基于人體舒適度的建筑能耗研究

楊 智(云南省氣象局，昆明 650034)

基于人體舒適度的建筑能耗研究

楊 智
(云南省氣象局，昆明 650034)

目前建筑能耗模擬的計算方法需要的參數過多，且使用的是典型年氣象數據，數據的代表性較差．從氣象角度出發，選取北京、上海、廣州、哈爾濱及昆明作為我國5大氣候區的典型城市，利用溫度、濕度、日照時數、風速等氣象數據，構建了室內人體舒適度的計算方程．結果表明：室內人體舒適度與建筑能耗呈顯著線性相關關系．可基于氣象因素，采用人體舒適度指數估測建筑物的空調采暖能耗，為建筑能耗估測提供了新途徑，為建筑物的優化設計、自然節能和改造等工作提供參考．

人體舒適度；建筑；節能；氣象

建筑物為了保障人類有舒適的室內小氣候(光照、溫度、風速，等)，因此在設計、結構、施工中都要充分考慮當地的氣象條件和人的生理衛生對環境的要求[1]．建筑物的能耗，以供暖空調等設備消耗的能量來衡量，主要由建筑單體本身的屬性，包括建筑外形，建筑朝向，建筑窗墻比，建筑圍護結構設置等因素所決定．我國的建筑能耗總量逐年上升，在能源總消費量中所占比例已從20世紀70年代末的10%，上升到近年的27.45%．建筑能耗的動態變化是氣象、地域、經濟等多種因素共同作用的結果，而氣象條件又是影響建筑物能耗的最主要因素[2]．在工業和民用建筑設計中，為了滿足生產和人民生活的需要，設置必要的采暖、通風和空氣調節設備，使室內在不同的季節均能保持一定氣溫、相對濕度、空氣流速和清潔度．采暖、通風和空調系統均需消耗能源，研究發現，在建筑規劃設計中，合理地利用當地的氣候條件，從建設地址、建筑密度、建筑方位朝向、太陽輻射、氣溫、濕度、風向風速、日照時數等方面優化設計，可達到自然節能的效果，從而提高投資回報率、降低建筑運行費用、降低對地區和區域環境的影響、減輕城市、國家能源的供應壓力．

現行的計算建筑能耗的方法很多，例如反應系數法、有限差分法、諧波反應法、傳遞函數法、熱平衡法，還有以上述計算方法為核心開發的計算軟件，如 DOE、BLAST、EnergyPlus、ESP、DeST等[2-3]．這些方法和軟件計算過程相對繁瑣，需要的參數過多，且這些方法和軟件是在缺乏足夠的氣象數據的情況下，采用隨機過程模擬法來模擬氣象參數的概率分布和其他一些統計特征，利用的氣象數據一般也只局限于中國典型氣象年(CNTMY)和中國標準年(CSWD)提供的全國 194個氣象臺站的數據資料．有的計算方法和軟件在進行模擬時，必須合理地給定邊界條件(即推算墻壁表面溫度)，使得建筑節能設計方法復雜，一定程度上增加了設計成本．

在同比條件下，建筑能耗的變化主要表現在冬季采暖負荷和夏季制冷負荷的變化上．人體舒適度指數是人體對溫度、濕度、風速、日照等氣象因子的綜合反映，在夏季高溫季節、冬季寒冷季節，人體舒適度的不同將直接影響空調、暖氣等降溫、取暖設備的使用，因此，分析研究室內氣溫、濕度、風速、日照等氣象因素與建筑設計間的關系，建立起室內人體舒適度綜合評價指標可反映出建筑物的能耗情況，為利用自然條件達到節能的目的提供參考．自2015年起，中國氣象局通過中國氣象數據網免費向社會公布了全國所有氣象臺站的氣候整編資料和實時逐小時觀測資料，使利用完整氣象資料(無需僅使用典型年典型月氣象資料)進行建筑節能設計成為了可能．

本文綜合考慮氣溫、濕度、風速、日照等氣象要素對人體的影響，分析室內人體舒適度與實際能耗間的關系，總結出利用自然氣象條件達到節能效果的建筑設計方法，以期減少建筑設計成本，達到優化建筑設計，節約能源的目的．

1 氣象參數與建筑能耗的關系

我國幅員遼闊，各地區地域氣候類型差異較大．我國民用建筑熱工設計規范從建筑熱工設計的角度，把我國各地氣候區域劃分為5大氣候區，分別是寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區、嚴寒地區和溫和地區[3]．本文從該規范中選取北京、上海、廣州、哈爾濱、昆明5個城市分別代表上述5個地區，進行氣象數據分析．

從圖1 可以看出，空調、采暖能耗與各地的氣候條件關系密切．廣州、上海由于夏季炎熱，空調能耗較大，其次是北京、哈爾濱，昆明空調能耗最小．哈爾濱、北京由于冬季寒冷，采暖能耗最大；其次是上海、昆明；廣州采暖能耗最小．因此，逐一計算分析室內氣溫、濕度、風、日照等氣象因素與建筑設計間的關系，構建室內人體舒適度指數方程，可得出室內人體舒適度與能耗間的關系，從而達到建筑節能的效果．

圖1 代表城市歷年平均空調采暖能耗

1.1 室內溫濕度的求解方法

要計算室內人體舒適度，首先必須求解室內溫濕度．對于圍合式建筑室內外熱環境與熱舒適度的已有研究[4-5]，主要方法是對比觀測、CFD模擬、數學建模和利用相關計算軟件等，考慮的因素主要是室外氣溫、建筑朝向、建筑物間距、風向風速、日照時數等．本文擬將上述各種影響因素分開討論研究，本章節僅討論在圍護結構單一因素影響下的室內溫濕度求解方法．太陽輻射和室外空氣溫度作為室內擾量，它們通過圍護結構影響室內熱量的變化．兩者雖各自獨立，但卻共同起作用，章澄昌[6]提出了合并這2種擾量，將太陽輻射的熱效應視作溫度當量，疊加到氣溫之上，變成太陽-空氣綜合溫度Tz，定義成

其中，Ts為室外氣溫，as表示圍護結構表面對太陽輻射的吸收系數．美國生物氣象學家Steadman[7]提出的感熱溫度理論曾在生物氣象界引起巨大反響，并在全世界的學術界得到普遍公認，其將室內溫度的求解方程歸納為氣溫與水汽壓的函數，本文根據Steadman提出的方法，利用昆明氣象站2014年全年逐日氣溫、相對濕度與逐日不同朝向的室內氣溫的實測值，得出室內氣溫求解方程為

其中，Tape為室內溫度，Ta為氣溫，RH為相對濕度，α為房間采光窗法線方向對應的方位角(即：正北向房間α=0 °，正東向房間α=90 °，正南向房間α=180 °，依此類推)．由于此方法同時考慮了溫度和濕度的影響，故在構建室內人體舒適度指數計算方程時，可采用此方法計算室內溫度，對于室內濕度，多數研究[8-9]認為自然條件下室內室外相差不大，故可以直接采用氣象臺站的濕度數據代替．

1.2 室內日照時數的求解方法

為了簡化建筑日照設計，目前計算室內日照時數通常都采用日照圖表進行圖解設計，常用的日照圖有棒影日照圖[1]，正投影日照圖和平射影日照圖3種[6]．這3種方法在計算日照時數時，都是以當地的太陽高度角、方位角和日出、日落時間為基礎，計算出理論日照時數．然而實際日照時數受天氣、云量、地形(高山阻擋、地勢起伏等)、空氣污染等諸多因素的影響，與理論日照時數相差較大．本文采用中國氣象數據網免費向社會公布的氣候整編資料中的累年實測日照時數平均值來繪制日照圖表，使室內日照時數的計算更為精確．以北半球為例，在無遮攔情況下，室內日照時數主要取決于建筑物的朝向，坐北朝南的房間室內日照時數最長，坐南朝北的房間室內日照時數最短．因此，北半球無遮攔情況下的室內日照時數可歸納為

其中，S為室內日照時數，h為累年實測日照時數，α為房間采光窗法線方向對應的方位角(即：正北向房間α=0 °，正東向房間α=90 °，正南向房間α=180 °，以此類推)．北半球有遮攔情況下室內日照時數可用公式表示為

其中，S為室內日照時數，h為累年實測日照時數，h1為遮攔情況下的理論室內日照時數，hth為無遮攔情況下的室內理論日照時數．h1和hth可用正投影日照圖求解．具體示例見圖2，以昆明(φ= 25.05 °N，L=102.7 °E)為例，由于春秋分日晝夜平分，可選春秋分日作為代表日分析全年日照時數．從正午12時(真太陽時)起，將上午(或下午)逐小時按方位角和高度角點出各時太陽在地平面上的投影點，再將投影點連成光滑曲線，即春秋分日全天的太陽軌跡．設東南向一建筑物，其正前方有另一建筑物將其遮攔，可以任意比例在正投影日照圖上作2棟建筑物平面位置圖，使平面圖符合建筑朝向(東南向)，若 2棟建筑物間距L=20.0 m，前棟建筑物高H=10.0 m，如圖3所示，則遮攔角β=30°，將遮攔角β按其所在方向，依次標記在日照圖高度圈處，如圖中小黑點所示．用平滑曲線連接各黑點，便得出陰影區，從水平采光角兩道邊線所夾的太陽軌跡線段中減去被遮擋的太陽軌跡線段，所余線段上的時間即為室內全天的有遮攔理論日照時間h1=6 h．

圖2 有遮擋時求室內日照時間

圖3 建筑物遮擋示意圖

1.3 建筑物風荷載的求解方法

要計算室內人體舒適度，需要考慮風向風速的影響．由于室內風速可由開關門窗進行調節，因此風向風速對室內人體舒適度的影響主要是風壓和風振帶來的風荷載的影響．在標準狀況下，干潔大氣中，風壓可視為遵從伯努力方程，可得

其中，P為風壓，v為10 m高度的風速[1,6]．不同高度的建筑物風速換算可由普朗特湍流半經驗理論計算，在中性層結的近地面層中，風速儀高度的換算公式為

其中，α為地面粗糙度．不同高度的風速可按不同下墊面的風廓線圖處理(見圖4)．建筑工程規范中按地面粗糙度類別考慮[1](見表1)．表中A,B,C表示地面粗糙度類別，A為近海海面、海島、海岸及沙漠地區；B為田野、鄉村、叢林、丘陵及房屋比較稀疏的中、小城鎮和大城市市郊；C為密集建筑群的大城市市區．

圖4 不同粗糙度下墊面的風廓線

表1 風壓高度變化系數

1.4 室內人體舒適度的計算方法

人體舒適度指數是為了從氣象角度來評價在不同氣候條件下的人的舒適感，根據人類機體與大氣環境之間的熱交換而制定的生物氣象指標．根據上述室內溫濕度、日照時數和建筑物風壓的求解方法，便可根據人體舒適度指數的計算公式，求出室內人體舒適度指數．室內人體舒適度指數公式可參考國內外人體舒適度模式[7,10-11]構建如公式(8)和表2所示．

其中Tape為室內溫度(℃)，f為相對濕度(%)，P為風壓(Pa)，S為室內實際日照時數(h)．此4項的求解方法已由上述研究給出，則任意地點，不同朝向，任意樓層高度的室內人體舒適度都可由公式(8)計算得出．利用北京、上海、廣州、哈爾濱、昆明5個城市1981-2010年的氣候整編資料中的月值數據計算得出的逐月舒適度指數(東南向建筑物，目標樓層高度5 m，無遮擋)與1981-2010 年 5個城市的逐月建筑能耗進行回歸分析(樣本數N=150)可以看出(見表3)，綜合相關系數R均大于0.9，且P值均為0，線性相關關系達到極顯著水平，由此可知，公式(8)通過了顯著檢驗，正確有效，可用于估算建筑能耗．

以昆明為例，設一東南向建筑物，目標樓層高度5 m，前方20 m處有1棟10 m高的建筑物遮擋．根據昆明站歷年氣溫、相對濕度和日照時數，可計算出該建筑物室內逐月舒適度(見表4)．

由表4可知，昆明地區[12]該目標建筑物室內人體舒適度多數月份(4-10月)都為0級(最舒適)，僅冬半年部分時候(11-3月)為-1級(偏涼，較為舒適)和-2級(較冷清涼，不舒適)，由此可知該建筑物常年基本無需使用空調制冷，冬季偶爾需要采暖即可，因此可得出昆明地區該目標建筑物空調能耗和采暖能耗都較低[13-14]．

2 結論與討論

我國近年來經濟持續增長，能源需求旺盛，與溫度等氣象因子有關的空調采暖負荷所占比例逐年增大，然而，建筑設計不合理，未利用氣象條件達到自然節能的問題仍然存在[15]．我國新建建筑以及原有400億m2存量建筑是否節能，不僅關系到能否緩解我國能源緊張的問題，而且還關系到氣候變化與可持續發展．因此有必要以一定的措施，利用氣象條件[16]，優化建筑設計達到節能的目的[17]．本文綜合考慮了室內溫度、濕度、風速、日照時間，推導出了室內人體舒適度指數方程，并根據人體舒適度與能耗的顯著線性相關關系，得出建筑物的能耗[18]．結果表明，采用基于氣象人體舒適度的建筑能耗計算方法[19]，其結果較為可靠，且計算簡便，這為建筑節能設計提供了一種更為實用的分析思路．

在建筑設計中，根據計算室內人體舒適度可做出調整建筑物朝向、間距、窗墻比；或是進行遮陽處理、窗口位置調整；或是修改圍護結構、調整體型系數、增加綠化和水體面積等[20]措施來提高人體舒適度[21]，進而達到自然節能的效果．另外，本文的典型城市[13-14]只選擇了北京、上海、廣州、哈爾濱和昆明，對于其他城市沒有做分析，今后需進一步分析研究以提高置信水平．

表2 室內人體舒適度分級與空調采暖能耗

表3 逐月人體舒適度與建筑能耗的相關性

表4 目標建筑物逐月室內舒適度

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(責任編校：陳健瓊)

Research of Building Energy Consumption Based on Comfort Index of Human Body

YANG Zhi
(Yunnan Provincial Meteorological Bureau, Kunming, Yunnan 650034, China)

This article was based on meteorological method, Beijing, Shanghai, Guangzhou, Harbin and Kunming were were chosen as typical cities on behalf of five climate zones. Temperature, humidity, sunshine duration, wind speed were using for constructing calculation equation of human body comfort index. The results showed that the comfort index and energy consumption followed significant linear correlation，so the estimate method of building energy consumption based on meteorology was summed up. As a result, this method could be considered as a new strategy to estimate building energy consumption, and provides a reference for the optimization design of buildings, energy conservation and transformation.

comfort index of human body; architecture; energy consumption; meteorological

TU14

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.01.05

1672–7304(2017)01–0019–06

2016-10-21

楊智(1983-)，男，白族，云南大理人，工程師，主要從事應用氣象研究．Email: yeyuanyangzhi@163.com