我国北方严寒和寒冷地区住宅的冬季采暖用能占全年总用能的比例较大。自1986年《民用建筑节能设计标准 (采暖居住建筑部分) 》 (JGJ26-86) 发布以来, 住宅节能设计标准的渐进式提高使设计和技术节能潜力得到充分挖掘和渐进式提升, 但是与此同时也存在实际效果与设计目标不匹配的问题。2016年, 《民用建筑能耗标准》 (GB/T51161-2016) 发布, 基于既有建筑实际用能数据, 引入约束值和推荐值两项指标, 针对实际效果进行评价。

在“十三五”重点研发计划“绿色建筑及建筑工业化”专项《目标和效果导向的绿色建筑设计新方法及工具》中, 课题6“北方地区城镇居住建筑绿色设计新方法与技术协同优化”引入目标和效果导向的数据设计方法, 以实测数据为基础针对住宅实际效果进行节能设计优化, 注重实际效果, 挖掘住宅节能潜力, 减少设计目标与实际效果的差距, 通过人、建筑、设备操作协同, 得出研究结果, 为住宅设计、采暖系统控制和用户控制行为规范提供参考, 为住宅节能优化和户型精细化设计提供依据, 以满足最新节能建筑评价标准要求。

节能和提高热舒适性是住宅绿色设计的两个主要目标, 室内热环境实测是准确获取住宅热环境信息的重要研究方法。已有众多学者在住宅热环境特征、居住者行为模式对节能及热舒适的影响方面进行了实测研究, 如夏一哉等对北京88户自然通风住宅进行室内环境参数实测及热感觉问卷调查^[1];曹彬等通过调查与分析探索了上海、北京两地住宅冬季室内热舒适特征^[2];Andersen R.V.等对丹麦住户行为与动机热环境控制的调查显示, 住户习惯与是否采暖密切相关, 而冷热感、采暖价格等并没有对采暖行为产生显著影响等^[3]。另外在本研究的已有成果中, 通过对不同热工分区的样本住宅进行长时间实测与问卷调研, 分析了用户行为习惯对热环境需求的影响, 总结了不同城市住宅热环境现状和特点、造成差异的行为因素、个体和群体使用行为的共性和个性特征与规律等^[4,5,6]。但是, 已有研究较少结合室内空间温度分布特征, 未针对以节能与热舒适为目标的住宅空间设计优化。下文以住宅建筑节能和提高室内热舒适性为目标, 基于样本户的长时间室内温度场分布进行实测, 诊断实际使用过程中存在的问题, 并提供优化建议。

本研究采取实测数据调研, 通过长时间采集住宅家庭热环境实测数据、用能记录和生活行为方式进行相关性研究, 包括户型信息 (楼层、平面、体形、围护结构等) 、家庭用能和使用者行为三部分数据的关联性分析。研究选取北京市海淀区和朝阳区三个住区样本户组, 采集数据包括室内热环境数据 (一年以上室内温湿度连续测试数据) 、住宅信息 (户型面积、朝向、空间功能布局与方位、围护结构等) 、家庭用能数据 (燃气表、电表) 。通过上述数据对使用阶段的住宅采暖季实际节能效果、室内热环境状况及住宅户型设计进行整体把握, 结合入户调研和问卷了解住户的实际感受, 从现象寻找实际效果与设计目标不匹配的原因, 诊断不利于节能的住宅设计缺陷, 为设计优化提供依据。

实测数据采集方法如下:在三个样本住区 (编号为住区G1、G2、G3) 各选15个家庭作为样板户组, 三个样本住区包括不同的住宅建筑类型 (高层、多层) 和采暖系统 (集中采暖、分户采暖) (图1) , 在2013～2017年期间, 通过入户安置温湿度自动记录仪进行热环境数据采集, 记录仪分布在每个样本户的起居室、南卧室、北卧室, 以1h为数据记录间隔定期记录温湿度数据, 得到36个有效样本户数据。其中, 对于G1组的典型户型A (120m², 两室户) 和户型B (139m², 三室户) 进行了更详细的数据采集, 在餐厅、厨房、南北阳台增加了记录仪, 以15min为间隔进行记录。同时通过问卷和访谈形式记录用户的生活方式和行为特点, 定期入户记录用能计量表读数 (水表、电表、燃气表) , 对样本户的室内热环境和用能进行完整的实际使用状况的节能评价。实测数据提供了每个用户家庭采暖系统、室内热环境和用能的整体特征信息和一般状态, 分组样本户的基本信息如表1所示。数据表明, 每个家庭的室内热环境控制都是个性化的, 其中G1住区部分样本户的信息如图2所示。

将温湿度自动记录仪中的数据 (温度T、湿度RH) 按照时间和日期记录, 导出到Excel绘制成温湿度图形, 并对温湿度的时空分布特点、用户热环境控制的个性化行为特征进行图形化识别和比较研究。通过图形化分析使用者行为模式、生活节律、温湿度时空分布、控制设备操作方式信息, 对其用能、使用行为和室内热环境数据进行相关性分析, 了解住宅体形系数、户型设计等对室内温度场时空分布的影响, 以及功能分区布局对空间使用模式和分时分区控制的影响, 分析着重关注冬季采暖季的室内温度分布、影响因素, 以及如何通过户型设计和采暖设备控制来提高节能潜力, 最终将户型室内温度的分时分区控制与用户日常生活和习惯、控制模式关联匹配。同时, 通过提高建筑围护结构的性能、控制体形系数、基于用户个性化需求进行功能和平面、空间分区布局安排和调整, 为建筑师提供设计优化依据, 为用户获得更舒适、健康和可持续的室内生活环境提供建议。

样本户不同房间的室内温度图形受到住宅建筑因素 (户型位置、平面、楼层和朝向等) 、围护结构性能参数 (围护结构K值、窗墙比) 、采暖系统因素 (集中采暖系统和分户采暖系统) 、用户生活习惯因素 (采暖系统控制模式、日常生活节律和室内活动类型等) 的综合影响。实测数据对比显示, 采用分户采暖系统用户的热环境控制模式和调节设置是个性化的 (如设备的使用持续时间、强度和频次) 。

在三个样本户住区G1、G2和G3中, 样本户各个房间的温度曲线以及所有房间的温度平均值曲线的图形特征, 能够反映用户控制设备行为的习惯和偏好、住宅围护结构性能和户型特点三者的共同作用。配合入户访谈和问卷获得更详细的用户生活行为习惯和建筑户型信息, 将房间温度值、样本户各房间温度平均值和住区所有样本户组中各户房间温度曲线平均值三条曲线叠加分析, 则可以获得某样本户不同房间 (起居室、卧室等) 的温度随时间和空间变化的特征信息, 不同房间的温度变化随着朝向、太阳得热和外墙而存在的差异性, 以及该样本户与其他样本户相比的个性化差异 (图3) 。此比较分析主要针对样本户用能状况、室内热环境控制、用户设备控制行为、采暖系统比较和冬季室内过热问题。

我国北方寒冷地区的城市住区中, 大量采用集中采暖系统, 采暖热源和管网系统对节能的影响值得关注。由于这些集中采暖系统的控制和计量都是在热源端完成, 而不是由实际使用的用户按需要自行调节控制, 因此, 从实测数据分析来看, 集中采暖和分户采暖系统的室内温度状况存在明显差异, 其中, 在采用分户燃气采暖炉的样本户组G1中, 用户可以根据需要进行温度设置和调节, 对使用过程节能发挥着积极作用。

采用分户采暖系统的家庭, 房间温度T通常由用户根据自己的需要控制和调节 (图4) , 分户采暖家庭组的平均温度曲线 (G1) 与集中采暖住区家庭组 (G2) 的平均温度曲线相比有很大不同。在采暖季, G1组的平均温度是21℃, G2组的平均温度为24℃, 均明显高于设计标准的室内温度需求 (18℃) 。现场调查和问卷结果同样表明, G2组存在室内采暖过热问题, 用户由于无法依据需要个性化调节, 因此只能通过开窗来调节室内温度, 对于节能极为不利。

在住宅中, 用户偏好使用的活动空间和房间是个性化的, 家庭室内的活动类型和对热环境的需求也是个性化的。实测数据分析表明, 分户采暖用户在控制采暖系统方面更加主动和高效。因此, 分户采暖系统或者在集中采暖系统中引入分户计量的热表, 都有助于用户根据实际需求和日间住宅太阳辐射得热量的变化来主动调节和设置, 通常用户在白天离家上班期间会调低温度, 夜间回家再次调高温度。通过三个样本户组的一周平均温度曲线的对比 (图5) 可知, 分户采暖系统的样本户组G1与其他集中采暖的样本户组 (G2、G3) 相比, 房间温度以天为周期的动态节律和温度控制范围均保持在更小的区间内, 根据太阳辐射的日变化和用户的生活工作节律, 室内温度值在9:00am和6:00pm略微升高, 在夜间10:00pm (睡眠时间) 温度值略微下降, 而对于接入集中采暖系统的各个房间来说, 房间温度日变化是同步的且与房间的使用情况无关联。

在市政采暖期前后的过渡期, G2和G3组样本户的室内温度有可能低于舒适温度, 如在3月15日北京采暖季结束后, G2组样本户平均室内温度从25℃急剧下降至17℃ (图6) , 而此时外部气温尚未回升。与此同时, 在分户采暖住区的样本户G1组, 多数家庭的采暖炉在继续运行, 室内温度维持在20℃。

样本户住宅不同房间的温度时空变化特征为节能设计提供了更多的数据支持, 通过对G1组两个典型样本户A、B的室内温度场进行详细的记录, 在起居室和南北卧室三个测点的基础上, 增加了其他卧室和餐厅、厨房、南北阳台等多个测点, 并且以15min间隔记录温度变化 (图7) 。数据显示, 在采暖季两个典型户型的室内温度随室外气温变化和太阳辐射状况而发生波动, 朝南房间的室内温度通常高于其他房间, 温度自南向北逐渐下降1～2℃。这一温度分布可以通过室内空气流动或设计空气循环通道来调节, 对南向房间和阳台获取的被动式太阳能热量进行再分配, 用作采暖补充。

在两个典型样本户A和B中, 朝南房间 (如起居室和卧室等) 的室内温度变化也存在差异, 通常不带阳台的卧室的温度波动与太阳辐射有关, 而起居室的温度变化则受到了相邻阳台的影响, 阳台在温度变化方面起到了缓冲作用 (图8) 。

朝北房间的室内温度变化也存在差异, 与该房间的外墙面积和窗户面积有关。在样本户B中, 朝北卧室B2的温度变化与南向起居室的温度变化相似, 而与之相邻的卧室B3由于暴露的外墙面积较大, 温度持续低于B2房间4℃, 记录到B3的室内最低温度为13℃ (图9) , 已经远低于舒适温度标准。

以上利用实测温度数据对住宅室内外温度时空分布特征和现象的分析结果, 为住宅节能设计和采暖系统控制提供了参考。

在住宅户型设计与采暖控制系统的协同中, 引入分户分区分室的功能分区和可调节采暖控制系统, 有利于从节能角度使用户对采暖设置进行独立的分时分区程序化、模块化控制。在户型设计方面进行设计响应, 将白天和夜间使用的空间区域进行划分, 并且进行一定程度的保温隔离 (图10) , 将各个房间纳入不同的时间空间分区, 从而进行精确、有效的热环境控制。

家庭生活习惯的调查数据表明, 用户在户型中特定功能房间的活动具有节律性与个性化, 房间温度的时空变化曲线也为采暖系统控制提供了参考信息, 适应房间使用节律的分时变化和热环境分区控制可以通过程序化、模块化设置的控制设备来实现。例如, 模块化控制可以以一天或一周为周期来设置开启模式, 也可以通过人员定位装置 (红外感应器或摄像机系统) 实现自动控制。

在我国北方太阳能富集地区, 冬季太阳辐射得热是住宅采暖的重要补充, 在户型设计中加入阳台、墙体和隔墙、楼地板组成的太阳能采集、蓄热和分配系统可进行更高效的被动式集热, 利用朝南的墙体和阳光房进行太阳能采集, 利用墙体和楼地面进行太阳能贮存, 在户型中利用墙体和楼地板组织空气循环通道。结合南北向各房间温度场分布的昼夜变化规律, 通过热量传递和分配系统将热量从朝南的集热阳台和墙体传递到朝北的卧室和厨房, 提高太阳能在整个户型中的利用潜力。

本文探讨了效果导向的实测数据支持住宅节能设计方法, 通过对北京地区样本户的室内热环境实测数据、用能记录和生活行为方式调研数据采集, 以及设计、用能和行为方式的相关性研究, 为住宅节能优化设计提供依据。通过实测温度曲线与图形化分析, 发现户型设计和用户控制使用中不利于节能的问题, 如采暖季集中采暖住区的过热问题、过渡季室内热舒适问题、采暖系统设置与生活节律匹配及模块化控制问题, 在此基础上尝试对两个典型户的设计优化提出建议, 同时结合生活节律进行分时分区程序化控制, 结合室内温度分布特征进行太阳能利用和建筑体形系数控制, 基于提高实际节能效果进行设计问题诊断和完成精细化设计。

本次研究受条件限制, 主要针对住宅使用过程中存在的户型设计问题进行了诊断和分析, 并基于实测数据分析提出优化建议, 但目前无法验证其实际效果。后续研究如果有条件针对实际项目进行改造测试或实验对比, 将对户型设计起到更直接的指导作用。