李紅蓮，呂凱琳，楊 柳

(1. 西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

能源對(duì)環(huán)境的影響逐漸引起了全世界的廣泛關(guān)注，如何平衡建筑、能源和環(huán)境三者之間的關(guān)系，成為建筑行業(yè)和能源政策制定者亟待解決的問題[1].我國自改革開放以來，能源消耗呈現(xiàn)穩(wěn)步增長，2001年建筑能耗占全國總能耗的27.5%，預(yù)計(jì)2020年，建筑能耗將達(dá)到35%，將占目前煤產(chǎn)量的40%和發(fā)電量的65%[2].建筑能耗的顯著增長的主要原因是為了在冬季采暖月和夏季制冷月給室內(nèi)提供更好的舒適性，因此，分析氣候變化下建筑物的能源使用變得愈來愈重要.

1 研究現(xiàn)狀

政府間氣候變化專門委員會(huì)IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)是由世界氣象組織(WMO)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)聯(lián)合建立的評(píng)估有關(guān)氣候變化問題的科學(xué)信息.自IPCC成立起，于1990年、1995年、2001年和2007年撰寫了一系列的評(píng)估報(bào)告、技術(shù)文件、方法報(bào)告等，這些報(bào)告已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)參考著作而被決策者、科學(xué)家等廣泛引用[3].IPCC中的SRES情景是目前廣泛使用的氣候預(yù)測情景，分為探索可替代發(fā)展路徑的四個(gè)情景族(A1，A2，B1和B2).A1情景的經(jīng)濟(jì)和人口增長較快，分為三組分別是化石燃料密集型(A1FI)、非化石燃料能源(A1T)以及各種能源之間的平衡(A1B)；B1情景的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)傾向于服務(wù)；B2情景描述了一個(gè)人口和經(jīng)濟(jì)增長處于中等水平的世界；而A2情景描述了一個(gè)人口和經(jīng)濟(jì)不均衡發(fā)展的世界.當(dāng)前中國處于經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長的發(fā)展時(shí)期，新的和更高效的技術(shù)被迅速引進(jìn)，能源結(jié)構(gòu)由化石燃料密集型向能源平衡型結(jié)構(gòu)過渡，故A1B情景較為符合中國發(fā)展模式.

關(guān)于氣候變化對(duì)建筑能源需求的影響，Wong等人采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱值(Overall Thermal Transfer Value, OTTV)法評(píng)估了氣候變化對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱特性的影響，研究表明21世紀(jì)制冷負(fù)荷增加11.4%～14.2%[4]；Wan等人采用氣象要素(干球溫度、相對(duì)濕度及太陽輻射)的綜合主成分值Z與累年建筑能耗回歸的方法，預(yù)測了我國五大氣候區(qū)辦公建筑的能耗，結(jié)果表明我國嚴(yán)寒地區(qū)采暖的減少量大于制冷的增加量，氣候變化對(duì)能耗影響最大的是降溫需求起主導(dǎo)作用的夏熱冬暖地區(qū)，增加夏季設(shè)定溫度、減少照明負(fù)荷密度對(duì)節(jié)約能源有著重要的作用[5-7]；澳大利亞學(xué)者對(duì)五星級(jí)建筑在穩(wěn)定排放場景下的能源需求預(yù)測表明，截止到2050年，總的采暖/制冷能源需求將從26%增至101%，在2100年將由48%增長至350%，對(duì)七星級(jí)建筑的能耗預(yù)測表明，能源消耗將增加120%到530%，對(duì)于商業(yè)建筑，假設(shè)CO2排放量翻倍的情景下，總能耗增加10%～17%[8-10]；美國學(xué)者Scott等對(duì)辦公、商業(yè)建筑的能耗模擬表明全球氣候變暖將導(dǎo)致能源的消耗降低，采暖能耗的減少補(bǔ)償了制冷能耗的增加且年平均溫度每增加1 ℃，采暖能耗減少2%[11]；而Frank等人通過研究表明氣候變化導(dǎo)致瑞士采暖能耗減少36%～58% 而制冷能耗增加223%～1 050%[12].上述研究表明，采暖能耗減少和制冷能耗增加的程度與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件及能源利用措施息息相關(guān)，需要針對(duì)特定的地區(qū)和特定的建筑更加細(xì)致的研究和分析.

2 研究方法

全球氣候變暖引起夏季不舒適度在過去的幾十年呈現(xiàn)增長趨勢，這導(dǎo)致了更多的制冷需求.而制冷能耗增加會(huì)導(dǎo)致溫室氣體排放量的增加，將會(huì)反作用于全球氣候[13-15].我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)會(huì)導(dǎo)致未來城市建筑量不斷增加，其中高層住宅、辦公、商場、酒店四類建筑為人們?nèi)粘Ｊ覂?nèi)活動(dòng)的主要場所，對(duì)室內(nèi)舒適性有著較高的要求，是建筑能源消耗大戶，且四種建筑的設(shè)計(jì)、室內(nèi)熱負(fù)荷以及熱環(huán)境參數(shù)設(shè)置各有特點(diǎn).研究表明，在嚴(yán)寒地區(qū)或寒冷地區(qū)采暖能耗降低、制冷能耗增加，但最終建筑物整體能源需求及其對(duì)環(huán)境的影響并不明確.因此，探討氣候變化下不同建筑采暖制冷能源需求顯得十分必要.西安地處中國中部，北緯33 °22′，經(jīng)度114 °02′，海拔1 027 m，四季分明，氣候特征明顯，故選用寒冷地區(qū)的典型氣候城市西安進(jìn)行研究，且以西安地區(qū)上述四種不同類型建筑為研究對(duì)象，探討氣候變化下幾種類型建筑的用能特點(diǎn).進(jìn)行建筑負(fù)荷模擬的動(dòng)態(tài)分析，必須擁有長時(shí)間尺度的氣象數(shù)據(jù).

本文擬至本世紀(jì)末，每隔三十年生成未來2011—2040，2041—2070，2071—2100時(shí)間段的典型年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，典型年表征著一個(gè)地區(qū)的氣象特征，世界氣象組織認(rèn)為三十年的資料長度能夠反映出當(dāng)?shù)叵鄬?duì)穩(wěn)定的氣候特征[16]，國內(nèi)外選取典型年的方法有Finkelstein-Schafer統(tǒng)計(jì)方法、標(biāo)準(zhǔn)偏差方法和主成分分析法[17]，前兩種方法對(duì)氣象參數(shù)的類型和權(quán)重做了規(guī)定，后一種方法立足氣象參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系選取典型年.由于未來氣候預(yù)測數(shù)據(jù)和歷史觀測數(shù)據(jù)間存在氣象參數(shù)類型的差異，故采用主成分法選取了未來的典型氣象年.未來預(yù)測氣象數(shù)據(jù)與歷史觀測數(shù)據(jù)之間需要通過降尺度的方法進(jìn)行結(jié)合，才能得到既不偏離地面氣候又能準(zhǔn)確并精細(xì)化地反映出長期氣候特征的氣象數(shù)據(jù)，故論文基于IPCC提供的A1B排放模式下的預(yù)測氣象數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)降尺度中廣泛應(yīng)用的變形方法[18]生成未來三個(gè)時(shí)間段的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，用于高層辦公、住宅、酒店及商場建筑模型進(jìn)行全年負(fù)荷模擬，預(yù)估幾種建筑的能源需求在未來100年里的變化趨勢.

3 未來氣候變化趨勢

通過歷史觀測數(shù)據(jù)(1971—2000年)選取了典型年作為基準(zhǔn)，與IPCC預(yù)測的A1B情景下月均值氣象數(shù)據(jù)，采用變形的方法獲取了未來的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù).圖1顯示了21世紀(jì)干球溫度、含濕量、太陽輻射長期變化規(guī)律，由圖可知，干球溫度和含濕量隨著時(shí)間的推移均呈現(xiàn)出增加的趨勢，干球溫度從2010年起到本世紀(jì)末平均增加了4.5 ℃，年均含濕量平均增加0.0025 kg/kg；太陽輻射變化不明顯，但直至本世紀(jì)末，由于氣溶膠及溫室氣體的排放呈輕微的下降趨勢.

圖1 21世紀(jì)干球溫度、含濕量以及太陽輻射的變化Fig.1 The change of dry bulb temperature, moisture content and solar radiation in the twenty-first century

4 西安不同類型建筑的負(fù)荷模擬

建筑的負(fù)荷是指為達(dá)到期望狀態(tài)需要補(bǔ)充或去除熱量的大小，負(fù)荷是一個(gè)瞬時(shí)的物理量，而能耗則是一個(gè)過程量，從負(fù)荷轉(zhuǎn)換成能耗，不僅與冷熱源的能效比有關(guān)，還與系統(tǒng)管網(wǎng)特性有關(guān).影響建筑負(fù)荷的因素有內(nèi)因和外因兩大部分，內(nèi)因是指建筑體型系數(shù)、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等，而外因又分外擾(室外氣象狀況)及內(nèi)擾(照明、設(shè)備及室內(nèi)人員)[19].研究建筑能耗規(guī)律應(yīng)著眼于冷熱源設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)段的負(fù)荷及耗熱量和耗冷量[20].本文的研究目的側(cè)重于氣候變化對(duì)建筑熱性能的影響，故在模擬中，采用了建筑的冷/熱負(fù)荷來分析氣候變化對(duì)不同類型建筑熱性能的影響，未對(duì)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備效率等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置.

論文參照相關(guān)國家及地方建筑標(biāo)準(zhǔn)[21]，建立了西安地區(qū)各類型建筑包括高層住宅、高層辦公、酒店和商場建筑模型，并采用建筑能耗模擬工具 EnergyPlus[22]進(jìn)行了基準(zhǔn)年、近期、中期和遠(yuǎn)期典型年逐時(shí)動(dòng)態(tài)模擬.高層住宅、高層辦公、酒店和商場建筑基本概況及基本參數(shù)的設(shè)置如表1所示.辦公、酒店和商場室內(nèi)人員、照明和設(shè)備的時(shí)間表依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)進(jìn)行設(shè)置.住宅的時(shí)間表依據(jù)人員活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置為07:00—09:00和16:00—23:00兩個(gè)時(shí)間段人員在室，照明及設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行；其他時(shí)間段無人員在室，照明關(guān)閉，設(shè)備運(yùn)行比例為0.3.

表1 高層住宅、高層辦公、酒店和商場建筑基本概況及基本參數(shù)的設(shè)置

與基準(zhǔn)年負(fù)荷對(duì)比，A1B情景下西安地區(qū)高層住宅、高層辦公、酒店和商場建筑在21世紀(jì)近期、中期及遠(yuǎn)期的月累積負(fù)荷變化情況分別如圖2(a)、2(b)、2(c)和2(d)及表2所示.

圖2 A1B情景下西安各類型建筑近期、中期及遠(yuǎn)期的月累積負(fù)荷Fig.2 The monthly total load of different buildings in recent, middle and far term under SRES A1B

Tab.2 The monthly total load change of buildings in recent, middle and far termskWh·m-2

圖2和表2表明了在A1B的排放情景下，高層辦公、高層住宅、酒店、和商場建筑在21世紀(jì)近期、中期、遠(yuǎn)期的月累積負(fù)荷對(duì)比基準(zhǔn)年的月累積負(fù)荷變化情況.由圖可知四種不同類型的建筑，從近期、到中期至遠(yuǎn)期對(duì)于特定月份建筑月累積負(fù)荷較基準(zhǔn)負(fù)荷的增減趨勢具有一致性.對(duì)于高層辦公建筑，12月、1月建筑的累積負(fù)荷減少，而其余月份累積負(fù)荷增加；對(duì)于高層住宅，10月、11月、12月、1月、2月、3月建筑的累積負(fù)荷減少，而其它月份建筑的累積負(fù)荷增加；對(duì)于酒店建筑，11月、12月、1月、2月建筑的累積負(fù)荷減少，其余月份相對(duì)基準(zhǔn)累積負(fù)荷增加；對(duì)于商場建筑，1月份建筑的累積負(fù)荷增加，其它月份整體呈現(xiàn)增加趨勢.隨著全球氣候的逐年變暖，對(duì)于各類型建筑，在以制冷為主的月份累積負(fù)荷在三個(gè)階段呈現(xiàn)遞增趨勢，而以采暖為主的月份累積負(fù)荷在三個(gè)階段呈現(xiàn)遞減趨勢.由上可見，氣候變暖對(duì)建筑負(fù)荷的影響由于建筑類型不同而有所區(qū)別.

圖3 A1B排放情景下各建筑在近期、中期及遠(yuǎn)期的耗熱量、耗冷量和總負(fù)荷變化情況對(duì)比Fig.3 The increment of cooling, heating and total load of different buildings in recent, middle and far term under SRES A1B

Tab.3 The percentage change of cooling, heating and total load of different building in recent, middle and far term under SRES A1B%

圖3與表3表明了在A1B的排放情景下相對(duì)基準(zhǔn)年西安高層辦公、高層住宅、酒店及商場建筑的近期、中期及遠(yuǎn)期典型年的采暖負(fù)荷、制冷負(fù)荷和總負(fù)荷變化情況.結(jié)果表明，在IPCC的A1B預(yù)測情景下，直至本世紀(jì)末，溫度和濕度呈逐漸增加趨勢，西安地區(qū)的四種類型建筑采暖負(fù)荷均呈現(xiàn)降低趨勢，而制冷負(fù)荷增加；分析氣候變化下的未來三個(gè)時(shí)間段，對(duì)于同一地區(qū)西安的各建筑，高層住宅制冷負(fù)荷增長和采暖負(fù)荷降低幅度明顯，商場制冷負(fù)荷增長最小、采暖負(fù)荷降低最小.原因主要是，由于各類型建筑同屬寒冷地區(qū)西安，在建模時(shí)外墻、屋面、及外窗參數(shù)設(shè)置相近，但是住宅的內(nèi)熱源負(fù)荷所占總負(fù)荷比重較小，同時(shí)住宅的體形系數(shù)(0.306)較大引起外圍護(hù)結(jié)構(gòu)受室外氣候環(huán)境影響最為敏感，導(dǎo)致采暖制冷增長幅度最大；商場建筑體形系數(shù)最小，而內(nèi)熱源較大，所以氣候變化下采暖、制冷負(fù)荷的增減幅度不明顯.

四種類型建筑總負(fù)荷的變化情況：(1)辦公建筑在未來近期、中期及遠(yuǎn)期總負(fù)荷約分別增長10%、14%、18%.雖然制冷負(fù)荷的增加百分比小于采暖負(fù)荷降低百分比，但是制冷負(fù)荷的增加量大于采暖負(fù)荷的減少量，由于辦公建筑的人員密度8 m2/p，照明及設(shè)備分別為8 W/m2、15 W/m2，室內(nèi)熱負(fù)荷所占總負(fù)荷比重較大，一年中多以供冷為主，導(dǎo)致辦公建筑總負(fù)荷增加較其它三種建筑更為明顯；(2)在近期典型年，高層住宅建筑冷負(fù)荷增長、采暖負(fù)荷降低，總負(fù)荷僅增長4%，上升趨勢不明顯，可以預(yù)測，在寒冷地區(qū)(部分)或者嚴(yán)寒地區(qū)某些對(duì)采暖需求更大的建筑，總負(fù)荷可能呈現(xiàn)下降趨勢；隨著未來溫度和濕度的持續(xù)增加，住宅建筑制冷負(fù)荷的增加幅度超過了采暖負(fù)荷降低的幅度，在未來中期和遠(yuǎn)期典型年總負(fù)荷分別增加了5%和9%；(3)對(duì)于酒店建筑的年總累積負(fù)荷變化，在未來近期、中期與遠(yuǎn)期制冷負(fù)荷的增加量均大于采暖負(fù)荷的減少量導(dǎo)致酒店建筑的總負(fù)荷呈現(xiàn)增長趨勢，至本世紀(jì)末總負(fù)荷的增加在5%及10%之間；(4)對(duì)于商場建筑的年總累積負(fù)荷變化，在未來近期、中期及遠(yuǎn)期制冷負(fù)荷的增加大于采暖負(fù)荷的減少，年總累積負(fù)荷的增加原因主要是由于制冷負(fù)荷的增加量遠(yuǎn)大于采暖負(fù)荷，盡管采暖負(fù)荷較基準(zhǔn)變化幅度較大，但是其對(duì)總負(fù)荷的影響微小，導(dǎo)致商場總能耗的增加在4%到12%之間.

5 結(jié)論

論文選用IPCC報(bào)告中A1B排放情景的氣候預(yù)測數(shù)據(jù)，并選取了未來近期、中期和遠(yuǎn)期三個(gè)時(shí)段的典型氣象年，以1971—2000年的歷史真實(shí)記錄數(shù)據(jù)選取的典型年為基準(zhǔn)氣候，利用變形法得到了未來三個(gè)時(shí)段典型年的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，針對(duì)建筑能耗模擬軟件Energyplus，制作了氣象數(shù)據(jù)文件.對(duì)地處中國地理位置中部的城市西安的幾種類型建筑進(jìn)行了建模，并對(duì)基準(zhǔn)氣候和未來氣候預(yù)測下的典型氣象年進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，得出以下結(jié)論：

(1)直至本世紀(jì)末，隨著全球氣候的逐年變暖，對(duì)于西安各類型建筑，在以制冷為主的月份負(fù)荷在未來近期、中期及后期時(shí)段呈現(xiàn)遞增趨勢，而以采暖為主的月份負(fù)荷在三個(gè)階段呈現(xiàn)遞減趨勢；

(2)西安地區(qū)的四種類型建筑，采暖負(fù)荷均呈現(xiàn)降低趨勢，而制冷負(fù)荷增加，這是氣候變暖導(dǎo)致的必然結(jié)果；

(3)在不同階段對(duì)于同一地區(qū)西安的四種類型建筑來說，高層住宅制冷負(fù)荷增長和采暖負(fù)荷降低幅度明顯、商場制冷負(fù)荷增長最小、采暖負(fù)荷降低最小(中期、遠(yuǎn)期采暖負(fù)荷例外)，主要是受體型系數(shù)及內(nèi)熱源比重不同的影響；對(duì)于四種不同類型總負(fù)荷的變化情況，辦公建筑總負(fù)荷增加較其它三種建筑更為明顯；高層住宅建筑采暖負(fù)荷降低抵消了增長的制冷負(fù)荷，上升趨勢不明顯；對(duì)于酒店建筑，至本世紀(jì)末年總能耗的增加在5%及10%之間；對(duì)于商場建筑，年總負(fù)荷的增加原因主要是由于制冷負(fù)荷的增加量遠(yuǎn)大于采暖負(fù)荷的減少，采暖負(fù)荷對(duì)總負(fù)荷的影響微小.

6 結(jié)語

采暖主要的能源是石油或燃?xì)忮仩t，而降溫主要依靠電力設(shè)備，氣候變化將使能源消耗向供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，太陽能空調(diào)系統(tǒng)表現(xiàn)出很好的能源特性來解決在氣候變化下夏季制冷用電量的增加，這對(duì)全國節(jié)能及建筑環(huán)境相關(guān)政策的提出有重要意義.