城市區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的情景設(shè)置研究

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1、城市區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的情景設(shè)置研究 摘　要：區(qū)域建筑的冷熱需求預(yù)測不同于建筑單體的冷熱需求模擬，它與當(dāng)?shù)貧夂驐l件，建筑規(guī)劃布局，建筑功能及形態(tài)特征，建筑使用特征，管理特征等要素密切相關(guān)，它是一門跨學(xué)科、跨界的方法。本文認(rèn)為城區(qū)規(guī)劃，建筑冷熱性能，城區(qū)建筑使用和城區(qū)建筑氣候是城市區(qū)域建筑冷熱需求的4大類影響要素，其對區(qū)域建筑冷熱需求的影響復(fù)雜且具有諸多不確定性。因此，本文提出采用“情景預(yù)測法”預(yù)測區(qū)域建筑冷熱需求，該方法以經(jīng)濟水平和發(fā)展目標(biāo)；城市區(qū)域規(guī)劃目標(biāo)，區(qū)域建筑的總規(guī)或控規(guī)；當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能法規(guī)；城市區(qū)域建成后的社會形態(tài)；當(dāng)?shù)厣鐣罟ぷ鲗W(xué)習(xí)習(xí)慣和當(dāng)?shù)亟ㄖ夂驐l件5個方面為情景設(shè)置依據(jù)，

2、分析形成了“城市區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的情景設(shè)置模型”，為區(qū)域建筑冷熱需求的定量預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：區(qū)域建筑，冷熱需求，情景設(shè)置 1．引言 　　在區(qū)域規(guī)劃階段預(yù)測建筑的冷熱需求是實現(xiàn)區(qū)域低碳及節(jié)能目標(biāo)的關(guān)鍵，更是做好區(qū)域能源規(guī)劃的關(guān)鍵。建筑能源需求的預(yù)測是一項比較困難的工作，因為它需要考慮建筑內(nèi)部各因素的相互影響。城市區(qū)域建筑的冷熱需求不同于建筑單體的冷熱需求，更不是單體建筑冷熱需求的簡單相加。它和區(qū)域建筑能源規(guī)劃一樣，是一門跨學(xué)科、跨界的方法。它與當(dāng)?shù)貧夂驐l件，建筑規(guī)劃布局，建筑功能及形態(tài)特征，建筑使用特征，管理特征等要素密切相關(guān)。 　　本文所研究的“城市區(qū)域建筑冷熱需求

3、”是指該區(qū)域建筑在使用中的空調(diào)采暖的冷熱需求總量。該研究的目的是在城市區(qū)域規(guī)劃階段，對該區(qū)域建筑的冷熱需求做出預(yù)測，有利于規(guī)劃師優(yōu)化城區(qū)規(guī)劃方案和進行城區(qū)能源專項規(guī)劃，也可為政府和開發(fā)商保障居民冷熱需求提供參考，實現(xiàn)節(jié)能低碳目標(biāo)。 　　在建筑規(guī)劃階段，容積率、建筑類型，建筑高度等為已知信息，但這僅為建筑的特征狀態(tài)參數(shù)，若要預(yù)測區(qū)域建筑冷熱需求，還需考慮當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟條件、社會發(fā)展目標(biāo)，生活習(xí)慣和生活水平，區(qū)域內(nèi)人口等要素。目前研究建筑單體冷熱需求和能耗預(yù)測分析的方法較多。如能源分析模型應(yīng)基于穩(wěn)態(tài)或動態(tài)模型. 為了研發(fā)模擬模型，應(yīng)以一種變量為基礎(chǔ)對溫度進行修正，太陽得熱應(yīng)采用基于BKL的度日法，BI

4、N方法提出室內(nèi)人員內(nèi)部得熱也應(yīng)包括在內(nèi)。Seem和Braun基于現(xiàn)在和以前的關(guān)于熱需求，外部及內(nèi)部條件，開發(fā)了類似于ARMA的時間序列模型。后來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也被用來作為預(yù)測技術(shù)使用，它通常被用來預(yù)測長期和短期的建筑能源使用情況，尤其是逐時的能源使用情況。也有人在數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了組合粗糙集(RS)理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(ANN)，用于預(yù)測空調(diào)負(fù)荷。余準(zhǔn)也研發(fā)了一種決策樹的方法用于預(yù)測建筑的能源需求。但基于規(guī)劃階段的區(qū)域建筑冷熱需求的研究很少，對于冷熱需求預(yù)測的關(guān)鍵——情景設(shè)置的研究就更少。龍惟定教授提出，可采用能源總線系統(tǒng)對低碳城市的能源系統(tǒng)進行規(guī)劃. 　　但對于在規(guī)劃階段對CHDC

5、B的預(yù)測而言，情景設(shè)置的方法不僅能涉及規(guī)劃區(qū)域指標(biāo)，建筑本體性能等硬性指標(biāo)，還能綜合考慮社會經(jīng)濟，地區(qū)文化，生活習(xí)慣以及建筑使用方式等對區(qū)域建筑冷熱需求的影響。因此，本文擬研究在建筑規(guī)劃階段預(yù)測區(qū)域建筑冷熱需求的情景設(shè)置的基本框架。 2. 區(qū)域建筑冷熱需求情景要素與設(shè)置依據(jù) 2.1 情景分析法 “情景分析法”是在對經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)或技術(shù)的重大演變提出各種關(guān)鍵假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過對未來詳細(xì)、嚴(yán)密的推理和描述來構(gòu)想各種可能的方案。它是探討和制定未來發(fā)展戰(zhàn)略、對策、規(guī)劃設(shè)計、政策措施等比較有效的方法。在進行區(qū)域能源規(guī)劃時，區(qū)域建筑也處在規(guī)劃階段，所以區(qū)域建筑的冷熱負(fù)荷不能通過常規(guī)方法進行計算，情景設(shè)置與情景

6、預(yù)測是有效的方法。 2.2冷熱需求預(yù)測情景要素 　　情景設(shè)置首先需要明確所關(guān)心和所要進行研究的具體特征，并對特征進行完整的定性的描述；其次需要定性描述所構(gòu)筑的框架，并對關(guān)鍵因素設(shè)定量化指標(biāo)。根據(jù)區(qū)域建筑冷熱需求的定義，本文認(rèn)為城市區(qū)域建筑冷熱需求的影響要素可分為四大類： 城區(qū)規(guī)劃要素； 建筑冷熱性能要素； 城區(qū)建筑使用要素； 城區(qū)建筑氣候要素。 2.3 區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的情景設(shè)置依據(jù) 依據(jù)情景要素，區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的各情景要素的主要依據(jù)包括5個方面： （1）當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟水平和發(fā)展目標(biāo)，城市區(qū)域規(guī)劃目標(biāo)，區(qū)域建筑的總規(guī)或控規(guī)； （2）當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能法規(guī)； （3）實現(xiàn)規(guī)劃后，城市區(qū)域社會形

7、態(tài)要素； （4）當(dāng)?shù)厣鐣罟ぷ鲗W(xué)習(xí)習(xí)慣； （5）當(dāng)?shù)亟ㄖ芎臍夂蚰Ｐ汀?3. 城區(qū)規(guī)劃要素與情景設(shè)置 3.1規(guī)劃區(qū)域內(nèi)建筑總量 “規(guī)劃區(qū)域內(nèi)建筑總量”指區(qū)域內(nèi)各種類型建筑的總建筑面積。它是區(qū)域內(nèi)冷熱需求總量的決定性影響要素，應(yīng)根據(jù)城市區(qū)域規(guī)劃目標(biāo)，區(qū)域建筑的總規(guī)和控規(guī)中的指導(dǎo)性控制指標(biāo)，并參考項目開發(fā)商對項目開發(fā)的目標(biāo)要求最終確定。指導(dǎo)性控制指標(biāo)是修建性詳細(xì)規(guī)劃和建筑設(shè)計的重要參考指標(biāo)，一般包括開發(fā)強度、人口容量、建筑形式、體量、色彩、風(fēng)格要求和其他環(huán)境要求。 3.2區(qū)域內(nèi)建筑類型及比例 　　不同類型的建筑，其冷熱需求特性有顯著差異。各類建筑在建筑總量中所占的比例，不僅影響到區(qū)域內(nèi)冷熱需

8、求總量，更影響到冷熱需求量在時間和空間上的分布。因此，本文認(rèn)為區(qū)域建筑類型及各種類型建筑的占比亦屬于情景設(shè)置要素之一。建筑類型及比例均需根據(jù)區(qū)域建筑總規(guī)和控規(guī)中的指導(dǎo)性控制指標(biāo)，并參考項目開發(fā)商對項目開發(fā)的目標(biāo)和要求確定。 　　從冷熱需求差異性角度考慮，應(yīng)將“建筑類型”分為居住建筑、辦公建筑、商場、賓館、學(xué)校建筑、醫(yī)療建筑、文化體育建筑并分別予以討論。 4 建筑冷熱性能要素與情境設(shè)置 　　建筑冷熱性能要素包括與建筑冷熱需求緊密相關(guān)的建筑布局形式及建筑密度、朝向、體形系數(shù)、窗墻面積比、圍護結(jié)構(gòu)（外墻、外窗和屋頂）熱工性能等建筑單體性狀，它是表征建筑冷熱性能的參數(shù)，對建筑冷熱需求及建筑能耗具有直

9、接且顯著的影響。建筑冷熱性能要素的情景設(shè)置應(yīng)根據(jù)規(guī)劃所在城市或地區(qū)的建筑節(jié)能法規(guī)、規(guī)范等確定。 5. 建筑使用要素與情景設(shè)置 　　根據(jù)一些發(fā)展中國家和地區(qū)的經(jīng)驗，建筑類型和室內(nèi)使用人員的生活方式都會影響建筑能耗。建筑的使用要素是影響建筑冷熱需求總量與需求變化的關(guān)鍵之一。建筑運行時，影響區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的情景要素包括建筑基本功能及內(nèi)部各輔助功能分區(qū)大小、建筑的服務(wù)水平和使用水平，各要素相互影響，相互制約。 5.1 建筑基本功能及內(nèi)部各輔助功能分區(qū)大小 　　各類型建筑（包括居住、辦公、商場（購物中心）、賓館、學(xué)校、醫(yī)療、文化體育建筑等）的基本功能及內(nèi)部各輔助功能分區(qū)及面積大小，直接影響建筑的服

10、務(wù)水平和使用水平，影響建筑冷熱需求。它們可根據(jù)項目開發(fā)目標(biāo)及建筑規(guī)劃設(shè)計方案，參考已有的同類型建筑確定。 5.2建筑服務(wù)水平 　　“建筑的服務(wù)水平”指建筑的安全性、健康性、舒適性及便捷性這4方面的水平程度，總體上可以理解為宜居水平。建筑服務(wù)水平的設(shè)定，需根據(jù)區(qū)域規(guī)劃的社會經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)，建筑開發(fā)品質(zhì)、開發(fā)商的追求、國家及地方建筑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等確定。 5.2.1建筑服務(wù)的安全水平 　　建筑服務(wù)的安全水平指滿足建筑基本功能要求的安全系統(tǒng)的水平，如消防安全、應(yīng)急安全、防盜防暴等系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)施水平、人員配備和運作模式。 5.2.2 建筑服務(wù)的健康水平 　　建筑服務(wù)的健康水平指滿足建筑基本功能要求的健

11、康系統(tǒng)，如新風(fēng)、飲用水、衛(wèi)生用水、綠化、清潔、清洗、保健等硬件、軟件設(shè)施水平、人員配備和運作模式。 5.2.3 建筑服務(wù)的舒適水平 　　建筑服務(wù)的舒適水平指滿足建筑基本功能要求的舒適系統(tǒng)，包括生理舒適和心理舒適，如熱舒適、聲光環(huán)境舒適、行坐臥舒適等硬件、軟件設(shè)施水平、人員配備和運作模式。 5.2.4 建筑服務(wù)的便捷水平 　　建筑服務(wù)的便捷水平指滿足建筑基本功能要求的便捷系統(tǒng)，如辦公、學(xué)習(xí)、生活、信息、述求與響應(yīng)等硬件、軟件設(shè)施水平、人員配備和運作模式。 　　總之，建筑服務(wù)的4方面水平主要通過相關(guān)的軟硬件設(shè)施、人員配備及運行管理等影響區(qū)域建筑冷熱需求，是建立定量關(guān)系的關(guān)鍵。 　　另外，建筑的運維

12、水平對建筑服務(wù)水平影響較大。與建筑冷熱需求相關(guān)的“建筑運維”要素包括建筑物業(yè)管理辦法、運行管理水平等。運維管理不但影響建筑使用人員的行為及使用時間從而間接影響建筑冷熱需求，而且直接影響建筑設(shè)備系統(tǒng)的能效及使用效果，因此將其作為建筑使用情景要素之一。建筑服務(wù)水平需根據(jù)區(qū)域建筑開發(fā)品質(zhì)，目標(biāo)定位確定。 5.3建筑使用水平 　　“建筑使用水平”指建筑基本功能和輔助功能空間使用水平、及其配套設(shè)施的利用程度，它包括使用時間和使用人數(shù)。建筑使用水平與區(qū)域各功能建筑比例及項目開發(fā)品質(zhì)，區(qū)域建筑所在區(qū)域的文化背景，社會經(jīng)濟條件，生活習(xí)慣，收入情況，人員的職業(yè)構(gòu)成、年齡構(gòu)成及受教育水平等密切相關(guān)。因此，使用水平

13、的情景需分建筑類型及其功能分區(qū)設(shè)定。 （1）居住建筑 　　居住建筑的基本功能包括臥室、客廳、起居室、陽臺和廚房等；輔助功能包括保姆房、儲物間等。 （2）辦公建筑 　　辦公建筑基本功能包括辦公室、會議室、培訓(xùn)室、接待室、大廳等；輔助功能包括茶水間、吸煙室、咖啡廳或茶餐廳、洗手間及化妝間、物管用房等； （3）商場建筑 　　商場建筑基本功能指銷售賣場；輔助功能包括茶水間、吸煙室、咖啡廳或茶餐廳、洗手間及化妝間、物管用房、育嬰房、美容間等； （4）賓館建筑 　　賓館建筑基本功能包括客房、大廳；輔助功能包括咖啡廳、茶餐廳、物管用房、公共衛(wèi)生間、美發(fā)廳、美容保健室（洗浴、美容保健等）、娛樂廳（含棋牌室、

14、卡拉OK，桌球臺球、保齡球等）等； （5）學(xué)校建筑 　　學(xué)校建筑基本功能包括各類教室、實驗室、圖書館、計算機房等（學(xué)校辦公樓書本文研究的辦公樓范疇；學(xué)生宿舍屬于居住建筑范疇）；輔助功能包括物管用房、公共衛(wèi)生間、學(xué)生活動中心等； （6）醫(yī)療建筑 　　醫(yī)療建筑基本功能包括如掛號室、手術(shù)室、各種病房、藥房、體檢室、化驗室、觀察室、護士用房、督導(dǎo)室（臺）、收費室等；輔助功能包括如衛(wèi)生間、餐廳、休息室等。 （7）文化體育建筑 　　文化體育建筑基本功能包括圖書閱覽室、娛樂健身室、各種活動中心等；輔助功能包括衛(wèi)生間、咖啡廳或茶餐廳、小型商店等。 5.3.1建筑各功能的使用時間 　　建筑各功能的使用時間指在全

15、年中，建筑各功能空間的使用時間，是反映建筑利用水平的主要參數(shù)，對建筑冷熱需求和建筑能耗影響很大。建筑各功能空間的使用時間應(yīng) 根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)，社會文化生活習(xí)慣，建筑類型和特點等確定。 　　 5.3.2建筑各功能的使用人數(shù) 　　建筑的人員負(fù)荷是建筑冷熱需求的重要組成部分。但對不同功能建筑，不同功能分區(qū)的使用人數(shù)對建筑冷熱需求的影響不同。因此應(yīng)分建筑類型和功能類型分別設(shè)置使用人數(shù)情景，即區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測，需要對不同類型建筑的基本功能和輔助功能的設(shè)計使用人數(shù)和實際使用人數(shù)進行預(yù)測。 　　使用人數(shù)情景分為“設(shè)計總?cè)藬?shù)情景”和“實際總?cè)藬?shù)情景”，其中“設(shè)計總?cè)藬?shù)”可通過城市及地方規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)確定；

16、“實際使用人數(shù)”需要根據(jù)建筑類型、社會經(jīng)濟條件、文化背景，運維管理情況、生活習(xí)慣，人口構(gòu)成等因素進行情景設(shè)置來確定。 6. 區(qū)域建筑氣候要素與情景設(shè)置 6.1 區(qū)域建筑冷熱需求季節(jié)劃分 　　　有利于區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的季節(jié)應(yīng)是能體現(xiàn)建筑氣候適應(yīng)性時間維度的周期性變化；能反映高效節(jié)能室內(nèi)環(huán)境控制技術(shù)與氣候環(huán)境特點的關(guān)系；能反映城市與建筑兩個層面的節(jié)能技術(shù)方向。 　　　重慶大學(xué)張慧玲博士于2009年提出“建筑節(jié)能季節(jié)區(qū)劃”的概念?！敖ㄖ?jié)能季節(jié)”是指從建筑節(jié)能的角度以所需使用的建筑熱環(huán)境主要控制手段劃分出的一年中的幾個時期，包括采暖季節(jié)、空調(diào)季節(jié)、通風(fēng)季節(jié)、除濕季節(jié)和加濕季節(jié)。 　　　本文根據(jù)該

17、成果，提出“分季節(jié)”進行情景要素設(shè)定的思想，即通風(fēng)季節(jié)、空調(diào)季節(jié)、采暖季節(jié)和調(diào)試季節(jié)，這不但利于改善室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)，提高建筑能源利用效率，還可降低采暖空調(diào)能耗。 6.2 各季節(jié)建筑氣候要素與情景設(shè)置 氣候是影響建筑冷熱需求的關(guān)鍵要素，它對建筑熱環(huán)境的影響不是單純某一個氣象要素決定的，是多要素共同作用的結(jié)果。建筑節(jié)能需要從全局分析不同氣候帶來的不同熱負(fù)荷影響以及把握負(fù)荷與主要外界影響因素的關(guān)系，以便有針對性地采取節(jié)能措施。外界環(huán)境對建筑物的影響是一個復(fù)雜的過程，對于建筑的熱環(huán)境來說，通常溫度、濕度與太陽輻射為最主要的氣象影響因素。 　　本文選擇水平太陽總輻射、室外空氣干球溫度與度日數(shù)、室外

18、空氣含濕量和室外風(fēng)速為建筑冷熱需求預(yù)測的氣候要素，且均可采用區(qū)域建筑所在區(qū)域的典型氣象年數(shù)據(jù)。 6.2.1水平太陽總輻射 包括各季節(jié)水平太陽總輻射，水平太陽輻射最大值及持續(xù)時間、最小值及持續(xù)時間和平均值，可根據(jù)建筑所在區(qū)域典型氣象年數(shù)據(jù)分析確定。 6.2.2室外空氣干球溫度與度日數(shù) 包括各季節(jié)室外空氣干球溫度最大值及持續(xù)時間、最小值及持續(xù)時間和平均值，需根據(jù)建筑所在區(qū)域典型氣象年數(shù)據(jù)分析確定。 6.2.3室外空氣含濕量 包括各季節(jié)室外空氣含濕量最大值及持續(xù)時間、最小值及持續(xù)時間和平均值，需根據(jù)建筑所在區(qū)域典型氣象年數(shù)據(jù)分析確定。 6.2.4 室外風(fēng)速 包括各季節(jié)室外風(fēng)速最大值及持續(xù)時間、最小值

19、及持續(xù)時間和平均值，需根據(jù)建筑所在區(qū)域典型氣象年數(shù)據(jù)分析確定。 7. 城市區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的情景設(shè)置表 根據(jù)分析，本文構(gòu)建了區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的情景設(shè)置表，如表7.1所示。 表7.1 區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的情景設(shè)置表 8. 結(jié)論 　　本文提出了采用“情景預(yù)測法”預(yù)測區(qū)域建筑冷熱需求的方法?；谠摲椒ǎ恼乱猿菂^(qū)規(guī)劃，建筑冷熱性能，城區(qū)建筑使用和城區(qū)建筑氣候為城市區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的4類影響要素，以經(jīng)濟水平和發(fā)展目標(biāo)，城市區(qū)域規(guī)劃目標(biāo)，區(qū)域建筑的總規(guī)或控規(guī)；當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能法規(guī)；實現(xiàn)規(guī)劃后，城市區(qū)域社會形態(tài)要素；當(dāng)?shù)厣鐣罟ぷ鲗W(xué)習(xí)習(xí)慣和當(dāng)?shù)亟ㄖ芎臍夂蚰Ｐ蜑榍榫霸O(shè)置的4類依據(jù)，分別分析了

20、四類影響要素的內(nèi)涵界定及確定方法，最后形成了“城市區(qū)域建筑冷熱需求預(yù)測的情景設(shè)置表”，為區(qū)域建筑冷熱需求的定量預(yù)測模型的研究奠定了基礎(chǔ)。 　　　在進行區(qū)域建筑的冷熱需求預(yù)測時，需要按照本文提出的表7.1的情景要素分別設(shè)置不同情景。針對不同類型建筑，各情景要素對建筑冷熱需求的影響顯著性不同，影響規(guī)律也不同，因此，需分別進行深入研究，構(gòu)建冷熱需求預(yù)測模型，才能實現(xiàn)從情景設(shè)置到冷熱需求的定量預(yù)測。筆者將在后期研究中開展此工作。 參考文獻： 【1】 龍惟定，白瑋，范蕊. 低碳城市的區(qū)域建筑能源規(guī)劃. 中國建筑工業(yè)出版社. 2011 【2】 T. Olofsson, S. Andersson. 基于短期方法屬于的長期能源需求預(yù)測. 能源與建筑2001 【3】 ASHRAE, 基礎(chǔ)手冊, 美國采暖制冷和空調(diào)工程師協(xié)會, 亞特蘭大, GA, 1993（英國）. 【4】 K. Kallblad, B. Adamsson, BKL方法，一種簡單的預(yù)測建筑能源需求的方法, 文件D8:1984, 建筑科學(xué)研究院，瑞典斯德哥爾摩，瑞典議會, 1994（英語）. 【5】 J.E. Seem, J.E. Braun, 建筑典禮需求的實時自適應(yīng)方法研究研究. (1991)