劉念雄 張競予 王珊珊

清華大學建筑學院

我國北方嚴寒和寒冷地區(qū)住宅的冬季采暖用能占全年總用能的比例較大。自1986年《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-86）發(fā)布以來，住宅節(jié)能設(shè)計標準的漸進式提高使設(shè)計和技術(shù)節(jié)能潛力得到充分挖掘和漸進式提升，但是與此同時也存在實際效果與設(shè)計目標不匹配的問題。2016年，《民用建筑能耗標準》（GB/T51161-2016）發(fā)布，基于既有建筑實際用能數(shù)據(jù)，引入約束值和推薦值兩項指標，針對實際效果進行評價。

在“十三五”重點研發(fā)計劃“綠色建筑及建筑工業(yè)化”專項《目標和效果導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計新方法及工具》中，課題6“北方地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑綠色設(shè)計新方法與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化”引入目標和效果導(dǎo)向的數(shù)據(jù)設(shè)計方法，以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)針對住宅實際效果進行節(jié)能設(shè)計優(yōu)化，注重實際效果，挖掘住宅節(jié)能潛力，減少設(shè)計目標與實際效果的差距，通過人、建筑、設(shè)備操作協(xié)同，得出研究結(jié)果，為住宅設(shè)計、采暖系統(tǒng)控制和用戶控制行為規(guī)范提供參考，為住宅節(jié)能優(yōu)化和戶型精細化設(shè)計提供依據(jù)，以滿足最新節(jié)能建筑評價標準要求。

節(jié)能和提高熱舒適性是住宅綠色設(shè)計的兩個主要目標，室內(nèi)熱環(huán)境實測是準確獲取住宅熱環(huán)境信息的重要研究方法。已有眾多學者在住宅熱環(huán)境特征、居住者行為模式對節(jié)能及熱舒適的影響方面進行了實測研究，如夏一哉等對北京88戶自然通風住宅進行室內(nèi)環(huán)境參數(shù)實測及熱感覺問卷調(diào)查[1]；曹彬等通過調(diào)查與分析探索了上海、北京兩地住宅冬季室內(nèi)熱舒適特征[2]；Andersen R.V.等對丹麥住戶行為與動機熱環(huán)境控制的調(diào)查顯示，住戶習慣與是否采暖密切相關(guān)，而冷熱感、采暖價格等并沒有對采暖行為產(chǎn)生顯著影響等[3]。另外在本研究的已有成果中，通過對不同熱工分區(qū)的樣本住宅進行長時間實測與問卷調(diào)研，分析了用戶行為習慣對熱環(huán)境需求的影響，總結(jié)了不同城市住宅熱環(huán)境現(xiàn)狀和特點、造成差異的行為因素、個體和群體使用行為的共性和個性特征與規(guī)律等[4-6]。但是，已有研究較少結(jié)合室內(nèi)空間溫度分布特征，未針對以節(jié)能與熱舒適為目標的住宅空間設(shè)計優(yōu)化。下文以住宅建筑節(jié)能和提高室內(nèi)熱舒適性為目標，基于樣本戶的長時間室內(nèi)溫度場分布進行實測，診斷實際使用過程中存在的問題，并提供優(yōu)化建議。

1 研究方法

本研究采取實測數(shù)據(jù)調(diào)研，通過長時間采集住宅家庭熱環(huán)境實測數(shù)據(jù)、用能記錄和生活行為方式進行相關(guān)性研究，包括戶型信息（樓層、平面、體形、圍護結(jié)構(gòu)等）、家庭用能和使用者行為三部分數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析。研究選取北京市海淀區(qū)和朝陽區(qū)三個住區(qū)樣本戶組，采集數(shù)據(jù)包括室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)據(jù)（一年以上室內(nèi)溫濕度連續(xù)測試數(shù)據(jù)）、住宅信息（戶型面積、朝向、空間功能布局與方位、圍護結(jié)構(gòu)等）、家庭用能數(shù)據(jù)（燃氣表、電表）。通過上述數(shù)據(jù)對使用階段的住宅采暖季實際節(jié)能效果、室內(nèi)熱環(huán)境狀況及住宅戶型設(shè)計進行整體把握，結(jié)合入戶調(diào)研和問卷了解住戶的實際感受，從現(xiàn)象尋找實際效果與設(shè)計目標不匹配的原因，診斷不利于節(jié)能的住宅設(shè)計缺陷，為設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

實測數(shù)據(jù)采集方法如下：在三個樣本住區(qū)（編號為住區(qū)G1、G2、G3）各選15個家庭作為樣板戶組，三個樣本住區(qū)包括不同的住宅建筑類型（高層、多層）和采暖系統(tǒng)（集中采暖、分戶采暖）（圖1），在2013～2017年期間，通過入戶安置溫濕度自動記錄儀進行熱環(huán)境數(shù)據(jù)采集，記錄儀分布在每個樣本戶的起居室、南臥室、北臥室，以1h為數(shù)據(jù)記錄間隔定期記錄溫濕度數(shù)據(jù)，得到36個有效樣本戶數(shù)據(jù)。其中，對于G1組的典型戶型A（120m2，兩室戶）和戶型B（139m2，三室戶）進行了更詳細的數(shù)據(jù)采集，在餐廳、廚房、南北陽臺增加了記錄儀，以15min為間隔進行記錄。同時通過問卷和訪談形式記錄用戶的生活方式和行為特點，定期入戶記錄用能計量表讀數(shù)（水表、電表、燃氣表），對樣本戶的室內(nèi)熱環(huán)境和用能進行完整的實際使用狀況的節(jié)能評價。實測數(shù)據(jù)提供了每個用戶家庭采暖系統(tǒng)、室內(nèi)熱環(huán)境和用能的整體特征信息和一般狀態(tài)，分組樣本戶的基本信息如表1所示。數(shù)據(jù)表明，每個家庭的室內(nèi)熱環(huán)境控制都是個性化的，其中G1住區(qū)部分樣本戶的信息如圖2所示。

表1 樣本戶組G1，G2和G3的基本信息

1 樣本戶住區(qū)G1中的樣本戶分布

2 G1住區(qū)實測數(shù)據(jù)匯總和部分樣本戶和房間溫度曲線T特征分析

2 數(shù)據(jù)分析方法

將溫濕度自動記錄儀中的數(shù)據(jù)（溫度T、濕度RH）按照時間和日期記錄，導(dǎo)出到Excel繪制成溫濕度圖形，并對溫濕度的時空分布特點、用戶熱環(huán)境控制的個性化行為特征進行圖形化識別和比較研究。通過圖形化分析使用者行為模式、生活節(jié)律、溫濕度時空分布、控制設(shè)備操作方式信息，對其用能、使用行為和室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，了解住宅體形系數(shù)、戶型設(shè)計等對室內(nèi)溫度場時空分布的影響，以及功能分區(qū)布局對空間使用模式和分時分區(qū)控制的影響，分析著重關(guān)注冬季采暖季的室內(nèi)溫度分布、影響因素，以及如何通過戶型設(shè)計和采暖設(shè)備控制來提高節(jié)能潛力，最終將戶型室內(nèi)溫度的分時分區(qū)控制與用戶日常生活和習慣、控制模式關(guān)聯(lián)匹配。同時，通過提高建筑圍護結(jié)構(gòu)的性能、控制體形系數(shù)、基于用戶個性化需求進行功能和平面、空間分區(qū)布局安排和調(diào)整，為建筑師提供設(shè)計優(yōu)化依據(jù)，為用戶獲得更舒適、健康和可持續(xù)的室內(nèi)生活環(huán)境提供建議。

樣本戶不同房間的室內(nèi)溫度圖形受到住宅建筑因素（戶型位置、平面、樓層和朝向等）、圍護結(jié)構(gòu)性能參數(shù)（圍護結(jié)構(gòu)K值、窗墻比）、采暖系統(tǒng)因素（集中采暖系統(tǒng)和分戶采暖系統(tǒng)）、用戶生活習慣因素（采暖系統(tǒng)控制模式、日常生活節(jié)律和室內(nèi)活動類型等）的綜合影響。實測數(shù)據(jù)對比顯示，采用分戶采暖系統(tǒng)用戶的熱環(huán)境控制模式和調(diào)節(jié)設(shè)置是個性化的（如設(shè)備的使用持續(xù)時間、強度和頻次）。

在三個樣本戶住區(qū)G1、G2和G3中，樣本戶各個房間的溫度曲線以及所有房間的溫度平均值曲線的圖形特征，能夠反映用戶控制設(shè)備行為的習慣和偏好、住宅圍護結(jié)構(gòu)性能和戶型特點三者的共同作用。配合入戶訪談和問卷獲得更詳細的用戶生活行為習慣和建筑戶型信息，將房間溫度值、樣本戶各房間溫度平均值和住區(qū)所有樣本戶組中各戶房間溫度曲線平均值三條曲線疊加分析，則可以獲得某樣本戶不同房間（起居室、臥室等）的溫度隨時間和空間變化的特征信息，不同房間的溫度變化隨著朝向、太陽得熱和外墻而存在的差異性，以及該樣本戶與其他樣本戶相比的個性化差異（圖3）。此比較分析主要針對樣本戶用能狀況、室內(nèi)熱環(huán)境控制、用戶設(shè)備控制行為、采暖系統(tǒng)比較和冬季室內(nèi)過熱問題。

2.1 住區(qū)集中采暖家庭冬季室內(nèi)溫度過熱問題

我國北方寒冷地區(qū)的城市住區(qū)中，大量采用集中采暖系統(tǒng)，采暖熱源和管網(wǎng)系統(tǒng)對節(jié)能的影響值得關(guān)注。由于這些集中采暖系統(tǒng)的控制和計量都是在熱源端完成，而不是由實際使用的用戶按需要自行調(diào)節(jié)控制，因此，從實測數(shù)據(jù)分析來看，集中采暖和分戶采暖系統(tǒng)的室內(nèi)溫度狀況存在明顯差異，其中，在采用分戶燃氣采暖爐的樣本戶組G1中，用戶可以根據(jù)需要進行溫度設(shè)置和調(diào)節(jié)，對使用過程節(jié)能發(fā)揮著積極作用。

采用分戶采暖系統(tǒng)的家庭，房間溫度T通常由用戶根據(jù)自己的需要控制和調(diào)節(jié)（圖4），分戶采暖家庭組的平均溫度曲線（G1）與集中采暖住區(qū)家庭組（G2）的平均溫度曲線相比有很大不同。在采暖季，G1組的平均溫度是21℃，G2組的平均溫度為24℃，均明顯高于設(shè)計標準的室內(nèi)溫度需求（18℃）。現(xiàn)場調(diào)查和問卷結(jié)果同樣表明，G2組存在室內(nèi)采暖過熱問題，用戶由于無法依據(jù)需要個性化調(diào)節(jié)，因此只能通過開窗來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，對于節(jié)能極為不利。

3 樣本戶室內(nèi)溫度曲線T疊加分析示意圖

4 樣本戶組G1，G2和G3的實測全年室內(nèi)溫度平均值

5 樣本戶組G1，G2和G3的樣本戶一周室內(nèi)溫度曲線

6 采暖期前后過渡季的室內(nèi)溫度曲線

2.2 室內(nèi)溫度變化與生活節(jié)律和氣候變化的匹配問題

在住宅中，用戶偏好使用的活動空間和房間是個性化的，家庭室內(nèi)的活動類型和對熱環(huán)境的需求也是個性化的。實測數(shù)據(jù)分析表明，分戶采暖用戶在控制采暖系統(tǒng)方面更加主動和高效。因此，分戶采暖系統(tǒng)或者在集中采暖系統(tǒng)中引入分戶計量的熱表，都有助于用戶根據(jù)實際需求和日間住宅太陽輻射得熱量的變化來主動調(diào)節(jié)和設(shè)置，通常用戶在白天離家上班期間會調(diào)低溫度，夜間回家再次調(diào)高溫度。通過三個樣本戶組的一周平均溫度曲線的對比（圖5）可知，分戶采暖系統(tǒng)的樣本戶組G1與其他集中采暖的樣本戶組（G2、G3）相比，房間溫度以天為周期的動態(tài)節(jié)律和溫度控制范圍均保持在更小的區(qū)間內(nèi)，根據(jù)太陽輻射的日變化和用戶的生活工作節(jié)律，室內(nèi)溫度值在9∶00am和6∶00pm略微升高，在夜間10∶00pm（睡眠時間）溫度值略微下降，而對于接入集中采暖系統(tǒng)的各個房間來說，房間溫度日變化是同步的且與房間的使用情況無關(guān)聯(lián)。

2.3 采暖季前后過渡期的室內(nèi)熱舒適問題

在市政采暖期前后的過渡期，G2和G3組樣本戶的室內(nèi)溫度有可能低于舒適溫度，如在3月15日北京采暖季結(jié)束后，G2組樣本戶平均室內(nèi)溫度從25℃急劇下降至17℃（圖6），而此時外部氣溫尚未回升。與此同時，在分戶采暖住區(qū)的樣本戶G1組，多數(shù)家庭的采暖爐在繼續(xù)運行，室內(nèi)溫度維持在20℃。

3 樣本戶住宅不同房間溫度的時空變化特征

3.1 戶型A和戶型B的房間室內(nèi)溫度分布特征

樣本戶住宅不同房間的溫度時空變化特征為節(jié)能設(shè)計提供了更多的數(shù)據(jù)支持，通過對G1組兩個典型樣本戶A、B的室內(nèi)溫度場進行詳細的記錄，在起居室和南北臥室三個測點的基礎(chǔ)上，增加了其他臥室和餐廳、廚房、南北陽臺等多個測點，并且以15min間隔記錄溫度變化（圖7）。數(shù)據(jù)顯示，在采暖季兩個典型戶型的室內(nèi)溫度隨室外氣溫變化和太陽輻射狀況而發(fā)生波動，朝南房間的室內(nèi)溫度通常高于其他房間，溫度自南向北逐漸下降1～2℃。這一溫度分布可以通過室內(nèi)空氣流動或設(shè)計空氣循環(huán)通道來調(diào)節(jié)，對南向房間和陽臺獲取的被動式太陽能熱量進行再分配，用作采暖補充。

3.2 朝南房間的室內(nèi)溫度變化特征與差異性

在兩個典型樣本戶A和B中，朝南房間（如起居室和臥室等）的室內(nèi)溫度變化也存在差異，通常不帶陽臺的臥室的溫度波動與太陽輻射有關(guān)，而起居室的溫度變化則受到了相鄰陽臺的影響，陽臺在溫度變化方面起到了緩沖作用（圖8）。

3.3 朝北房間溫度變化與外墻面積的關(guān)系

朝北房間的室內(nèi)溫度變化也存在差異，與該房間的外墻面積和窗戶面積有關(guān)。在樣本戶B中，朝北臥室B2的溫度變化與南向起居室的溫度變化相似，而與之相鄰的臥室B3由于暴露的外墻面積較大，溫度持續(xù)低于B2房間4℃，記錄到B3的室內(nèi)最低溫度為13℃（圖9），已經(jīng)遠低于舒適溫度標準。

7 典型樣本戶A和B的室內(nèi)溫度曲線

8 典型樣本戶A和B的朝南起居室（A0, B0）和朝南臥室（A1, B1）的溫度曲線

9 典型樣本戶B的北向房間室內(nèi)溫度曲線

10 分時分區(qū)控制策略在戶型節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用（典型樣本戶A和B）

4 樣本戶住宅設(shè)計優(yōu)化的解決方案

以上利用實測溫度數(shù)據(jù)對住宅室內(nèi)外溫度時空分布特征和現(xiàn)象的分析結(jié)果，為住宅節(jié)能設(shè)計和采暖系統(tǒng)控制提供了參考。

4.1 適應(yīng)性的室內(nèi)分時分區(qū)環(huán)境控制

在住宅戶型設(shè)計與采暖控制系統(tǒng)的協(xié)同中，引入分戶分區(qū)分室的功能分區(qū)和可調(diào)節(jié)采暖控制系統(tǒng)，有利于從節(jié)能角度使用戶對采暖設(shè)置進行獨立的分時分區(qū)程序化、模塊化控制。在戶型設(shè)計方面進行設(shè)計響應(yīng)，將白天和夜間使用的空間區(qū)域進行劃分，并且進行一定程度的保溫隔離（圖10），將各個房間納入不同的時間空間分區(qū)，從而進行精確、有效的熱環(huán)境控制。

4.2 采暖系統(tǒng)的節(jié)能程序化控制

家庭生活習慣的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，用戶在戶型中特定功能房間的活動具有節(jié)律性與個性化，房間溫度的時空變化曲線也為采暖系統(tǒng)控制提供了參考信息，適應(yīng)房間使用節(jié)律的分時變化和熱環(huán)境分區(qū)控制可以通過程序化、模塊化設(shè)置的控制設(shè)備來實現(xiàn)。例如，模塊化控制可以以一天或一周為周期來設(shè)置開啟模式，也可以通過人員定位裝置（紅外感應(yīng)器或攝像機系統(tǒng)）實現(xiàn)自動控制。

4.3 戶型與太陽能利用系統(tǒng)一體化設(shè)計

在我國北方太陽能富集地區(qū)，冬季太陽輻射得熱是住宅采暖的重要補充，在戶型設(shè)計中加入陽臺、墻體和隔墻、樓地板組成的太陽能采集、蓄熱和分配系統(tǒng)可進行更高效的被動式集熱，利用朝南的墻體和陽光房進行太陽能采集，利用墻體和樓地面進行太陽能貯存，在戶型中利用墻體和樓地板組織空氣循環(huán)通道。結(jié)合南北向各房間溫度場分布的晝夜變化規(guī)律，通過熱量傳遞和分配系統(tǒng)將熱量從朝南的集熱陽臺和墻體傳遞到朝北的臥室和廚房，提高太陽能在整個戶型中的利用潛力。

5 結(jié)論

本文探討了效果導(dǎo)向的實測數(shù)據(jù)支持住宅節(jié)能設(shè)計方法，通過對北京地區(qū)樣本戶的室內(nèi)熱環(huán)境實測數(shù)據(jù)、用能記錄和生活行為方式調(diào)研數(shù)據(jù)采集，以及設(shè)計、用能和行為方式的相關(guān)性研究，為住宅節(jié)能優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。通過實測溫度曲線與圖形化分析，發(fā)現(xiàn)戶型設(shè)計和用戶控制使用中不利于節(jié)能的問題，如采暖季集中采暖住區(qū)的過熱問題、過渡季室內(nèi)熱舒適問題、采暖系統(tǒng)設(shè)置與生活節(jié)律匹配及模塊化控制問題，在此基礎(chǔ)上嘗試對兩個典型戶的設(shè)計優(yōu)化提出建議，同時結(jié)合生活節(jié)律進行分時分區(qū)程序化控制，結(jié)合室內(nèi)溫度分布特征進行太陽能利用和建筑體形系數(shù)控制，基于提高實際節(jié)能效果進行設(shè)計問題診斷和完成精細化設(shè)計。

本次研究受條件限制，主要針對住宅使用過程中存在的戶型設(shè)計問題進行了診斷和分析，并基于實測數(shù)據(jù)分析提出優(yōu)化建議，但目前無法驗證其實際效果。后續(xù)研究如果有條件針對實際項目進行改造測試或?qū)嶒瀸Ρ?，將對戶型設(shè)計起到更直接的指導(dǎo)作用。

課題組成員：劉念雄、程曉青、周正楠、韓孟臻、常海龍、任明、李毅、李煒、楊志芳、李勝英、汪磊磊、陳超、張健、朱莉蓉、仇宏志、張競予、王珊珊、王鑫等。