长沙地区某居住建筑供暖空调能耗调研与实测

段姣姣，张新桥，吴兴应，崔洪源

(湖南城市学院 市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000)

2016 年4 月22 日全球气候变化协议《巴黎协定》签署，中国是重要的参与者和推动者.习近平主席已向世界承诺，中国将于2030 年左右使单位国内生产总值的二氧化碳排放比2005 年下降60%～65%[1].目前我国的碳排放主要来自工业、交通运输业和建筑业，其中建筑业碳排放约为40%，所占比重最大[1].近10 年来，我国住宅建筑面积快速增长，尤其是城镇地区.截至2017年年初，存量住宅面积高达550 亿 m2，且随着人们生活水平的提高，居住建筑供暖空调面积也快速增大.从1995 年到2010 年，我国城镇住宅空调机拥有量从0.09 亿台增加到2.61 亿台，15年间增长了28.5 倍[2].可见，不解决日益增长的居住建筑供暖空调能耗问题，建筑业碳排放下降目标则难以实现.

建筑业能耗取决于气候、技术和行为因素[3].根据建筑热工设计分区，我国主要分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和5 个地区.其中长沙地区属于夏热冬冷地区，其夏季漫长炎热，冬季寒冷.一般5～9 月为炎热期，7 月平均气温最高；11 月～次年3 月为寒冷期，1 月平均气温最低.1年中只有4 月和10 月热舒适性最佳，不需要采取供暖和空调方案；3，5，9 和11 月均需进行不连续供暖与空调方案才能满足热舒适性要求；1，2，6，7，8 和12 月均需进行连续供暖与空调方案才能满足室内热舒适性要求.因此，在一年内，如果住户人员长期在室，供暖和空调设备理想使用率高达83.3%[4].

夏热冬冷地区冷热兼用，集中空调存在一定优势，但由于输配能耗比例大，导致高能耗、低能效；相反，分散空调由于安装、控制、维护等方面存在很大的灵活性，能实现供需之间的良好响应.有研究表明，我国北方住宅集中空调比分体空调能耗高6～10 倍，南方高3～8 倍[5].同时，由于居住建筑存在“部分空间、部分时间”的特点，因此，从能耗和控制来看，分散供暖空调方案优于集中方案[6].分散式空调系统还为行为节能发挥巨大潜力创造了条件[7]，如人员在室情况、空调运行模式、室内温湿度控制等，不同因素组成的行为模式导致建筑供暖空调能耗差异很大[8].一般认为，研究行为节能机理较气候、技术而言，对居住建筑供暖空调降耗更有意义[9].

1 研究对象

长沙市某小区位于岳麓区，有8 栋单体建筑，其中6栋为1梯间建筑，总建筑面积为9 854.51 m2；2 栋为2 梯间建筑，总建筑面积为19 709.02 m2.所有建筑均正南北向，建筑高度均为98.2 m，且均为32 层.建筑户型主要是两居室和小三居，外观和户型见图1.其围护结构参数见表1.

图1 某居住建筑外观、户型及监测实物图

表1 围护结构参数

2 研究方法

本文针对小区居民进行问卷调查，在调研的基础上选取具有代表性的住户进行入户测试，主要测试住户各房间的室内热环境与空调能耗的相关参数.

2.1 问卷调查

为了更好地探讨影响空调能耗的技术和物理因素，尤其是人为因素，有必要对居民进行问卷调查.在调查期间，研究人员留在参与者旁边以确保参与者理解所有问题并全面作出真实的回答，最终获得85 份有效问卷.

2.2 现场测试

由于问卷调查存在主观差异性，故还选取了典型住户进行入户测试.入户测试户型主要有两居室和小三居，测试方案见图1.其中，两居室3个房间和小三居4 个房间均安装了温湿度传感器；2 种户型均只有客厅和主卧安装了空调，且仅在客厅和主卧安装了功率计，与空调插座配合使用.

3 结果分析

3.1 住户在室情况

住户在室情况各不相同，但典型性也较为明显，大致可分为白天长时间有人和无人2 种.白天长时间有人居住家庭的工作日和非工作日在室情况类似，而白天长时间无人居住家庭的工作日和非工作日在室情况差别很大.结合户型统计2种典型在室情况见图2.其中，小三居为白天长时间有人居住的家庭；两居室为白天长时间无人居住的家庭.小三居全年在室率较高，累计在室率在工作日和非工作日均呈现“双U”形状，而两居室累计在室率在工作日呈现“单U”形状，非工作日如果有定点外出习惯则累计在室率呈现“双U”形状，无此习惯在室率较为平均，中午和晚上略偏高.

图2 2 种户型在室率

空调运行模式一般分开和关的驱动因素，包括从不开、进入房间开、感觉热(冷)开、睡觉前开、离开房间关、感觉冷(热)关和入睡前关[10].通过问卷调查，长沙地区某居住小区的空调运行模式统计见图3.图3 中比例表示选择某些答案的参与者人数与给出有效答案的参与者人数的比值.由于极少数住户开关空调模式选择了2 种，如同时选择进入房间开和感觉热(冷)开，导致总开启模式占比之和部分略超过100%.

3.2.1 空调启停模式

由图3 可知，在卧室制冷期，54%的住户感觉热时打开空调，25%的进入房间及23%的睡觉时打开空调，仅有3%的选择不开空调；61%的住户会整晚开着空调，29%的会在睡前把空调关闭，11%的感觉冷时关闭空调.在客厅制冷期，77%的住户会选择进入房间便打开空调，7%的感觉热时才会打开空调，仅有2%的选择不开空调；存在14%的住户由于家里只有客厅1 台空调，因此会选择睡觉时打开空调；与卧室相反的是，58%的住户会选择睡前关闭空调，24%的会选择感觉冷时关闭空调，18%整晚开着空调.在制冷期，卧室和客厅开关空调主要模式均不同.

图3 空调运行模式

在卧室供暖期，47%的住户感觉冷的时候会将空调打开，10%的进入房间时打开空调，37%的从来不开空调，仅有8%的选择在睡前将空调打开；相较于61%的住户夏季整晚开着空调，53%的住户会选择睡前把空调关闭，也存在27%的会选择整晚开着空调，20%的在感觉热的时候会关闭空调.在客厅供暖期，58%的住户会选择进入房间便打开空调，29%的不会开启空调，存在11%的由于家里只有客厅安装了空调，因此会选择睡觉时打开客厅空调，仅有2%的住户感觉冷时才会打开空调.在供暖期，卧室和客厅开启空调最主要的模式不同，但关闭空调最主要的模式相同，均为入睡前关闭.

在相同工况下不同类型房间和在不同工况下相同类型房间，空调的启停模式是截然不同的.空调住户自身感觉是空调开启的重要影响因素，而不是空调关闭的重要影响因素.

3.2.2 空调长时间不运行因素

针对不开空调情况调研其原因，结果见图4.由图4 可知，制冷期76%的住户感觉到不热，认为没必要开启空调，13%的认为开启空调后会导致自身不舒适，仅5%的会由于电费因素选择不开空调，余下6%会因为心理、生理等其他因素不开启空调.而供暖期39%的住户认为冬季不开启空调的原因是觉得不舒适，其次34%的认为不冷，没必要开启空调，还有18%的住户会认为冬季开启空调会导致电费过高，余下9%会因为心理、生理等其他因素不开启空调.从调研结果可知，冬季开启空调概率较夏季明显降低了，原因是冬季开空调不舒适，且供暖工况下空调更为耗电.长沙地区供暖期室外湿冷，供暖需求较大，而空调开启率不高.针对这一现象，进一步对家庭供暖设备进行了调研，数据显示，空调仍是长沙居民最常使用的加热设备，但32%的住户会选择电加热器进行加热.所以，冬季空调能耗不能全面代表冬季供暖能耗.

图4 住户不开空调的原因

3.3 室内热舒适性

3.3.1 制冷期热舒适性

对空调房制冷期温度进行分析，可知空调运行时小三居主卧稳定温度位于26.69～27.55 ℃，平均温度为 27.06 ℃； 客厅稳定温度为26.21～28.35 ℃，平均温度为27.30 ℃.两居室主卧稳定温度位于24.29～25.85 ℃，平均温度为24.62 ℃；客厅稳定温度为28.22～30.89 ℃，平均温度为29.59 ℃.选取典型日温湿度做进一步分析，见图5.根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》(GB/T 50785—2012)[11]，结合在室情况调研数据，主卧23:00～次日 7:00 室内温度较低，小三居为26～28 ℃，基本满足热舒适性Ⅱ级要求；两居室为24～26 ℃，基本满足热舒适性Ⅰ级要求.客厅19:00—22:00 室内温度有所下降，而小三居21:00—次日7:00 室内温度一直位于28℃左右.通过住户回访，可知由于次卧有人居住，但室内未安装空调，客厅整晚开启空调主要目的是给邻近次卧制冷.

图5 制冷期空调房典型日温湿度变化

3.3.2 供暖期热舒适性

对空调房供暖期温度进行分析，可知空调运行时小三居主卧稳定温度为10.28～12.38 ℃，平均温度为 11.48 ℃；两居室主卧稳定温度为13.74～17.83 ℃，平均温度为16.31 ℃.2 住户客厅空调整个供暖期均未开启.选取典型日温湿度做进一步分析，见图6.结合在室情况调研数据，主卧1:00—3:00 室内温度明显升高，且两居室热舒适性明显优于小三居，但整体热舒适性不佳.据住户介绍，晚上卧室睡觉棉被较厚，室内温度要求不高，而白天居家时间不长，客厅一般又有局部加热器，房间空调一般不开启.

图6 供暖期空调房典型日温湿度变化(左：小三居，右：两居室)

3.4 供暖空调能耗

由图7 可知，全年供暖空调能耗主要集中于6～9 月；4，5 和11 月过渡季为待机功率下产生的能耗，可忽略；12～次年3 月供暖期空调开启率很小.小三居主卧全年空调能耗为144.85 kWh，客厅全年空调能耗为285.64 kWh；两居室主卧全年空调能耗为547.50 kWh，客厅全年空调能耗为464.10 kWh.以空调面积为基数，小三居空调能耗指标为6.81 kWh/m2；两居室空调能耗指标为22.18 kWh/m2，不同住户能耗指标差别较大.

图7 全年空调能耗(左：小三居，右：两居室)

4 结论

1)针对白天长期有人和无人居住的住户需分类讨论在室率.白天长期有人居住的住户其工作日和非工作日在室情况类似；但无人居住的住户差别很大.工作日累计在室率柱状图呈现“单U”状，非工作日呈现“双U”状.结合能耗监测数据，某时刻在室率较大且长时间稳定，制冷期空调一般处于开启状态.

2)不同房间、不同工况的空调运行模式存在一定差异.其中卧室空调驱动因素一般以环境为主，客厅则以事件为主.制冷期卧室空调整晚开着的概率高达61%，而供暖期此概率仅为27%.制冷期从不开启空调的概率卧室和客厅分别为3%和2%，而供暖期从不开启空调的概率高达37%和29%.

3)住户自身感觉是空调开启的重要影响因素，但不是空调关闭的重要影响因素.制冷期一般离开房间关闭空调，但供暖期卧室一般入睡前关闭空调.

4)虽然空调是长沙居民最常使用的加热设备，但32%的住户会选择电加热器进行加热.由此可知，冬季空调能耗不能全面代表冬季供暖能耗.

5)制冷期住户室内热环境明显优于供暖期.制冷期小三居和两居室卧室平均稳定温度分别为27.06 和24.62 ℃，客厅为27.30 和29.59 ℃；供暖期小三居和两居室卧室平均稳定温度分别为11.48 和16.31 ℃，且客厅一般不开启空调，住户卧室通过棉被，客厅通过局部加热器等维持人体热舒适性.

6)住户全年供暖空调能耗主要集中在6～9 月，其中8 月最大，但不同住户能耗差异较大.典型住户供暖空调能耗指标分别为6.81 和22.18 kWh/m2.