基于系统动力学的住宅能耗分析

狄晨华

【摘 要】本文在住宅建筑能耗影响因素基础上，构建建筑能耗的系统动力学模型，寻找住宅建筑能耗的规律。通过调整住宅建筑能耗的不同参数，观察其对整个住宅建筑能耗的影响，从而提出降低住宅建筑能耗、改善建筑用能、促进住宅建筑节能的可行性政策和措施。

【关键词】住宅；建筑能耗；建筑节能；系统动力学

0 前言

中国是能源大国，也是能耗、能需大国。在中国高速发展的过程中，建筑业是我国国民经济中的一个重要支柱产业。目前，我国建筑能耗已经突升到我国总能耗的30%左右，并呈现逐年上升的形式。而在这其中，住宅能耗又是极其重要且与人们生活最为相关的一部分，因此，住宅建筑的节能工作是整个建筑节能的管理重点。

能源问题的紧迫性，使得住宅建筑能耗亟待科学详细的分析研究。陆莹莹[1]等介绍了家庭能源三种主要消费分析方法的发展及共同的模型基础——投入产出模型，并就家庭能耗影响因素和国别差异进行了分析，指出家庭能源消耗可能是我国能耗消费的增长点。孙娟等[2]研究了上海不同年代住宅能源消费现状及特点，分别对20世纪80年代及2000年后两住宅小区的居住建筑概况、生活方式、对热环境的评价及能耗情况进行了调查。王海宁等[3]以陕西省为例，运用系统工程理论分析能源消费的影响因素，对未来一段时期内能源消费、大气污染物排放量等进行了预测。目前，住宅建筑能耗的研究大多集中在对于统计方法的归纳、能源消费结构的分析、现有住宅的实证对比等方面，缺乏对住宅能耗的系统性分析。出于以上考虑，本文采取系统动力学方法对影响住宅能耗的众多变量进行系统性研究。系统动力学（System Dynamics，简称SD）是由美国麻省理工学院的J.M.Forrester于20世纪50年代提出的一种研究复杂系统的方法。它针对实际系统中存在的问题，从系统的整体观出发，充分估计和研究其影响因素，不回避复杂性，特别注重研究系统内部的非线性相互作用、协同以及延迟效应等问题。

本文以住宅建筑为研究对象，通过系统动力学方法，运用Vensim PLE软件，对影响住宅能耗的众多变量进行动态性分析和预测，寻找住宅建筑能耗规律，探讨降低住宅能耗、促进建筑节能的可行性政策和措施。

1 系统动力学模型的建立

1.1 系统总流图的确定

根据分析研究和查阅相关文献[4-6]，影响住宅建筑能耗的主要因素可以归纳为若干个子系统，分别是电能耗子系统、燃气能耗子系统、家庭情况子系统、经济发展子系统。每个子系统包含各自的影响因素。通过对各个子系统精细的分析，将这些互相影响的次级系统组合，得到整个系统的流图（图1）：

1.2 子系统关系式的确立

将模型细化到典型家庭住宅的层面，进一步分析和构建，添加辅助变量关系和函数表达，对各子系统进行进一步细化分析并得出关系式。由于系统较复杂，关系式较多，在此仅以空调能耗子系统和照明能耗子系统为例。

（1）空调能耗子系统

1.3 模型有效性的检验

根据上海统计年鉴[10-14]及对一些网络信息的总结后，计算得到上海居民用电和用气的估计值，以2004-2006年的数据为基准值，采用系统动力学模型对2007-2009年的户均用电、用气量进行仿真模拟，得到的结果如表1所示。可以看出，不论是户均用电量还是户均用气量，误差都非常小，证明了模型的适用性。该模型可以进一步用作分析和预测工具。

2 仿真、预测与综合诊断

2.1 在既定参数下的模拟

根据相关调研结果，以中等收入家庭（家庭月收入在一万到两万元的区间内）作为典型家庭特征样本，运用系统动力学模型，对住宅建筑的能耗状况进行仿真模拟，模型中的相关调整因子和系数，由2004年至2009年的统计年鉴中的相关数据计算分析取值，得到的结果如表2所示。根据表中数据可以看出，随着城市经济的发展，家庭收入逐年增加，能源消耗量也呈逐年上升的趋势。

2.2 调整相关参数的模拟

2.2.1 空调能耗模拟

调整建筑的窗墙比、外墙传热性能、通风、朝向等影响因素，见表3。观察空调能耗的变化，调整前后的空调能耗对比情况如表4所示。可以看出，每个影响因素的微量改善，能带来的节能效果却是非常明显的。如果再对影响因素做进一步的改善，节能效果很有可能达到50%。

2.2.2 家庭能源消费模拟

通过模型预测一个处于中等普通生活水平的家庭每年的能耗开支（按照电费0.6元/kW·h，天然气2.5元/m3计算）。在家用电器中，用一部分电器代替用气设备，如用电热水器代替燃气热水器。取电、燃气替代因子为0.1，可以得到调整前后的能耗开支，见表5。可以看出，用电磁炉替代燃气灶、用电热水器替代燃气热水器，是不节能也不经济的。

3 结论与建议

通过以上分析，上海典型家庭各类能耗（电能耗、燃气能耗）随着经济增长呈现逐年上升趋势。住宅建筑能耗需求的不断增长和能源紧缺趋势是不可避免的，我国政府应该加强节能教育和宣传，大力推进节能措施。

空调能耗始终是住宅建筑能耗中一个重要部分。空调用户应该养成良好的用能习惯，支持节能产品；厂商需不断开发新的绿色设备；政府对空调使用方面的激励政策也可进一步做细。改善住宅建筑参数（包括窗墙比、通风、朝向等）有利于空调能耗的降低。政府可以在住宅建筑设计阶段就加入相应的能耗要求，强化绿色住宅建筑规范。在家庭生活中，用电代替燃气虽然可以带来一些方便，但是在节能和家庭开支上都是不划算的。

【参考文献】

[1]陆莹莹，赵旭.家庭能源消费研究述评[J].水电能源科学，2008，26（1）：187-191.

[2]孙娟，李振海，伍星，等.上海市不同年代住宅小区能源消费调查与分析[J].制冷空调与电力机械，2009，30（1）：86-89.

[3]王海宁，薛惠锋.能源消费需求的系统动力学建模与仿真——以陕西省为例[J].系统仿真技术，2010，6（2） ：158-163.

[4]Lenzen M，Dey C，Foran B.Energy Requirements of Sydney Households.Ecological Economics，2004，49：375-399[J].

[5]Biesiot W，Noorman K J.Energy Requirements of Household Consumption，A Case Study of the Netherlands.Ecological Economics，1999，28：367-383[J].

[6]Vringer K，Blok K.The Direct and Indirect Energy Requirements of Households in the Netherlands[J].Energy Policy，1995a，23（10）：893-910.

[7]侯余波，付祥钊.夏热冬冷地区窗墙比对建筑能耗的影响[J].建筑技术，2001，32（10）：661-662.

[8]李玉云，陈国鸣.围护结构对中央空调能耗的影响[J].武汉科技大学学报（自然科学版），2003，26（3）：256-258.

[9]简毅文，江亿.窗墙比对住宅供暖空调总能耗的影响[J].暖通空调，2006，36（6）：1-5.

[10]上海市统计局，上海统计年鉴[M].中国统计出版社，2006.

[11]上海市统计局，上海统计年鉴[M].中国统计出版社，2007.

[12]上海市统计局，上海统计年鉴[M].中国统计出版社，2008.

[13]上海市统计局，上海统计年鉴[M].中国统计出版社，2009.

[14]上海市统计局，上海统计年鉴[M].中国统计出版社，2010.

[责任编辑：王楠]