基于住户环境需求与环控行为的寒冷地区低碳住宅环控策略探讨——青岛某绿色住宅和被动住宅对比分析

■ 王 鑫 WANG Xin 张晓娜 ZHANG Xiaona 尹士锋 YIN Shifeng

0 引言

根据我国“双碳”目标和《能源生产和消费革命战略（2016—2030）》等纲领性发展文件，实施能源消费、碳排放总量和强度双控工作迫在眉睫。建筑业是社会三大用能部门（工业、交通、建筑）之一。目前，中国建筑建造和运行能耗已占到全社会总能耗的33%，与全球比例接近，建筑运行能耗占全社会总能耗的22%；与此同时，建筑运行能耗强度仍低于全球平均水平，无论是人均建筑能耗还是单位建筑面积能耗均低于发达国家[1]。此外，近年来，我国建筑用能和碳排放总量增长迅速，随着经济发展和城镇化建设，未来该指标还将进一步提高，建筑节能减排工作形势严峻[2]。当前，在满足居民日益提高的建筑环境质量需求的同时，合理约束建筑环控能耗和碳排放的总量增长势在必行。

自1986 年建设部开展建筑节能工作以来，一直遵循先严寒、寒冷地区，再夏热冬冷地区，最后夏热冬暖地区，和先居住建筑后公共建筑的节能工作推动顺序。统计结果显示：经过30 余年的努力，北方城镇住宅供暖能耗强度持续降低，2008—2019年间，平均单位建筑面积供暖能耗从187 kWh/m2降 至114 kWh/m2。供暖能耗强度降低的主要原因包括：建筑围护结构保温水平的提高、高效热源方式占比提高，以及供暖运行管理水平的提高[1]。然而，当建筑围护结构的热工性能、建筑系统的能效标准提高到较高水平后，进一步提高硬件标准，建筑节能效益将呈下降趋势[3]，住户的环控行为将对住宅能耗产生越来越显著的影响。另一方面，环境品质提升的可感知度、投资收益的模糊性、增量成本的投资回收期的不确定性等因素，影响着绿色低碳住宅的市场供给和消费动力，成为制约被动房等新型住宅规模化发展的关键要素[4]。实际上，住户是居住活动的核心要素，其环控行为直接影响到室内环境质量和实际建筑能耗。建筑的高性能运行是实现节能减排的关键，而高性能的设计方案不一定代表高性能的运行表现。技术系统的集成问题和缺乏对使用者行为影响的考虑，是节能技术在运行阶段未充分发挥作用的主要原因[5]。

绿色住宅、被动住宅是我国当前高标准住宅的代表，二者在外围护结构热工性能、环控设备能效、系统运行方式以及环境质量目标等方面各有优势。2021 年，在前期探索性建设基础上，笔者团队选取青岛中德生态园内已建成运行3～4 年时间的绿色住宅和被动住宅作为研究对象，通过现场测试发现并总结存在的环境问题，对比分析两类住宅的环境品质和能耗情况，最后均衡节能减排计划和健康舒适环境的民生目标，从用户环境需求和环控行为角度，探讨适应寒冷地区城镇住宅的低碳环控设计策略。

1 建筑概况与测试方案

2 幢测试住宅位于青岛中德生态园内，为我国城镇住宅中常见的中高层集合住宅形式，其中测试住宅1（下文简称绿色住宅）为国家二星级绿色建筑，测试住宅2（下文简称被动住宅）满足德国被动房研究所（Passive House Institute， 简 称PHI）的被动房认证标准。建筑主要围护结构及设备系统情况见表1。

表1 测试建筑外围护结构主要构造及设备系统一览表

测试选取两建筑中非顶非底的中间户，绿色住宅房间代码HY，被动住宅房间代码GY。两住户同为某建筑科技公司员工，具有相似的生活起居规律，并了解相应设备系统的运行要求，测试期间按照正常生活规律、设备系统操作标准运行。

实地测试方案针对住宅套型平面特点，每户选择了南、北及中间3 处典型位置测试点（图1、2），以获得比较全面、完整的室内环境质量分析数据。其中，南、北测点测试温度、湿度数据，中测点测试室内空气质量和热舒适度。

图1 绿色住宅套型平面及测试点位置

图2 被动住宅套型平面及测试点位置

测试时间分别选择供暖季最冷时间段（2021 年1 月大寒日前后）、过渡季（2021 年5 月下旬）、制冷季最热时间段（2021 年8 月大暑日前后）3 个典型时间段。根据天气情况，三段测试期分别进行了5～7 天的连续测试，然后选择具有代表性的连续2 天（包括晴天、多云或阴雨天气状况）的数据进行统计分析。具体环境测试仪器与测试参数如表2 所示。

表2 测试仪器与测试参数

2 测试结果分析

在各季节测试数据中选取其中连续2 日典型天气测试数据，采用SPSS统计分析软件分别对典型季节室内外温度、湿度、室内空气质量（CO2含量）、预计平均热感觉指标（predicted mean vote，简称PMV）、预计不满意 者 百 分 数（predicted percentage dissatisfied，简称PPD）等测试数据进行对比分析。分析内容包括各季测试数据的平均值、极值、中位数、标准差、极差等。

2.1 典型季节温度、湿度和空气质量

统计各测试期内典型天气的连续48 h 温度、湿度和CO2含量测试结果的平均值和标准差（表3），对比分析统计结果得出以下评价。

（1）被动住宅各季节实测室内温度、湿度以及稳定性均优于绿色住宅，尤其是在供暖季和制冷季。测试与计算结果显示出被动住宅高性能的外围护结构和设备系统具有更好的热湿环境调节能力。

（2）从室内空气质量测试结果平均值来看，由于被动住宅主要使用机械通风系统，在大多数测试时间内，其具有更好的空气质量和湿度环境；但在制冷季期间，被动住宅室内CO2含量平均值高出绿色住宅45.7%，且极大值和极小值均高于绿色住宅，但标准差低于绿色住宅22.8%，显示出测试被动住宅的机械通风系统在青岛地区夏季制冷工况下的运行局限性。

2.2 典型季节温度、湿度、空气质量和热舒适度对比

将温度、湿度、CO2含量等测试数据分别绘制为箱线图（图3～5），描述各变量测试数值的分布特点，包括中值（即中位数，箱线图的中间位置数值）、极值（上端为极大值，下端为极小值）、四分位置（箱体下端位置为25%分位数，箱体上端位置为75%分位数）。箱线图可以直观地反映出各季节室内热湿环境和空气质量的变化情况。

图3 典型季节温度测试结果分析箱线图

2.2.1 室内温度对比

典型季节温度测试结果分析如图3 所示。

得益于被动住宅系统的完全自控（如供暖制冷时间、温度等），被动住宅在供暖季和过渡季的室内温度中位数均高于绿色住宅，制冷季低于绿色住宅，且被动住宅各季室内温度极差均小于绿色住宅。被动住宅显示出更好的常年热环境稳定性。

绿色住宅为自然通风建筑，受用户行为习惯和适应性热舒适因素的影响，相应热舒适温度耐受范围有较大程度的拓宽[6]。测试结果显示，在空调间歇运行模式下，制冷季绿色住宅的室内温度中值明显高于被动住宅，在供暖季略低于被动住宅。根据PHI的建议，被动房设计不考虑夏季适应性舒适模型[7]，测试被动住宅在制冷季测试期间采用PHI 推荐的全时全机械通风运行模式，室内设定温度相对较低，室温极差仅有0.5℃，热环境稳定性很高。

2.2.2 室内湿度对比

典型季节湿度测试结果分析如图4 所示。

图4 典型季节湿度测试结果分析箱线图

在供暖季室外空气湿度中值43.08%的背景下，被动住宅供暖季的室内湿度平均值、中值均高于绿色住宅，更接近舒适湿度范围，说明被动住宅低温风热供暖末端方式比绿色住宅的热水对流辐射供暖末端方式对湿度的调节更有利。但被动住宅和绿色住宅的室内湿度中值均偏低，冬季供暖工况下应注意加湿。

在过渡季，根据被动住宅使用手册操作指南建议，测试被动住宅采用机械通风为主的通风方式，测试结果显示，其室内湿度环境亦优于绿色住宅。

在制冷季测试期间，室外空气湿度中值为78%，采用自然通风、间歇制冷方式的绿色住宅室内湿度中值为75.5%、75.9%，采用机械通风、连续制冷方式的被动住宅室内湿度中值为60.2%、60.8%，被动住宅的湿环境具有更高的舒适度。

2.2.3 室内空气质量对比

典型季节室内空气质量测试结果分析如图5 所示。

图5 典型季节室内空气质量测试结果分析箱线图

在供暖季室内密闭情况下，被动住宅的机械通风系统有效地提高了室内空气质量，其CO2含量的均值、中值、极值以及极差均明显低于绿色住宅。测试发现，在三餐部分时间段，绿色住宅的CO2含量最高达到0.128%，空气质量超出了《室内空气质量标准》（GB/T 18883—2002）规定的限值，显示出在供暖季密闭情况下部分时间换气量不足。

在过渡季，两处住宅CO2含量平均值接近，但被动住宅的CO2含量及波动幅度均低于绿色住宅。

在制冷季，实测结果显示，被动住宅CO2含量的均值、中位数、极值均高于绿色住宅。分析原因可能是由于被动住宅采用新风冷热一体机系统，夏季系统根据冷负荷调节送风量，青岛地区夏季相对较低的气温以及被动房外围护结构较好的隔热性能，造成新风风量和冷负荷风量不匹配，从而导致新风换气量不足。

2.2.4 热舒适度对比

本测试选取PMV、PPD作为热舒适度指标。其中，PMV指标根据人体热平衡方程式，从心理生理学主观热感觉的等级出发，综合考虑了人体热舒适感的诸多相关因素，是人群对于热感觉等级投票的平均指数；PPD指标是人群对于热湿环境不满意的预计投票平均值。将二者结合可以更好地评价室内环境的热舒适度。测试采用符合《民用建筑室内热湿环境评价标准》（GB/T 50785—2012）附录E 中PMV、PPD计算标准的建通室内环境综合测试仪。

根据测试住宅的使用方式，依据美国采暖、制冷与空调工程师协会《人居热环境条件》（ASHRAE Standard 55—2010）标准，在冬夏供暖制冷测试期间采用人工热湿环境热舒适标准，过渡季测试期间采用自然通风热湿环境适应性热舒适标准。由图6 中PPD、PMV变化趋势可以看出：无论冬、夏还是过渡季，被动住宅的PPD、PMV计算指标均显示出相对更高的舒适度和低波动性。

图6 典型季节热舒适测试结果折线图

3 环控能耗对比

本项目测试的被动住宅设置了楼宇能耗监测系统，测试绿色住宅采暖能耗数据同热力公司提供的本区域内普通绿色住宅供暖能耗数据，环控能耗对比结果显示如下。

在2021—2022 年 供 暖 季，区域内18 处市政热水集中供暖居住小区同类型住宅年度单位面积（使用面积）平均制热量为120.45 kWh/m2，同期测试被动住宅29 户住户（全楼共36 户）供暖期平均环控能耗（包括制热、新风能耗，按使用面积计算）为23.70 kWh/m2，被动住宅的冬季单位供暖能耗比本区域市政热水集中供暖住宅降低了80.3%。

由于项目测试的绿色住宅没有单独计量空调电耗，因此月度电耗强度采用环控能耗拆分方法做对比。图7为2021 年度测试住户的月度单位使用面积电耗强度图，以制冷季（7—8 月）、供暖季（11—3 月）前后各2 个月的电耗强度平均值为基准电耗（图7 中红色标线数字），来统计制冷季、供暖季环控电耗强度增量。

表4 计算结果显示：由于绿色住宅无冬季供暖电耗，被动住宅冬季电耗强度增量比绿色住宅高出114.19%；夏季制冷期间，被动住宅电耗强度增量仅比绿色住宅高出13.99%，显示出测试被动住宅在青岛地区（寒冷气候II 区）具有良好的气候适应性。

表4 供暖季、制冷季电耗强度增量对比

4 寒冷地区低碳住宅的环控策略探讨

4.1 地方气候适应性

被动房具有高保温、高气密性的建筑构造特点，以寒冷地区北京为例，被动房冬季供暖能耗降幅显著，夏季制冷能耗降幅相对较低[10]，类似的情况亦出现在夏热冬冷地区[6]。受气候差异的影响，寒冷地区山东主要城市的夏季供冷需求明显高于德国的夏季供冷需求[11]。在需要同时考虑冬季保温和夏季隔热散热的情况下，强调高保温性能的被动房围护结构，其热工性能指标是否适用本地区，需要深入探讨。

青岛市位于东亚季风气候区，兼具海洋性气候和大陆性气候特点：夏季湿热多雨，气温的日较差较小，呈现出海洋气候的特征；冬季在东北亚大陆季风高压冷气团控制下，气候干燥，寒冷多风，呈现出大陆性气候的特征。青岛市年平均气温12.3℃；年内以1 月份最冷，月平均气温-0.9℃；8 月份最热，月平均气温25.3℃。一年之内，青岛市最高气温大于30℃以上的平均日数为11.8 d，其中有9.4 d 集中在7—8 月。青岛市冬季采暖期室外平均温度0.9℃，采暖期天数110 d，采暖期度日数1881。对于兼有冬季供暖、夏季制冷需求，特别是夏季显热负荷较低而潜热负荷相对较高的青岛地区，后续被动房建设有必要根据PHI 被动房认证标准中围护结构热工指标进行气候适应性调整，以及深入探讨系统的冬夏分控、热湿分控技术方案。从被动措施和主动措施两方面入手，协同考虑，提高被动房的地区气候适应性。

4.2 住户行为适应性

当前，建筑节能工作和评价考核工作主要聚焦于建筑围护结构和集中能源系统，对于主要由使用者行为决定的建筑用能并没有管控手段[2]。对于城镇住宅而言，建筑所有者、使用者主要为居民个人，目前尚无任何能够直接约束居民用能行为的行政措施，主要依靠能源价格机制来引导居民行为节能。

同PHI 被动房认证标准中24 h连续运行的使用建议不同，我国住宅用户多习惯于“部分时间、部分空间”的空调运行模式，并有开窗通风的习惯，这与德国被动房的高气密性、系统的连续运行模式的要求相矛盾。项目测试被动住宅小区住户问卷调查显示：88.9%的住户希望在过渡季开窗通风，在供暖季和制冷季，仍有11.1%的住户希望能够开窗通风。项目实测发现，在满足住户主观舒适度的前提下，自然通风、间歇运行的绿色住宅空调房间的室内温度比被动住宅提高了2.2℃，达到27.5℃。相似的调查结果亦出现在夏热冬冷地区 [8]和寒冷地区[9]，在冬季无供暖工况下，寒冷地区被动房住户实际可接受温度下限比供暖工况降低1.93℃，住户的热环境适应性增强[9]。在由住户自主控制供暖制冷的工况下，可以适度延长过渡季时间，达到行为节能效果。

如何在适应住户的居住习惯基础上，引导住户的绿色居住行为，达到行为节能目的？这要求被动住宅设计中应充分考虑被动措施与设备系统的分时协同运行策略，进一步提高主动、被动技术措施的用户自主控制的灵活性。

冬季供暖能耗是寒冷地区城镇住宅的主要环控能耗。从寒冷地区非节能住宅到“三步节能”住宅，建筑围护结构保温性能、气密性的差距造成单位面积耗热量的巨大差别。目前，市政热水集中供暖方式是寒冷地区城镇住宅的主要供暖方式，由于北方城镇集中供热制度在设立之初带有一定的社会福利性质，目前，以盈利为目标的供热企业很难主动承担低标准住宅的耗热增量成本，这导致北方集中供热分户计量、按需收费改革难以推进[1]。同绿色住宅相比，被动住宅提供了更高的建筑服务水平，以及系统运行的灵活性，更好地满足了住宅用户的个性化环控需求（包括环境指标、运行时间等）。

基于住户居住行为规律和环境需求的多样性化和复杂性，按照何种方式营造室内环境是实现建筑低碳发展目标的一个基本问题。在当前我国大量住宅“部分时间、部分空间”的节约型系统运行习惯下，注重被动环控措施，发展与居住生活方式相适应的建筑形式（包括热平面分区、应变外壳、混合通风等），探讨新风、温度的分控运行以及基于热感觉的热环境控制系统[12]，提高系统需求侧响应的可控性和灵活性，有益于在低能耗和高舒适度之间取得平衡。

4.3 环控方式电气化

目前，我国北方城镇集中供暖以燃煤（包括燃煤锅炉、燃煤热电联产）为主，占比高达78%，燃气供暖占比为15%，这导致大量的CO2直接排放[2]。随着我国电力结构中零碳电力比例的提升，我国电力的平均碳排放因子显著下降[13]。在我国电力系统的零碳发展趋势下，逐步提高建筑环控能耗中的电力消耗比例，是实现建筑零碳运行的重要途径。

相关研究显示，除了室外温度低于-20℃的极寒地区外，我国绝大多数地区都可在冬季采用空气源热泵供暖，对于极寒地区，可采用直接电热供暖方式[1]。建筑环控电气化的前提是高热工性能的外围护结构，被动住宅提供了一种可供参考的技术标准与建造方法。

5 结语

从绿色住宅到被动住宅，早期项目建设更多地着眼于提高技术系统的性能标准，对于住户的环境需求、环控行为的考虑尚待加强。住户对技术系统（包括被动系统和主动系统）的了解与操作直接影响到室内环境质量和实际环控能耗，低碳住宅中的技术系统，并不是纯粹的“物质性客体”，针对低碳住宅技术系统的住户需求研究贯穿于建筑策划、设计、建造以及运行各个环节[14]。

在当前我国人口基数大、住宅形式多样、建设规模大，以及人均建筑能耗较低的现状背景下，针对地区气候特点、不同水平的外围护结构，对于普通节能住宅、绿色住宅和被动住宅，分别采用提高系统运行能效、“被动系统优先+主动系统优化”、“被动系统优化+去设备化”等不同侧重点的环控策略，适应多样化、个性化的居住生活方式和环境需求，推广分散式、电气化环控系统的需求侧响应运行模式，兼顾技术角度和用户角度的环控策略，通过技术措施和住户行为的协同作用，着力实现环境质量与住户主观感知舒适度、建造经济性与运行低能耗的平衡，从而推动“双碳”发展目标的实现。