住宅空調能耗的運行度時數(shù)評估方法

白雪蓮 張 新 金超強 梁若非

(1 重慶大學土木學院 重慶 400045；2 中國聯(lián)合工程有限公司 杭州 310052；3 重慶錦騰房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 重慶 400000)

我國正處于快速城市化的過程中，住宅建筑能耗急劇增加。2001年至2015年，城鎮(zhèn)住宅的能耗總量從0.72億噸標準煤增至1.99億噸標準煤[1]。因此大力推進我國住宅建筑節(jié)能工作尤為重要。建筑作為消費領域之一，不僅要應用各種先進的節(jié)能方法和技術，還應合理引導人們用能需求，實現(xiàn)建筑運行能耗的總量控制目標。

隨著建筑節(jié)能工作的開展，越來越多的學者關注建筑運行后的能耗水平。而住宅建筑實際的能耗水平及節(jié)能效果很大程度上取決于居民的用能行為[2-3]。此外，建筑使用階段的能耗評價通常是將建筑實測能耗與設計值、規(guī)范下的基準值等進行對比或同類建筑不同項目的實測能耗直接進行對比[4-6]。可以發(fā)現(xiàn)，由于實際的空調運行方式遠不同于設計假定，導致運行階段的實測能耗與設計階段的預測能耗差異很大。而運行階段的實測能耗結果，一般由于住戶之間空調用能行為的差異[7]，難以對建筑本體實際節(jié)能水平做出準確判斷。因此，面對住宅建筑中多樣化的用能行為，如何將其與能耗評價相結合，統(tǒng)一衡量標準，進而實現(xiàn)不同住宅實測能耗的可比性，是本文需要研究解決的問題。

1 空調運行度時數(shù)指標

對于住宅建筑，空調能耗主要取決于室外氣象條件、建筑圍護結構、人員用能行為以及空調能效[8]。就使用階段的具體建筑而言，所在地的室外氣候條件、建筑圍護結構的熱工性能、空調設備均已確定，因此空調使用模式是引起能耗變化的主導因素。居民的空調使用行為雖然因社會地位、經(jīng)濟水平、風俗習慣、家庭結構(性別、年齡、職業(yè)等)等多種因素的影響而具有復雜性、多樣性和隨機性等特點，但最終均反映在空調開啟時間的長短和溫度的設定上。

1.1 定義

空調/采暖度日數(shù)[9]通常是用于建筑節(jié)能設計階段的指標，綜合考慮了室內(nèi)環(huán)境的冷熱程度和持續(xù)時間。本研究借鑒該指標含義，提出用于運行階段的空調運行供冷度時數(shù)(operational cooling degree hours，OCDH)和空調運行供熱度時數(shù)(operational heating degree hours，OHDH)，其定義為供冷季/供熱季空調運行中，當空調設定溫度高于/低于基準溫度時，將高于/低于基準溫度的度數(shù)乘以1 h，再將該乘積累加。計算式分別如式(1)和式(2)所示。該指標以戶為單位，將室外逐時氣溫與居民實際的空調使用情況相結合，更好地反映了人們實際的冷/熱消耗量。其中，日運行小時數(shù)為整個住宅空調房間日運行時間之和。由于臥室之間在室時間重合率較高，而臥室與客廳的在室時間重合率較低，因此將所有的戶型等效為一室一廳。此外，運行度時數(shù)中的基準溫度可表示為臨界溫度值，即當室溫大于供冷/小于供熱基準溫度時，居民開始使用供冷/供熱設備。基準溫度也可理解為容忍溫度。相關研究表明，夏季人們可接受的室溫范圍是28～30 ℃[10]，夏熱冬冷地區(qū)供暖基準溫度波動范圍為14.6～16.4 ℃[11]，故供冷和供熱的基準溫度分別取29 ℃和15 ℃。

OCDH29=dh(29-t)

(1)

OHDH15=dh(t-15)

(2)

式中：d為空調開啟天數(shù)，d；h為空調日運行小時數(shù)，h/d；t為空調設定溫度，℃。

1.2 確定方法

1.2.1 空調設定溫度

為了掌握長江流域地區(qū)住宅建筑居民的實際用能規(guī)律，“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“長江流域建筑供暖空調解決方案和相應系統(tǒng)”對重慶、成都、上海、杭州和長沙5個典型城市的住宅進行了大量問卷調研，夏季和冬季分別獲得有效問卷8 906份和8 433份。圖1所示為夏季和冬季空調設定溫度的問卷統(tǒng)計結果。由圖1(a)可知，夏季客廳和臥室的設定溫度均集中在21～28 ℃，且設定溫度在25～26 ℃之間所占比例最大，均超過30%。調研住戶很少將溫度設定在28 ℃以上和21 ℃以下，其所占比例均低于5%。由圖1(b)可知，冬季客廳、臥室的空調設定溫度分布規(guī)律較為相似，調研住戶通常將空調溫度設定在20～29 ℃。溫度設定范圍較夏季寬。其中，空調溫度設定在25～26 ℃的住戶比例超過40%，只有不到10%的住戶冬季空調設定溫度低于20 ℃，絕大部分居民的設定溫度高于規(guī)范要求的冬季室內(nèi)設計溫度18 ℃[12]。該設定溫度的調研結果與其他文獻的結論相似[13-14]，因此本文供冷季、供熱季空調設定溫度范圍分別取21～28 ℃、20～29 ℃。

圖1 空調設定溫度Fig.1 Setting temperature of air conditioner

1.2.2 空調日運行小時數(shù)

筆者對問卷中夏季空調使用小時數(shù)進行了統(tǒng)計，如圖2所示。由圖2可知，空調日運行小時數(shù)為4～8 h的調研住戶最多，占比為41.6%；空調日運行小時數(shù)為18～24 h的調研住戶最少，占比為1.2%[12]。由于住戶用能習慣及舒適性要求不同，一天中空調的使用時間在0～24 h均有可能。因此確定日運行小時數(shù)水平范圍為0～24 h。

圖2 調研樣本供冷季空調使用小時數(shù)Fig.2 Operation hours of air conditioner in cooling season

1.2.3 空調運行天數(shù)

文獻[13]對長江流域地區(qū)住宅空調運行時的室外溫度進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)夏季空調運行時室外溫度分布區(qū)間為20～50 ℃，主要集中在25～37 ℃。且夏季室溫超過31 ℃時人們通常無法忍受。冬季空調運行時室外溫度分布區(qū)間為-9～25 ℃，主要集中在0～7 ℃。因此，根據(jù)空調用典型年氣象數(shù)據(jù)，確定室外日平均溫度超過25～31 ℃的天數(shù)為供冷季的空調運行天數(shù)范圍，室外日平均溫度低于0～7 ℃的天數(shù)為供熱季的空調運行天數(shù)范圍。

基于上述三個空調行為水平的選取依據(jù)，夏熱冬冷地區(qū)幾個典型城市的三個空調行為水平取值如表1和表2所示。

表1 夏熱冬冷地區(qū)供冷季、供熱季空調設定溫度及日運行小時數(shù)水平Tab.1 The temperature settings and daily operation hours of the air conditioning in hot summer and cold winter areas

表2 夏熱冬冷地區(qū)典型城市供冷季、供熱季空調運行天數(shù)Tab.2 The operation days of the air conditioning of typical cities in hot summer and cold winter areas

2 基于空調運行度時數(shù)的能耗評價法

2.1 空調使用模式分類

將空調設定溫度、日運行小時數(shù)和運行天數(shù)的水平值分別帶入式(1)和式(2)進行計算，可得到不同城市不同工況下的空調運行供冷/供熱度時數(shù)。空調運行度時數(shù)越大，冷/熱消耗越高。為從運行度時數(shù)中挖掘典型的空調使用模式，本文采用K-means聚類方法[15]基于“相似度量”準則對數(shù)據(jù)進行處理分析，并將類別個數(shù)設定為3，自然形成經(jīng)濟型、舒適型和高耗型空調行為模式，從而獲得三類模式的區(qū)間。其中，臨界值由經(jīng)濟型(舒適型)最大值與舒適型(高耗型)最小值的平均值而定。結合三個空調行為因素的水平取值，計算得到夏熱冬冷地區(qū)幾個典型城市的空調運行供冷、供熱度時數(shù)，如圖3所示。各城市對應的三類行為臨界值如表3所示。可知由于氣象條件不同，不同城市空調運行度時數(shù)曲線有所差異。其中，武漢供冷季比其他城市炎熱，運行供冷度時數(shù)最大；合肥供熱季比其他城市寒冷，運行供熱度時數(shù)最大。總結適用于夏熱冬冷地區(qū)三種用能模式下的參數(shù)典型數(shù)值范圍以及對應模式的具體特征，分別如表4和表5所示。可知，經(jīng)濟型的舒適性要求最低，通常僅有一個空調行為因素用能較大，能耗較低，且因素水平取值范圍較大；其次是舒適型；高耗型舒適性要求最高，通常空調運行天數(shù)多，日運行小時數(shù)大，設定溫度低，能耗最高，且因素水平取值范圍較小。空調設定溫度、日運行小時數(shù)和運行天數(shù)三個行為因素的綜合作用，決定了3種行為模式下的空調能耗依次升高。

表3 夏熱冬冷地區(qū)典型城市經(jīng)濟型、舒適型和高耗型空調使用模式臨界值Tab.3 Critical value of economic,comfortable and high consumption of air conditioning modes in typical cities in hot summer and cold winter areas

表4 聚類結果特點Tab.4 Characteristics of clustering results

表5 空調設定溫度和日運行小時數(shù)的典型數(shù)值范圍Tab.5 Typical value range of set temperature and daily operating hours of the air conditioning

雖然經(jīng)濟的發(fā)展使得人們對室內(nèi)舒適性要求越來越高，但受能源消費強度和總量 “雙控制”的約束，可以預見舒適型空調行為模式將成為未來居民用能行為的發(fā)展趨勢，而且該類型也應作為建筑節(jié)能模擬計算的基本參數(shù)，從而更加準確地預測建筑能耗。因此，對于住宅空調能耗實測結果，若實測時的空調使用模式為舒適型，則直接以實測能耗進行分析；若實際使用模式為經(jīng)濟型或高耗型，則需要按照舒適型的行為參數(shù)作為設定取值進行模擬計算，得到非實際使用模式但達到舒適要求的能耗結果，從而掌握舒適型用能模式下的建筑能耗水平。其中，經(jīng)濟型、高耗型轉換為舒適型的方法為舒適型用能模式下運行度時數(shù)最大值與最小值之差乘以實際運行度時數(shù)在其所屬用能模式內(nèi)所占的比例。此外，利用空調運行度時數(shù)曲線可對空調行為進行換算，統(tǒng)一衡量能耗的標準，從而為不同住宅能耗的可比奠定基礎支撐。

注：圖(a)中虛線與各曲線相交，從上至下依次為武漢、長沙、重慶、杭州、合肥、上海。圖(b)中虛線與各曲線相交，從上至下依次為合肥、武漢、杭州、上海、長沙。圖3 夏熱冬冷地區(qū)典型城市空調運行供冷、供熱度時數(shù)Fig.3 OCDH29 and OHDH15 of typical cities in heating season of hot summer and cold winter areas

2.2 相對能耗水平指標

根據(jù)測評住宅所在地區(qū)的氣候條件及長江流域地區(qū)空調行為相關研究，確定所在地區(qū)的空調運行度時數(shù)曲線及其三類用能模式區(qū)間。在此基礎上，提出相對能耗水平指標η，其計算式如式(3)所示。以測評住宅的空調運行度時數(shù)與其所在用能模式下的運行度時數(shù)臨界值的接近程度，量化對比空調能耗水平。值越大，說明測評住宅的空調運行度時數(shù)更接近其所在類別的運行度時數(shù)的最大值，即在同一空調行為模式下，該測評住宅空調能耗越高。

η=0.5(ηC+ηH)×100%

(3)

(4)

式中：η、ηC、ηH分別為測評住宅相對能耗水平、供冷相對能耗水平、供熱相對能耗水平；ODH為測評住宅實際的空調運行供冷/供熱度時數(shù)，℃·h；ODH1、ODH2分別為當?shù)販y評住宅空調行為所屬類別中的空調運行供冷/供熱度時數(shù)最小值和最大值，℃·h。

3 案例應用

3.1 建筑基本情況

本文測評的兩個住宅建筑均來自于國家“十三五”重點研發(fā)計劃的示范工程，分別位于蕪湖市和武漢市。建筑基本信息及圍護結構熱工參數(shù)如表6和表7所示。從兩工程中各選取一戶住宅，分別對兩住宅客廳和臥室的溫濕度及空調能耗進行長期監(jiān)測。住宅1和住宅2的平面圖如圖4所示，空調面積分別為37.83、30.56 m2，并以斜線形式在圖中標出。利用Energyplus模擬軟件分別對兩住宅進行建模。其中，氣象參數(shù)的設定采用當?shù)氐湫湍隁庀髷?shù)據(jù)。室內(nèi)熱源設定[16]：人員數(shù)量為3人，人體顯熱量為60 W；客廳、臥室照明燈具功率均為65 W；假定客廳有一臺電視，電氣設備為100 W。空調類型采用分體式空調，空調能效設為3.0。換氣次數(shù)為1.0次/h。室內(nèi)設計參數(shù)按標準中的規(guī)定進行設定。

圖4 測試住宅戶型平面圖Fig.4 Layout plan of test residence

表6 建筑基本信息Tab.6 The basic information of buildings

表7 建筑圍護結構熱工參數(shù)Tab.7 Thermal parameters of building envelope

3.2 空調使用行為評價指標的驗證

以武漢測評建筑為例，利用對供冷季和供熱季空調使用行為共192個工況進行模擬計算，得到不同用能模式下的空調能耗。對供冷季、供熱季空調能耗與運行度時數(shù)兩變量分別進行一元線性回歸分析，結果如表8和圖5所示。其中，可決系數(shù)R2是反映模型擬合優(yōu)度的重要統(tǒng)計指標，取值為0～1，其數(shù)值大小反映了回歸貢獻的相對程度，R2越大(接近于1)，所擬合的回歸方程越優(yōu)。可知供冷季、供熱季模型調整后R2分別為0.933、0.951，且擬合后的能耗與模擬能耗吻合度較高，表明空調能耗與運行度時數(shù)之間存在顯著線性相關。

圖5 擬合后的能耗與模擬能耗對比Fig.5 Comparison of simulated energy consumption and fitted energy consumption

表8 模型擬合可決系數(shù)分析Tab.8 The analysis of model fitting coefficient

3.3 測評分析

3.3.1 空調用能特性分析

對兩住宅空調房間的溫濕度數(shù)據(jù)及空調運行情況進行處理統(tǒng)計，得到兩住宅供冷季、供熱季的空調用能特性，分別如表9、表10所示。可知，兩住宅的空調用能存在較大差異。住宅1較為節(jié)約，空調全年運行220.86 h，全年空調能耗僅為1.52 kW·h/m2。住宅2空調用能較頻繁，空調全年運行1 198.18 h，全年空調能耗為13.32 kW·h/m2，約為住宅1空調能耗的8.76倍。通過計算空調運行供冷/供熱度時數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩住戶的空調行為均屬于經(jīng)濟型。將實際空調行為轉換為舒適型并帶入模擬，得到在舒適型用能模式下的全年空調能耗分別為10.98、20.11 kW·h/m2，如表11所示。與實際能耗相比，舒適型模式下的空調能耗均有不同程度地增大。

表9 供冷季測試住宅空調用能特性及空調運行供冷度時數(shù)計算Tab.9 The energy consumption characteristics of air conditioning and the calculation of OCDH29 in cooling season

表10 供熱季測試住宅空調用能特性及空調運行供熱度時數(shù)計算Tab.10 The energy consumption characteristics of air conditioning and the calculation of OHDH15 in heating season

表11 測試住宅舒適型用能模式及對應的空調能耗Tab.11 The energy consumption mode and the corresponding air conditioning energy consumption in comfortable behavior mode

3.3.2 空調能耗對比分析

以標準中規(guī)定的運行方式作為設定參數(shù)分別模擬兩住宅全年空調能耗，并與實際空調能耗結果進行對比，如表12所示。由于住宅2位于武漢，受疫情影響，住戶基本上一直在家，使用空調供熱較頻繁，因此實際的供熱能耗高于預測供熱能耗。此外，實測空調能耗均不同程度地低于設計階段的預測能耗，全年空調能耗最大偏差可達251.3%，兩者存在較大差異。這主要是由于實際的空調運行方式與設計有較大不同。若以此實測能耗遠低于預測能耗即判斷該建筑節(jié)能效果則明顯可能導致錯誤判斷。

表12 空調能耗的實測值與預測值的對比Tab.12 Comparison of measured and predicted energy consumption of air conditioning

針對使用階段的住宅相對能耗評價，參照本文提出的評價方法計算兩測評住宅相對能耗水平指標，可得住宅1、住宅2相對能耗水平分別為9.8%、73.1%。即可表明相比住宅2，在同一用能模式下，住宅1耗能少，較節(jié)能。該評價方法避免了氣象條件和用能行為的影響，實現(xiàn)了住宅之間實測能耗的相互可比性。

4 結論

1)空調使用行為是引起住宅能耗變化的主導因素。為了合理引導住宅用能需求，統(tǒng)一衡量能耗標準，實現(xiàn)不同住宅實測能耗的可比性，本文綜合考慮空調設定溫度、空調運行天數(shù)和日運行小時數(shù)三個因素，提出了空調運行供冷/供熱度時數(shù)指標的定義和計算方法。通過長江流域地區(qū)住宅問卷調研結果和相關住宅人員用能行為的研究，確定了空調設定溫度、日運行小時數(shù)和運行天數(shù)這三個空調行為的取值范圍。

2)根據(jù)空調運行度時數(shù)，利用K-means聚類方法將空調行為分為經(jīng)濟型、舒適型和高耗型三種模式。并計算得到了典型城市的運行度時數(shù)及三類模式的臨界值。以此來評價不同地區(qū)住宅實際的空調行為，以及預測轉換為舒適型模式下的空調能耗水平。在此基礎上，提出相對能耗指標，用于評估不同住宅的相對能耗水平。

3)以不同地區(qū)的兩棟住宅建筑進行應用分析。

通過模擬計算，發(fā)現(xiàn)空調能耗與運行度時數(shù)存在顯著的線性相關，驗證了指標的可行性。兩住宅全年空調運行小時數(shù)分別為220.86、1 198.18 h，全年空調能耗分別為1.52、13.32 kW·h/m2。兩住宅實際空調行為均屬于經(jīng)濟型。轉換為舒適型用能模式后的空調能耗水分別為10.98、20.11 kW·h/m2。對比兩住宅實測空調能耗和預測能耗，發(fā)現(xiàn)由于空調使用行為的不同，導致兩者存在較大差異，全年空調能耗差異最大可達251.3%。兩住宅相對能耗指標分別為9.8%、73.1%。剝離氣象條件和空調使用行為的影響，住宅1的建筑本體更節(jié)能。