基于住戶用能行為特征的農宅能耗模擬研究

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

從“十九大”以來，農村住宅的節能工作一直是新農村建設工作的重要組成內容之一。但是，我國的農村住宅節能工作開展依然進度緩慢。根據前期調查得知，已有農村住宅多數未嚴格采取節能措施，外圍護結構的保溫隔熱性能差，采暖制冷效率低，從而導致建筑耗能巨大[1]。浙江省新農村建設中農宅的全生命周期各階段所消耗能耗所占比重各不同，其中，建筑運行維護及更新階段所消耗的能耗最多，為 62 %，而建筑運行維護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，根據住戶的用能行為研究農宅能耗研究可為相關能源政策的制定提供有力的理論依據和基礎數據，對推動建筑節能減排工作將具有重要的現實意義。

1 調查方法

前期研究成果發現，在浙江省農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 %，冬季的能耗遠低于夏季。因此，在考慮節能減排的措施時，主要以夏季的節能減排為主[3]。

為模擬農宅能源消耗的過程，選取浙北地區的杭州市和浙西地區的衢州市等部分鄉鎮開展了關于住戶用能行為的數據調研。在所調研的鄉鎮中，采用實地入戶走訪和問卷調查相結合的方式，重點調查了農宅住戶夏季空調的用能行為，以期獲得其夏季用能行為特征，從而進行典型性農宅的空調能耗模擬，進一步具體研究不同建筑環境因素對建筑能耗的影響。

問卷調查的主要內容包括家庭的基本信息、農宅的建筑信息、家庭的用能信息、住戶的夏季降溫設備的使用、住戶通風習慣等用能生活方式。

2 調查數據分析

2.1 農宅的基本信息

本次調查采樣了浙江省杭州市和衢州市的獨棟農宅，共計 28 戶。農宅的建筑面積多在 200 m2以上，此類占樣本數的 79%。建筑的朝向以南北向為主，此類占樣本數的 96%。戶型結構多為四室二廳，此類占樣本數的 59%。家庭人口結構多為 3 ～ 6 人，此類占樣本數的 93%。

2.2 住戶用能行為分析

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

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

3 住戶用能行為影響農宅能耗模擬分析

3.1 研究方法

選取杭州市（浙北地區）和衢州市（浙西地區）的典型性戶型農宅為載體，結合上述數據分析結果所得住戶的用能行為特征，利用能耗模擬軟件全年負荷計算及能耗分析，對實體住戶的能耗進行模擬。

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

圖1 農宅平面圖

3.2 模擬參數設置

（1）氣象參數設置。在進行能耗模擬研究時，選取Chinese Standard Weather Data（CSWD）氣象數據庫中浙江省衢州市、杭州市氣象文件進行氣象參數的輸入。CSWD 數據是以中國氣象信息中心氣象資料室收集的全國270 個地面氣象站，基于 1971 ～ 2003 年的實測氣象數據編制而成，其可為建筑熱環境及其控制系統的設計和動態模擬分析提供全面可靠的基礎氣象數據[4]。因此該氣象文件可較好地反映浙江省內地區的氣候特點，并為獲得較為理想的模擬結果提供了一定保障。

（2）圍護結構參數設置。模擬建筑圍護結構材料的信息如表 1 所示。

表1 模擬建筑圍護結構信息匯總

（3）建筑分區用途參數設置。選用常見的家用分體式空調作為夏季制冷降溫設備。外窗遮陽則根據建筑物實際選用的遮陽措施進行具體的設置。不同于其他一些能耗模擬軟件只需使用遮陽系數進行遮陽措施的設置方式，某全年負荷計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際情況。

（4）用能行為參數設置。根據上述用能行為特征的分析，對農戶的夏季用能行為相關的參數進行一般常用模式設置，具體的電空調相關參數設置如表 2 所示。

表2 臥室的空調開關和通風行為的參數設置

3.3 模擬結果分析

（1）區域差異對能耗的影響。根據以上參數設定，利用某全年負荷計算及能耗分析軟件進行農宅的能耗模擬。結果數據顯示，杭州地區的農宅全年能耗為 3.924 4 kWh/m2。其中，夏季能耗最高為 8 月 1.126 0 kWh/m2。衢州地區的農宅全年能耗為 5.007 4 kWh/m2，其中，夏季能耗最高為 7月，即 1.616 4 kWh/m2。以上模擬能耗數據基本上與實際用電量相差不大，可反映農宅的實際能耗用量。

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

（3）圍護結構用材差異對能耗的影響。在前期的研究中發現圍護結構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證。選取衢州地區的農宅，設置不同的圍護結構材料（分別為多孔磚和加氣混凝土砌塊），其他設置參數都不變，結果數據顯示如表 3 所示。在該農宅中，照明設備的全年能耗不變，但空調設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宅夏季能耗只是采用多孔磚為外墻材料的農宅夏季能耗的 72.22 %，顯著減少了 27.78 %，節能效果較為明顯。

表3 杭州地區農宅的不同圍護結構用材的（臥室）冷負荷表

（4）差異原因分析。對比以上浙北和浙西地區的農宅能耗數據，分析得到產生能耗差異的原因如下所示。① 區域及氣候差異，特別是夏季。衢州地區全年平均氣溫為 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 40 ～ 55 d。杭州地區全年平均氣溫為 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 40 ～ 55 d。②住戶用能行為差異。衢州地區的空調開關時長少于杭州地區1 h 左右，衢州地區的空調設定溫度高于杭州地區，衢州地區在空調關閉后的通風換氣次數高于杭州地區。③ 農宅的樓層及房間布置差異。杭州地區農宅的臥室南北朝向均有，且數目一致。衢州地區農宅臥室朝南的數量高于朝北的數目。④ 外圍護結構用材差異如表 4 所示。

表4 衢州地區農宅外圍護結構用材差異

外墻傳熱系數 K 值對建筑室內熱環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，采暖與制冷度小時數越少（南向除外）[8]。

4 結 語

（1）分別對衢州市、杭州市某農宅同一建筑物同一位置的不同高度臥室進行對比。調研結果顯示，雖然不同區域建筑的面積、劃分不同，但在一棟建筑中層數越高，區間溫度越大，預測冷負荷越大。對同一建筑物同一高度的不同位置臥室進行對比。調研結果顯示，面積相似的情況下，窗戶朝陽的臥室自然室溫在白天會高于北部的臥室。經過統計可知，農村住宅中，1 F 常是活動場所，2 F 及以上常為居住場所。一棟農宅的臥室相對較多，一般窗戶朝南、北的臥室都有。因此，在修建農宅的時候建議農村建筑住宅臥室相對富余的情況下，在夏季選擇層數較低、窗戶朝北面的臥室居住，由此，夏季空調能耗會相對較低。

（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導致能耗不同。以磚墻和加氣混凝土墻為例，在相同建筑中，照明、設備的全年能耗不變，但空調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，建議在修建農宅外墻時盡量選擇加氣混凝土墻等能盡量減少能耗的材料。