫度有較大改善，但是兩種溫度調(diào)節(jié)模式下室內(nèi)溫度有一定差異。以傳統(tǒng)舒適溫度區(qū)間18～26 ℃為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)可得全年位于該舒適范圍內(nèi)的溫度分布比例為62.87%，相比圖4自然環(huán)境下統(tǒng)計(jì)得到的位于舒適區(qū)間的比例增加了31.57%。而以溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的舒適區(qū)間16～28 ℃為基準(zhǔn)，則位于舒適區(qū)間的溫度分布比例為68.32%，相比采用傳統(tǒng)溫度設(shè)計(jì)，其舒適比例更增加了5.45%。

圖5 不同供暖、供冷模式下全年室內(nèi)、外日均溫度分布Fig.5 Daily mean temperature distribution under different heating and cooling modes

3.2 不同供暖、供冷模式下住宅全年能耗特性

3.2.1 兩種供暖、供冷設(shè)計(jì)下全年負(fù)荷分布

根據(jù)上述設(shè)置，模擬得到了滿足舒適要求的住宅全年供暖、供冷負(fù)荷，分別計(jì)算兩種供暖、供冷起止時(shí)間內(nèi)住宅樣本全年室內(nèi)負(fù)荷日分布情況，如圖6所示?？梢钥闯?，兩種模式下其住宅室內(nèi)的供冷和供暖負(fù)荷分布變化相似，都呈現(xiàn)出夏季冷負(fù)荷高、冬季熱負(fù)荷低的特點(diǎn)，表明該地區(qū)住宅室內(nèi)全年仍主要以供冷為主。進(jìn)一步對(duì)比，兩種模式也存在一定的差異，一是兩種模式的供暖、供冷起止時(shí)間不同，二是在供暖、供冷的初期和后期由于設(shè)置溫度差異，其負(fù)荷分布也呈現(xiàn)一定的差異：由于降低了冬季供暖溫度，提高了夏季供冷溫度設(shè)置，因而相對(duì)負(fù)荷需求降低。

圖6 不同模式下住宅全年供暖、供冷負(fù)荷分布Fig.6 Heating and cooling load distribution in residence under different modes

3.2.2 溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下供暖、供冷節(jié)能潛力

對(duì)于住宅建筑，人員對(duì)室內(nèi)環(huán)境具有較大的適應(yīng)性和較高的容忍度，其熱舒適需求也隨著室外氣候和自身熱調(diào)節(jié)而變化[5-9]。因此，采用傳統(tǒng)的恒定供暖、供冷設(shè)計(jì)參數(shù)，不僅無(wú)法滿足人員真實(shí)動(dòng)態(tài)熱舒適需求，還會(huì)引起不必要的能源浪費(fèi)。進(jìn)一步計(jì)算兩種模式下住宅建筑單位面積年均能耗(注：1)廚房、衛(wèi)生間未供暖、供冷；2)建筑面積105 m2；3)供暖HSPF 1.9，供冷SEER 2.3)，如圖7所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于傳統(tǒng)供暖、供冷設(shè)計(jì)，其模擬的夏季建筑年均單位面積能耗為17.18 kWh/m2，冬季為8.93 kWh/m2，全年累計(jì)單位面積能耗為26.12 kWh/m2。相比，采用溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)后，不僅在滿足全年人員舒適的比例增加.而且其全年供暖和供冷能耗有顯著降低，夏季供冷能耗降低到12.96 kWh/m2，冬季供暖能耗降低到7.78 kWh/m2，全年累計(jì)總能耗為20.74 kWh/m2。相比傳統(tǒng)溫度設(shè)計(jì)18～26 ℃，其節(jié)能潛力達(dá)20.6%，且供冷的節(jié)能潛力更大。這可能是由于重慶冬季室外溫度較低，因而室內(nèi)低于18 ℃的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因而采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)和采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)的供暖時(shí)長(zhǎng)相差不多，兩種情況下供暖單位面積能耗差別不大，節(jié)能潛力較小，這也側(cè)面反映了該地區(qū)現(xiàn)有住宅建筑冬季室內(nèi)環(huán)境較差，亟待改善。

圖7 不同供暖、供冷溫度設(shè)計(jì)下住宅全年總能耗Fig.7 Comparison of annual energy consumptions under different heating and cooling modes

4 討 論

2016年國(guó)家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“綠色建筑及建筑工業(yè)化”專項(xiàng)中專門立項(xiàng)“長(zhǎng)江流域建筑供暖空調(diào)解決方案和相應(yīng)系統(tǒng)”(項(xiàng)目編號(hào)：2016YFC0700300)”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，提出了“住宅全年供暖通風(fēng)空調(diào)能耗控制在20 kWh/ m2·年以內(nèi)”的定量目標(biāo)，明確了該地區(qū)住宅建筑供暖空調(diào)通風(fēng)的能耗強(qiáng)度限額[22]。本文通過(guò)考慮人員全年動(dòng)態(tài)適應(yīng)性變化，確定了人員全年舒適溫度(圖1)，同時(shí)基于人員適應(yīng)性提出了全年供暖、供冷起止時(shí)間和適宜溫度設(shè)置(圖2)，并通過(guò)住宅典型情景模擬分析了其節(jié)能潛力(圖7)。

可以看出，基于傳統(tǒng)的供暖、供冷設(shè)計(jì)參數(shù)，全年室內(nèi)舒適小時(shí)數(shù)比例由原來(lái)的32.2%增加到62.87%(圖5)，但其住宅單位面積能耗超過(guò)20 kWh/ m2·年的能耗限額要求。相比，圖7顯示在采用動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)策略下，在保證人員室內(nèi)全年舒適小時(shí)數(shù)比例相比傳統(tǒng)溫度設(shè)計(jì)增加5.45%的基礎(chǔ)上，其住宅全年供暖、供冷能耗卻有顯著降低，已經(jīng)接近住宅能耗限額標(biāo)準(zhǔn)。需要說(shuō)明的是，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)來(lái)講，其住宅室內(nèi)供暖、供冷多是間歇運(yùn)行模式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能是影響建筑能耗的一個(gè)關(guān)鍵因素。王者[23]采用熱電類比方法建立房間尺度動(dòng)態(tài)傳熱模型，分析了對(duì)流和輻射末端在間歇供暖下的動(dòng)態(tài)熱過(guò)程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)比和模型驗(yàn)證，指出間歇供暖下對(duì)流末端在舒適性和能耗方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)，但間歇供暖的啟動(dòng)負(fù)荷遠(yuǎn)大于穩(wěn)定負(fù)荷，甚至高于連續(xù)供暖的寒冷地區(qū)。因此，對(duì)于耦合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)傳熱特性和動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)對(duì)于住宅供暖、供冷運(yùn)行能耗影響，還需要進(jìn)一步的研究。此外，Yao等[24]以夏熱冬冷地區(qū)3個(gè)典型城市(重慶、長(zhǎng)沙、上海)為例，分析了采用不同被動(dòng)技術(shù)優(yōu)化方案下，住宅建筑全年供暖空調(diào)時(shí)間、延長(zhǎng)非供暖空調(diào)時(shí)長(zhǎng)，以及供暖空調(diào)能耗，評(píng)價(jià)了各種被動(dòng)策略在該地區(qū)實(shí)施的節(jié)能潛力。相比，本文得到的全年預(yù)測(cè)能耗主要基于執(zhí)行夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，限于研究目標(biāo)和文章篇幅，未綜合建筑被動(dòng)優(yōu)化技術(shù)的影響。再者，本文在進(jìn)行全年供暖和空調(diào)耗電量計(jì)算時(shí)以2010版本標(biāo)準(zhǔn)推薦的SEER(2.3)和HSPF(1.9)為基準(zhǔn)，得到的是在不考慮主動(dòng)技術(shù)優(yōu)化條件下的預(yù)測(cè)值。實(shí)際上，近年來(lái)隨著各種節(jié)能高效空調(diào)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品能效等級(jí)提高，房間空調(diào)器的制冷季節(jié)能源效率和制熱季節(jié)性能系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)都有顯著提升，這將進(jìn)一步提高住宅室內(nèi)實(shí)際供暖、供冷效率，降低全年運(yùn)行能耗。因此，未來(lái)綜合被動(dòng)技術(shù)優(yōu)化、主動(dòng)設(shè)備性能提升，以及人員動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和熱舒適需求，其可以預(yù)測(cè)住宅全年供暖空調(diào)能耗將會(huì)進(jìn)一步降低，在保障人員全年熱舒適的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)住宅建筑供暖空調(diào)通風(fēng)能耗限額目標(biāo)。

此外，由于該地區(qū)人員使用空調(diào)具有部分時(shí)間、部分空間的特點(diǎn)[25]，且使用空調(diào)的行為靈活多樣，其使用起止時(shí)間、設(shè)定溫度、使用時(shí)長(zhǎng)等，理論上與模擬都會(huì)有一定差異。陳金華等[26]通過(guò)對(duì)重慶地區(qū)住宅冬季供暖現(xiàn)狀調(diào)研，結(jié)果顯示居民冬季采用空調(diào)供暖的比例僅占6.8%，平均每天使用時(shí)長(zhǎng)約為2～4 h。相比，本文根據(jù)人員舒適溫度的變化，模擬了供暖、供冷前期、中期、后期不同溫度設(shè)定下的全年供暖、供冷能耗，假定的是滿足人員在室情況下，當(dāng)室內(nèi)熱環(huán)境不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)設(shè)備并根據(jù)時(shí)間確定供暖、供冷溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到的是理想工況下結(jié)果。而實(shí)際上，對(duì)于住宅建筑，不同于辦公建筑有一致的使用時(shí)間和使用模式，即使室內(nèi)熱環(huán)境不在舒適區(qū)間內(nèi)，居民也可能不使用供暖、供冷設(shè)備，而采用其他方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，Cui等[27]調(diào)研發(fā)現(xiàn)，39%的居民只有在感到冷的時(shí)候才會(huì)開(kāi)啟空調(diào)供暖。此外，家庭結(jié)構(gòu)是影響人員在室率和住宅用能的一個(gè)重要因素[25]。例如，家中有老人的家庭結(jié)構(gòu)其人員在室率顯著高于父母+孩子的核心家庭[28]，且老人對(duì)供暖、供冷喜好溫度與年輕人相比也有較大差異[29-31]，這些都會(huì)引起本研究模擬得到的建筑能耗與實(shí)際住宅用能之間存在差異。杜晨秋等[32]通過(guò)對(duì)重慶地區(qū)典型住戶全年空調(diào)能耗的連續(xù)監(jiān)測(cè)，指出該地區(qū)居民使用空調(diào)主要發(fā)生在夏季供冷，且耗電量遠(yuǎn)大于供暖，其全年累計(jì)總耗電量約為448 kWh，其結(jié)果與趙秉文等[33]對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)杭州住宅的全年空調(diào)能耗監(jiān)測(cè)結(jié)果近似，但都低于本研究模擬得到的結(jié)果。因此，未來(lái)模擬可以進(jìn)一步考慮住宅家庭結(jié)構(gòu)、人員在室、經(jīng)濟(jì)文化背景等因素，完善模擬設(shè)置，量化評(píng)價(jià)不同因素對(duì)住宅建筑用能的影響。此外，隨著各種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)和云數(shù)據(jù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，通過(guò)空調(diào)內(nèi)置傳感器監(jiān)測(cè)用戶空調(diào)使用行為[34-35]、通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)等建立用戶空調(diào)使用概率模型[32,36-37]等逐漸成為研究熱點(diǎn)，有助于研究學(xué)者進(jìn)一步明晰并量化用戶的空調(diào)用能行為，為建筑能耗模擬提供更精確、真實(shí)的模擬設(shè)置，使模擬建筑能耗盡可能逼近真實(shí)住宅用能成為可能。

綜上所述，本文通過(guò)理論分析，將人員適應(yīng)性行為調(diào)節(jié)量化反映到全年人員動(dòng)態(tài)熱舒適需求變化，并將人員這種對(duì)環(huán)境的熱適應(yīng)性通過(guò)動(dòng)態(tài)溫度設(shè)計(jì)和供暖、供冷能耗加以量化和評(píng)價(jià)，可為該地區(qū)建筑充分發(fā)揮人員適應(yīng)性、更加精細(xì)化供暖空調(diào)運(yùn)行調(diào)節(jié)提供一定的理論參考。未來(lái)該地區(qū)可以通過(guò)制定政策、標(biāo)準(zhǔn)、宣傳等，引導(dǎo)居民合理用能，優(yōu)化提高室內(nèi)供暖、供冷運(yùn)行效率，減少不必要的能源消耗，這將對(duì)滿足該地區(qū)住宅室內(nèi)熱環(huán)境改善的民生需求和實(shí)現(xiàn)建筑能源消費(fèi)總量控制和節(jié)能減排都具有重要意義。

5 結(jié) 論

1)基于重慶住宅建筑全年熱環(huán)境調(diào)研數(shù)據(jù)庫(kù)(樣本量2 151)分析，住宅人員全年舒適溫度在10～30 ℃內(nèi)隨室外溫度線性增加，而低于10 ℃人員舒適溫度提高，高于30 ℃人員舒適溫度降低，進(jìn)而得到了基于人員適應(yīng)性和舒適溫度動(dòng)態(tài)變化的全年供暖、供冷起止時(shí)間和設(shè)定溫度。

2)結(jié)合EnergyPlus建立住宅典型樣本建筑物理模型(三人戶，兩室一廳，105 m2)，模擬得到住宅自然環(huán)境下全年室內(nèi)溫度在18～26 ℃內(nèi)的比例約為32.2%；采用傳統(tǒng)設(shè)定溫度(供暖18 ℃，供冷26 ℃)使得全年室內(nèi)舒適小時(shí)數(shù)比例增加到62.87%，而采用溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)后全年舒適小時(shí)數(shù)比例進(jìn)一步增加了5.45%。

3)模擬得到重慶地區(qū)住宅夏季供冷負(fù)荷強(qiáng)度要顯著高于冬季供暖負(fù)荷強(qiáng)度；基于傳統(tǒng)溫度設(shè)計(jì)(18～26 ℃)的住宅全年供暖和供冷單位面積能耗分別為8.93、17.18 kWh/m2；基于人員適應(yīng)性和溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下全年單位面積供暖、供冷能耗顯著降低，分別為7.78、12.96 kWh/m2，節(jié)能量達(dá)20.6%，且供冷節(jié)能潛力更大。