基于住户用能行为特征的农宅能耗模拟研究

周宇飞，申绘芳，易子浩，倪一飞（浙江农林大学土木工程系，浙江 杭州 311300）

从“十九大”以来，农村住宅的节能工作一直是新农村建设工作的重要组成内容之一。但是，我国的农村住宅节能工作开展依然进度缓慢。根据前期调查得知，已有农村住宅多数未严格采取节能措施，外围护结构的保温隔热性能差，采暖制冷效率低，从而导致建筑耗能巨大[1]。浙江省新农村建设中农宅的全生命周期各阶段所消耗能耗所占比重各不同，其中，建筑运行维护及更新阶段所消耗的能耗最多，为 62 %，而建筑运行维护及更新阶段所消耗的能耗大都由不同住户用能行为所引起[2]。因此，根据住户的用能行为研究农宅能耗研究可为相关能源政策的制定提供有力的理论依据和基础数据，对推动建筑节能减排工作将具有重要的现实意义。

1 调查方法

前期研究成果发现，在浙江省农宅的全年使用能源消耗中，夏季的用电量占了全年用电量的 43.71 %，冬季的用电量占了全年用电量的 29.15 %，冬季的能耗远低于夏季。因此，在考虑节能减排的措施时，主要以夏季的节能减排为主[3]。

为模拟农宅能源消耗的过程，选取浙北地区的杭州市和浙西地区的衢州市等部分乡镇开展了关于住户用能行为的数据调研。在所调研的乡镇中，采用实地入户走访和问卷调查相结合的方式，重点调查了农宅住户夏季空调的用能行为，以期获得其夏季用能行为特征，从而进行典型性农宅的空调能耗模拟，进一步具体研究不同建筑环境因素对建筑能耗的影响。

问卷调查的主要内容包括家庭的基本信息、农宅的建筑信息、家庭的用能信息、住户的夏季降温设备的使用、住户通风习惯等用能生活方式。

2 调查数据分析

2.1 农宅的基本信息

本次调查采样了浙江省杭州市和衢州市的独栋农宅，共计 28 户。农宅的建筑面积多在 200 m2以上，此类占样本数的 79%。建筑的朝向以南北向为主，此类占样本数的 96%。户型结构多为四室二厅，此类占样本数的 59%。家庭人口结构多为 3 ～ 6 人，此类占样本数的 93%。

2.2 住户用能行为分析

所调研的衢州市村镇在夏季降温期中，42% 的农户在 6月开始使用降温设备， 42% 的农户选择在 7 月开始使用降温设备。有 83% 的用户选择在 9 月结束使用降温设备。常用的降温设备为电空调和电风扇，但是电空调并非处于始终开启状态。其中，50% 的农户电空调使用时长为 5 ～ 8 h/d，55% 左右的农户空调开启行为是“觉得热了开，人离开房间就关”。夏季天气炎热，一般 14:00 时室外温度达到最高点，早上和夜晚温度较低。但因农户白天需外出劳作，居家时间短，且为节约电费而选择忍受，只有到了夜晚，成员基本都回家时才会选择开启空调以保证舒适的睡眠环境。92%的农户对降温方式表示满意。在寒冷季节，有 33% 的农户选择在 12 月开启采暖设备，25% 的农户选择在 1 月开启采暖设备，42% 的农户选择 3 月结束使用采暖设备。常用采暖设备为电暖器、电热毯等，偶尔选择开空调。50% 的农户对采暖方式表示满意， 42% 的农户表示采暖方式的满意度一般。

杭州市村镇在夏季降温期中， 44% 的农户在 6 月开始使用降温设备， 44% 的农户选择在 7 月开始使用降温设备，83% 的用户选择在 9 月结束使用。常用的降温设备为电空调和电风扇。其中，67% 的农户电空调使用时长为 5～ 8 h/d。44% 左右的农户选择“觉得热了开，人离开房间就关”，31% 的农户选择“感觉热了开，过一会室内凉快了就关”。大部分人们对降温方式表示满意。在冬季采暖期， 38% 的农户在 12 月开启采暖设备，37% 的农户 2 月结束使用供暖设备，31% 的农户常在 3 月结束采暖。常用采暖设备为壁挂空调、电热毯等。58% 的农户表示对采暖方式满意， 33% 的农户表示采暖方式的满意度一般。

3 住户用能行为影响农宅能耗模拟分析

3.1 研究方法

选取杭州市（浙北地区）和衢州市（浙西地区）的典型性户型农宅为载体，结合上述数据分析结果所得住户的用能行为特征，利用能耗模拟软件全年负荷计算及能耗分析，对实体住户的能耗进行模拟。

所选农宅 a 为杭州地区的农宅， 2010 年建成，住宅户型为三室一厅，建筑面积为 124 m2。所选农宅 b 为衢州地区的农宅， 2004 年建成，住宅户型为二室一厅，建筑面积为 83 m2。农宅的平面图如图 1 所示。

图1 农宅平面图

3.2 模拟参数设置

（1）气象参数设置。在进行能耗模拟研究时，选取Chinese Standard Weather Data（CSWD）气象数据库中浙江省衢州市、杭州市气象文件进行气象参数的输入。CSWD 数据是以中国气象信息中心气象资料室收集的全国270 个地面气象站，基于 1971 ～ 2003 年的实测气象数据编制而成，其可为建筑热环境及其控制系统的设计和动态模拟分析提供全面可靠的基础气象数据[4]。因此该气象文件可较好地反映浙江省内地区的气候特点，并为获得较为理想的模拟结果提供了一定保障。

（2）围护结构参数设置。模拟建筑围护结构材料的信息如表 1 所示。

表1 模拟建筑围护结构信息汇总

（3）建筑分区用途参数设置。选用常见的家用分体式空调作为夏季制冷降温设备。外窗遮阳则根据建筑物实际选用的遮阳措施进行具体的设置。不同于其他一些能耗模拟软件只需使用遮阳系数进行遮阳措施的设置方式，某全年负荷计算及能耗分析软件的这一处理方式使得遮阳措施对模拟对象能耗的影响更加接近于实际情况。

（4）用能行为参数设置。根据上述用能行为特征的分析，对农户的夏季用能行为相关的参数进行一般常用模式设置，具体的电空调相关参数设置如表 2 所示。

表2 卧室的空调开关和通风行为的参数设置

3.3 模拟结果分析

（1）区域差异对能耗的影响。根据以上参数设定，利用某全年负荷计算及能耗分析软件进行农宅的能耗模拟。结果数据显示，杭州地区的农宅全年能耗为 3.924 4 kWh/m2。其中，夏季能耗最高为 8 月 1.126 0 kWh/m2。衢州地区的农宅全年能耗为 5.007 4 kWh/m2，其中，夏季能耗最高为 7月，即 1.616 4 kWh/m2。以上模拟能耗数据基本上与实际用电量相差不大，可反映农宅的实际能耗用量。

（2）楼层和朝向的差异对能耗的影响。根据以上参数设定及能耗分析软件的结果，选取衢州地区的农宅能耗数据进行具体研究，对同一建筑物同一位置的不同高度卧室的能耗数据进行对比。结果数据显示，随着楼层高度的增加，在相同的面积下，其分区温度也在不断上升，导致其冷负荷也相应增加。选取杭州地区的农宅能耗数据进行具体的研究，对同一建筑物同一楼层的不同朝向卧室的能耗数据进行对比。结果数据显示，在面积相似的情况下，窗户朝南的卧室自然室温会明显高于朝北的卧室，即使是在夜晚其分区温度差异也较大。这与白天阳光的照射有直接关系，直接造成其冷负荷显著地增加。

（3）围护结构用材差异对能耗的影响。在前期的研究中发现围护结构用材对建筑的能耗有着显著的影响[5-7]，这在本研究中也得到了验证。选取衢州地区的农宅，设置不同的围护结构材料（分别为多孔砖和加气混凝土砌块），其他设置参数都不变，结果数据显示如表 3 所示。在该农宅中，照明设备的全年能耗不变，但空调设备的能耗却有较大变化。采用加气混凝土砌块为外墙主要材料的农宅夏季能耗只是采用多孔砖为外墙材料的农宅夏季能耗的 72.22 %，显著减少了 27.78 %，节能效果较为明显。

表3 杭州地区农宅的不同围护结构用材的（卧室）冷负荷表

（4）差异原因分析。对比以上浙北和浙西地区的农宅能耗数据，分析得到产生能耗差异的原因如下所示。① 区域及气候差异，特别是夏季。衢州地区全年平均气温为 16.3～ 17.4 ℃，夏季平均气温为 27.6 ～ 29.2 ℃，夏季最高气温为 41.8 ℃，夏季高温天数 40 ～ 55 d。杭州地区全年平均气温为 15.9 ～ 17.0 ℃，夏季平均气温为 19.0 ～ 27.0 ℃，夏季最高气温 39.8 ～ 42.9 ℃，夏季高温天数 40 ～ 55 d。②住户用能行为差异。衢州地区的空调开关时长少于杭州地区1 h 左右，衢州地区的空调设定温度高于杭州地区，衢州地区在空调关闭后的通风换气次数高于杭州地区。③ 农宅的楼层及房间布置差异。杭州地区农宅的卧室南北朝向均有，且数目一致。衢州地区农宅卧室朝南的数量高于朝北的数目。④ 外围护结构用材差异如表 4 所示。

表4 衢州地区农宅外围护结构用材差异

外墙传热系数 K 值对建筑室内热环境与建筑能耗有显著的影响。外墙 K 值越小，全年单位耗冷量、全年单位耗热量以及全年单位总耗量越小，采暖与制冷度小时数越少（南向除外）[8]。

4 结 语

（1）分别对衢州市、杭州市某农宅同一建筑物同一位置的不同高度卧室进行对比。调研结果显示，虽然不同区域建筑的面积、划分不同，但在一栋建筑中层数越高，区间温度越大，预测冷负荷越大。对同一建筑物同一高度的不同位置卧室进行对比。调研结果显示，面积相似的情况下，窗户朝阳的卧室自然室温在白天会高于北部的卧室。经过统计可知，农村住宅中，1 F 常是活动场所，2 F 及以上常为居住场所。一栋农宅的卧室相对较多，一般窗户朝南、北的卧室都有。因此，在修建农宅的时候建议农村建筑住宅卧室相对富余的情况下，在夏季选择层数较低、窗户朝北面的卧室居住，由此，夏季空调能耗会相对较低。

（2）通过分析图像可知，同一建筑如果采用不同的外墙材料将会导致能耗不同。以砖墙和加气混凝土墙为例，在相同建筑中，照明、设备的全年能耗不变，但空调能耗中加气混凝土外墙能耗只有砖墙全年能耗的 72.22 %。因此，建议在修建农宅外墙时尽量选择加气混凝土墙等能尽量减少能耗的材料。