基于住戶環境需求與環控行為的寒冷地區低碳住宅環控策略探討
——青島某綠色住宅和被動住宅對比分析

■ 王 鑫 WANG Xin 張曉娜 ZHANG Xiaona 尹士鋒 YIN Shifeng

0 引言

根據我國“雙碳”目標和《能源生產和消費革命戰略（2016—2030）》等綱領性發展文件，實施能源消費、碳排放總量和強度雙控工作迫在眉睫。建筑業是社會三大用能部門（工業、交通、建筑）之一。目前，中國建筑建造和運行能耗已占到全社會總能耗的33%，與全球比例接近，建筑運行能耗占全社會總能耗的22%；與此同時，建筑運行能耗強度仍低于全球平均水平，無論是人均建筑能耗還是單位建筑面積能耗均低于發達國家[1]。此外，近年來，我國建筑用能和碳排放總量增長迅速，隨著經濟發展和城鎮化建設，未來該指標還將進一步提高，建筑節能減排工作形勢嚴峻[2]。當前，在滿足居民日益提高的建筑環境質量需求的同時，合理約束建筑環控能耗和碳排放的總量增長勢在必行。

自1986 年建設部開展建筑節能工作以來，一直遵循先嚴寒、寒冷地區，再夏熱冬冷地區，最后夏熱冬暖地區，和先居住建筑后公共建筑的節能工作推動順序。統計結果顯示：經過30 余年的努力，北方城鎮住宅供暖能耗強度持續降低，2008—2019年間，平均單位建筑面積供暖能耗從187 kWh/m2降 至114 kWh/m2。供暖能耗強度降低的主要原因包括：建筑圍護結構保溫水平的提高、高效熱源方式占比提高，以及供暖運行管理水平的提高[1]。然而，當建筑圍護結構的熱工性能、建筑系統的能效標準提高到較高水平后，進一步提高硬件標準，建筑節能效益將呈下降趨勢[3]，住戶的環控行為將對住宅能耗產生越來越顯著的影響。另一方面，環境品質提升的可感知度、投資收益的模糊性、增量成本的投資回收期的不確定性等因素，影響著綠色低碳住宅的市場供給和消費動力，成為制約被動房等新型住宅規模化發展的關鍵要素[4]。實際上，住戶是居住活動的核心要素，其環控行為直接影響到室內環境質量和實際建筑能耗。建筑的高性能運行是實現節能減排的關鍵，而高性能的設計方案不一定代表高性能的運行表現。技術系統的集成問題和缺乏對使用者行為影響的考慮，是節能技術在運行階段未充分發揮作用的主要原因[5]。

綠色住宅、被動住宅是我國當前高標準住宅的代表，二者在外圍護結構熱工性能、環控設備能效、系統運行方式以及環境質量目標等方面各有優勢。2021 年，在前期探索性建設基礎上，筆者團隊選取青島中德生態園內已建成運行3～4 年時間的綠色住宅和被動住宅作為研究對象，通過現場測試發現并總結存在的環境問題，對比分析兩類住宅的環境品質和能耗情況，最后均衡節能減排計劃和健康舒適環境的民生目標，從用戶環境需求和環控行為角度，探討適應寒冷地區城鎮住宅的低碳環控設計策略。

1 建筑概況與測試方案

2 幢測試住宅位于青島中德生態園內，為我國城鎮住宅中常見的中高層集合住宅形式，其中測試住宅1（下文簡稱綠色住宅）為國家二星級綠色建筑，測試住宅2（下文簡稱被動住宅）滿足德國被動房研究所（Passive House Institute， 簡 稱PHI）的被動房認證標準。建筑主要圍護結構及設備系統情況見表1。

表1 測試建筑外圍護結構主要構造及設備系統一覽表

測試選取兩建筑中非頂非底的中間戶，綠色住宅房間代碼HY，被動住宅房間代碼GY。兩住戶同為某建筑科技公司員工，具有相似的生活起居規律，并了解相應設備系統的運行要求，測試期間按照正常生活規律、設備系統操作標準運行。

實地測試方案針對住宅套型平面特點，每戶選擇了南、北及中間3 處典型位置測試點（圖1、2），以獲得比較全面、完整的室內環境質量分析數據。其中，南、北測點測試溫度、濕度數據，中測點測試室內空氣質量和熱舒適度。

圖1 綠色住宅套型平面及測試點位置

圖2 被動住宅套型平面及測試點位置

測試時間分別選擇供暖季最冷時間段（2021 年1 月大寒日前后）、過渡季（2021 年5 月下旬）、制冷季最熱時間段（2021 年8 月大暑日前后）3 個典型時間段。根據天氣情況，三段測試期分別進行了5～7 天的連續測試，然后選擇具有代表性的連續2 天（包括晴天、多云或陰雨天氣狀況）的數據進行統計分析。具體環境測試儀器與測試參數如表2 所示。

表2 測試儀器與測試參數

2 測試結果分析

在各季節測試數據中選取其中連續2 日典型天氣測試數據，采用SPSS統計分析軟件分別對典型季節室內外溫度、濕度、室內空氣質量（CO2含量）、預計平均熱感覺指標（predicted mean vote，簡稱PMV）、預計不滿意 者 百 分 數（predicted percentage dissatisfied，簡稱PPD）等測試數據進行對比分析。分析內容包括各季測試數據的平均值、極值、中位數、標準差、極差等。

2.1 典型季節溫度、濕度和空氣質量

統計各測試期內典型天氣的連續48 h 溫度、濕度和CO2含量測試結果的平均值和標準差（表3），對比分析統計結果得出以下評價。

（1）被動住宅各季節實測室內溫度、濕度以及穩定性均優于綠色住宅，尤其是在供暖季和制冷季。測試與計算結果顯示出被動住宅高性能的外圍護結構和設備系統具有更好的熱濕環境調節能力。

（2）從室內空氣質量測試結果平均值來看，由于被動住宅主要使用機械通風系統，在大多數測試時間內，其具有更好的空氣質量和濕度環境；但在制冷季期間，被動住宅室內CO2含量平均值高出綠色住宅45.7%，且極大值和極小值均高于綠色住宅，但標準差低于綠色住宅22.8%，顯示出測試被動住宅的機械通風系統在青島地區夏季制冷工況下的運行局限性。

2.2 典型季節溫度、濕度、空氣質量和熱舒適度對比

將溫度、濕度、CO2含量等測試數據分別繪制為箱線圖（圖3～5），描述各變量測試數值的分布特點，包括中值（即中位數，箱線圖的中間位置數值）、極值（上端為極大值，下端為極小值）、四分位置（箱體下端位置為25%分位數，箱體上端位置為75%分位數）。箱線圖可以直觀地反映出各季節室內熱濕環境和空氣質量的變化情況。

圖3 典型季節溫度測試結果分析箱線圖

2.2.1 室內溫度對比

典型季節溫度測試結果分析如圖3 所示。

得益于被動住宅系統的完全自控（如供暖制冷時間、溫度等），被動住宅在供暖季和過渡季的室內溫度中位數均高于綠色住宅，制冷季低于綠色住宅，且被動住宅各季室內溫度極差均小于綠色住宅。被動住宅顯示出更好的常年熱環境穩定性。

綠色住宅為自然通風建筑，受用戶行為習慣和適應性熱舒適因素的影響，相應熱舒適溫度耐受范圍有較大程度的拓寬[6]。測試結果顯示，在空調間歇運行模式下，制冷季綠色住宅的室內溫度中值明顯高于被動住宅，在供暖季略低于被動住宅。根據PHI的建議，被動房設計不考慮夏季適應性舒適模型[7]，測試被動住宅在制冷季測試期間采用PHI 推薦的全時全機械通風運行模式，室內設定溫度相對較低，室溫極差僅有0.5℃，熱環境穩定性很高。

2.2.2 室內濕度對比

典型季節濕度測試結果分析如圖4 所示。

圖4 典型季節濕度測試結果分析箱線圖

在供暖季室外空氣濕度中值43.08%的背景下，被動住宅供暖季的室內濕度平均值、中值均高于綠色住宅，更接近舒適濕度范圍，說明被動住宅低溫風熱供暖末端方式比綠色住宅的熱水對流輻射供暖末端方式對濕度的調節更有利。但被動住宅和綠色住宅的室內濕度中值均偏低，冬季供暖工況下應注意加濕。

在過渡季，根據被動住宅使用手冊操作指南建議，測試被動住宅采用機械通風為主的通風方式，測試結果顯示，其室內濕度環境亦優于綠色住宅。

在制冷季測試期間，室外空氣濕度中值為78%，采用自然通風、間歇制冷方式的綠色住宅室內濕度中值為75.5%、75.9%，采用機械通風、連續制冷方式的被動住宅室內濕度中值為60.2%、60.8%，被動住宅的濕環境具有更高的舒適度。

2.2.3 室內空氣質量對比

典型季節室內空氣質量測試結果分析如圖5 所示。

圖5 典型季節室內空氣質量測試結果分析箱線圖

在供暖季室內密閉情況下，被動住宅的機械通風系統有效地提高了室內空氣質量，其CO2含量的均值、中值、極值以及極差均明顯低于綠色住宅。測試發現，在三餐部分時間段，綠色住宅的CO2含量最高達到0.128%，空氣質量超出了《室內空氣質量標準》（GB/T 18883—2002）規定的限值，顯示出在供暖季密閉情況下部分時間換氣量不足。

在過渡季，兩處住宅CO2含量平均值接近，但被動住宅的CO2含量及波動幅度均低于綠色住宅。

在制冷季，實測結果顯示，被動住宅CO2含量的均值、中位數、極值均高于綠色住宅。分析原因可能是由于被動住宅采用新風冷熱一體機系統，夏季系統根據冷負荷調節送風量，青島地區夏季相對較低的氣溫以及被動房外圍護結構較好的隔熱性能，造成新風風量和冷負荷風量不匹配，從而導致新風換氣量不足。

2.2.4 熱舒適度對比

本測試選取PMV、PPD作為熱舒適度指標。其中，PMV指標根據人體熱平衡方程式，從心理生理學主觀熱感覺的等級出發，綜合考慮了人體熱舒適感的諸多相關因素，是人群對于熱感覺等級投票的平均指數；PPD指標是人群對于熱濕環境不滿意的預計投票平均值。將二者結合可以更好地評價室內環境的熱舒適度。測試采用符合《民用建筑室內熱濕環境評價標準》（GB/T 50785—2012）附錄E 中PMV、PPD計算標準的建通室內環境綜合測試儀。

根據測試住宅的使用方式，依據美國采暖、制冷與空調工程師協會《人居熱環境條件》（ASHRAE Standard 55—2010）標準，在冬夏供暖制冷測試期間采用人工熱濕環境熱舒適標準，過渡季測試期間采用自然通風熱濕環境適應性熱舒適標準。由圖6 中PPD、PMV變化趨勢可以看出：無論冬、夏還是過渡季，被動住宅的PPD、PMV計算指標均顯示出相對更高的舒適度和低波動性。

圖6 典型季節熱舒適測試結果折線圖

3 環控能耗對比

本項目測試的被動住宅設置了樓宇能耗監測系統，測試綠色住宅采暖能耗數據同熱力公司提供的本區域內普通綠色住宅供暖能耗數據，環控能耗對比結果顯示如下。

在2021—2022 年 供 暖 季，區域內18 處市政熱水集中供暖居住小區同類型住宅年度單位面積（使用面積）平均制熱量為120.45 kWh/m2，同期測試被動住宅29 戶住戶（全樓共36 戶）供暖期平均環控能耗（包括制熱、新風能耗，按使用面積計算）為23.70 kWh/m2，被動住宅的冬季單位供暖能耗比本區域市政熱水集中供暖住宅降低了80.3%。

由于項目測試的綠色住宅沒有單獨計量空調電耗，因此月度電耗強度采用環控能耗拆分方法做對比。圖7為2021 年度測試住戶的月度單位使用面積電耗強度圖，以制冷季（7—8 月）、供暖季（11—3 月）前后各2 個月的電耗強度平均值為基準電耗（圖7 中紅色標線數字），來統計制冷季、供暖季環控電耗強度增量。

表4 計算結果顯示：由于綠色住宅無冬季供暖電耗，被動住宅冬季電耗強度增量比綠色住宅高出114.19%；夏季制冷期間，被動住宅電耗強度增量僅比綠色住宅高出13.99%，顯示出測試被動住宅在青島地區（寒冷氣候II 區）具有良好的氣候適應性。

表4 供暖季、制冷季電耗強度增量對比

4 寒冷地區低碳住宅的環控策略探討

4.1 地方氣候適應性

被動房具有高保溫、高氣密性的建筑構造特點，以寒冷地區北京為例，被動房冬季供暖能耗降幅顯著，夏季制冷能耗降幅相對較低[10]，類似的情況亦出現在夏熱冬冷地區[6]。受氣候差異的影響，寒冷地區山東主要城市的夏季供冷需求明顯高于德國的夏季供冷需求[11]。在需要同時考慮冬季保溫和夏季隔熱散熱的情況下，強調高保溫性能的被動房圍護結構，其熱工性能指標是否適用本地區，需要深入探討。

青島市位于東亞季風氣候區，兼具海洋性氣候和大陸性氣候特點：夏季濕熱多雨，氣溫的日較差較小，呈現出海洋氣候的特征；冬季在東北亞大陸季風高壓冷氣團控制下，氣候干燥，寒冷多風，呈現出大陸性氣候的特征。青島市年平均氣溫12.3℃；年內以1 月份最冷，月平均氣溫-0.9℃；8 月份最熱，月平均氣溫25.3℃。一年之內，青島市最高氣溫大于30℃以上的平均日數為11.8 d，其中有9.4 d 集中在7—8 月。青島市冬季采暖期室外平均溫度0.9℃，采暖期天數110 d，采暖期度日數1881。對于兼有冬季供暖、夏季制冷需求，特別是夏季顯熱負荷較低而潛熱負荷相對較高的青島地區，后續被動房建設有必要根據PHI 被動房認證標準中圍護結構熱工指標進行氣候適應性調整，以及深入探討系統的冬夏分控、熱濕分控技術方案。從被動措施和主動措施兩方面入手，協同考慮，提高被動房的地區氣候適應性。

4.2 住戶行為適應性

當前，建筑節能工作和評價考核工作主要聚焦于建筑圍護結構和集中能源系統，對于主要由使用者行為決定的建筑用能并沒有管控手段[2]。對于城鎮住宅而言，建筑所有者、使用者主要為居民個人，目前尚無任何能夠直接約束居民用能行為的行政措施，主要依靠能源價格機制來引導居民行為節能。

同PHI 被動房認證標準中24 h連續運行的使用建議不同，我國住宅用戶多習慣于“部分時間、部分空間”的空調運行模式，并有開窗通風的習慣，這與德國被動房的高氣密性、系統的連續運行模式的要求相矛盾。項目測試被動住宅小區住戶問卷調查顯示：88.9%的住戶希望在過渡季開窗通風，在供暖季和制冷季，仍有11.1%的住戶希望能夠開窗通風。項目實測發現，在滿足住戶主觀舒適度的前提下，自然通風、間歇運行的綠色住宅空調房間的室內溫度比被動住宅提高了2.2℃，達到27.5℃。相似的調查結果亦出現在夏熱冬冷地區 [8]和寒冷地區[9]，在冬季無供暖工況下，寒冷地區被動房住戶實際可接受溫度下限比供暖工況降低1.93℃，住戶的熱環境適應性增強[9]。在由住戶自主控制供暖制冷的工況下，可以適度延長過渡季時間，達到行為節能效果。

如何在適應住戶的居住習慣基礎上，引導住戶的綠色居住行為，達到行為節能目的？這要求被動住宅設計中應充分考慮被動措施與設備系統的分時協同運行策略，進一步提高主動、被動技術措施的用戶自主控制的靈活性。

冬季供暖能耗是寒冷地區城鎮住宅的主要環控能耗。從寒冷地區非節能住宅到“三步節能”住宅，建筑圍護結構保溫性能、氣密性的差距造成單位面積耗熱量的巨大差別。目前，市政熱水集中供暖方式是寒冷地區城鎮住宅的主要供暖方式，由于北方城鎮集中供熱制度在設立之初帶有一定的社會福利性質，目前，以盈利為目標的供熱企業很難主動承擔低標準住宅的耗熱增量成本，這導致北方集中供熱分戶計量、按需收費改革難以推進[1]。同綠色住宅相比，被動住宅提供了更高的建筑服務水平，以及系統運行的靈活性，更好地滿足了住宅用戶的個性化環控需求（包括環境指標、運行時間等）。

基于住戶居住行為規律和環境需求的多樣性化和復雜性，按照何種方式營造室內環境是實現建筑低碳發展目標的一個基本問題。在當前我國大量住宅“部分時間、部分空間”的節約型系統運行習慣下，注重被動環控措施，發展與居住生活方式相適應的建筑形式（包括熱平面分區、應變外殼、混合通風等），探討新風、溫度的分控運行以及基于熱感覺的熱環境控制系統[12]，提高系統需求側響應的可控性和靈活性，有益于在低能耗和高舒適度之間取得平衡。

4.3 環控方式電氣化

目前，我國北方城鎮集中供暖以燃煤（包括燃煤鍋爐、燃煤熱電聯產）為主，占比高達78%，燃氣供暖占比為15%，這導致大量的CO2直接排放[2]。隨著我國電力結構中零碳電力比例的提升，我國電力的平均碳排放因子顯著下降[13]。在我國電力系統的零碳發展趨勢下，逐步提高建筑環控能耗中的電力消耗比例，是實現建筑零碳運行的重要途徑。

相關研究顯示，除了室外溫度低于-20℃的極寒地區外，我國絕大多數地區都可在冬季采用空氣源熱泵供暖，對于極寒地區，可采用直接電熱供暖方式[1]。建筑環控電氣化的前提是高熱工性能的外圍護結構，被動住宅提供了一種可供參考的技術標準與建造方法。

5 結語

從綠色住宅到被動住宅，早期項目建設更多地著眼于提高技術系統的性能標準，對于住戶的環境需求、環控行為的考慮尚待加強。住戶對技術系統（包括被動系統和主動系統）的了解與操作直接影響到室內環境質量和實際環控能耗，低碳住宅中的技術系統，并不是純粹的“物質性客體”，針對低碳住宅技術系統的住戶需求研究貫穿于建筑策劃、設計、建造以及運行各個環節[14]。

在當前我國人口基數大、住宅形式多樣、建設規模大，以及人均建筑能耗較低的現狀背景下，針對地區氣候特點、不同水平的外圍護結構，對于普通節能住宅、綠色住宅和被動住宅，分別采用提高系統運行能效、“被動系統優先+主動系統優化”、“被動系統優化+去設備化”等不同側重點的環控策略，適應多樣化、個性化的居住生活方式和環境需求，推廣分散式、電氣化環控系統的需求側響應運行模式，兼顧技術角度和用戶角度的環控策略，通過技術措施和住戶行為的協同作用，著力實現環境質量與住戶主觀感知舒適度、建造經濟性與運行低能耗的平衡，從而推動“雙碳”發展目標的實現。