城市区域建筑冷热需求预测的情景设置研究

城市区域建筑冷热需求预测的情景设置研究摘要：区域建筑的冷热需求预测不同于建筑单体的冷热需求模拟，它与当地气候条件，建筑规划布局，建筑功能及形态特征，建筑使用特征，管理特征等要素密切相关，它是一门跨学科、跨界的方法。本文认为城区规划，建筑冷热性能，城区建筑使用和城区建筑气候是城市区域建筑冷热需求的4大类影响要素，其对区域建筑冷热需求的影响复杂且具有诸多不确定性。因此，本文提出采用“情景预测法”预测区域建筑冷热需求，该方法以经济水平和发展目标；城市区域规划目标，区域建筑的总规或控规；当地建筑节能法规；城市区域建成后的社会形态；当地社会生活工作学习习惯和当地建筑气候条件5个方面为情景设置依据，分析形成了“城市区域建筑冷热需求预测的情景设置模型”，为区域建筑冷热需求的定量预测奠定了基础。关键词：区域建筑，冷热需求，情景设置1引言 在区域规划阶段预测建筑的冷热需求是实现区域低碳及节能目标的关键，更是做好区域能源规划的关键。建筑能源需求的预测是一项比较困难的工作，因为它需要考虑建筑内部各因素的相互影响。城市区域建筑的冷热需求不同于建筑单体的冷热需求，更不是单体建筑冷热需求的简单相加。它和区域建筑能源规划一样，是一门跨学科、跨界的方法。它与当地气候条件，建筑规划布局，建筑功能及形态特征，建筑使用特征，管理特征等要素密切相关。 本文所研究的“城市区域建筑冷热需求”是指该区域建筑在使用中的空调采暖的冷热需求总量。该研究的目的是在城市区域规划阶段，对该区域建筑的冷热需求做出预测，有利于规划师优化城区规划方案和进行城区能源专项规划，也可为政府和开发商保障居民冷热需求提供参考，实现节能低碳目标。 在建筑规划阶段，容积率、建筑类型，建筑高度等为已知信息，但这仅为建筑的特征状态参数，若要预测区域建筑冷热需求，还需考虑当地的经济条件、社会发展目标，生活习惯和生活水平，区域内人口等要素。目前研究建筑单体冷热需求和能耗预测分析的方法较多。如能源分析模型应基于稳态或动态模型. 为了研发模拟模型，应以一种变量为基础对温度进行修正，太阳得热应采用基于BKL的度日法，BIN方法提出室内人员内部得热也应包括在内。Seem和Braun基于现在和以前的关于热需求，外部及内部条件，开发了类似于ARMA的时间序列模型。后来，神经网络也被用来作为预测技术使用，它通常被用来预测长期和短期的建筑能源使用情况，尤其是逐时的能源使用情况。也有人在数据融合技术的基础上，提出了组合粗糙集(RS)理论和人工神经网络模型(ANN)，用于预测空调负荷。余准也研发了一种决策树的方法用于预测建筑的能源需求。但基于规划阶段的区域建筑冷热需求的研究很少，对于冷热需求预测的关键情景设置的研究就更少。龙惟定教授提出，可采用能源总线系统对低碳城市的能源系统进行规划. 但对于在规划阶段对CHDCB的预测而言，情景设置的方法不仅能涉及规划区域指标，建筑本体性能等硬性指标，还能综合考虑社会经济，地区文化，生活习惯以及建筑使用方式等对区域建筑冷热需求的影响。因此，本文拟研究在建筑规划阶段预测区域建筑冷热需求的情景设置的基本框架。 2. 区域建筑冷热需求情景要素与设置依据 2.1 情景分析法 “情景分析法”是在对经济、产业或技术的重大演变提出各种关键假设的基础上，通过对未来详细、严密的推理和描述来构想各种可能的方案。它是探讨和制定未来发展战略、对策、规划设计、政策措施等比较有效的方法。在进行区域能源规划时，区域建筑也处在规划阶段，所以区域建筑的冷热负荷不能通过常规方法进行计算，情景设置与情景预测是有效的方法。 2.2冷热需求预测情景要素 情景设置首先需要明确所关心和所要进行研究的具体特征，并对特征进行完整的定性的描述；其次需要定性描述所构筑的框架，并对关键因素设定量化指标。根据区域建筑冷热需求的定义，本文认为城市区域建筑冷热需求的影响要素可分为四大类： 城区规划要素； 建筑冷热性能要素； 城区建筑使用要素； 城区建筑气候要素。 2.3 区域建筑冷热需求预测的情景设置依据 依据情景要素，区域建筑冷热需求预测的各情景要素的主要依据包括5个方面： （1）当地社会经济水平和发展目标，城市区域规划目标，区域建筑的总规或控规； （2）当地建筑节能法规； （3）实现规划后，城市区域社会形态要素； （4）当地社会生活工作学习习惯； （5）当地建筑能耗气候模型。 3. 城区规划要素与情景设置 3.1规划区域内建筑总量 “规划区域内建筑总量”指区域内各种类型建筑的总建筑面积。它是区域内冷热需求总量的决定性影响要素，应根据城市区域规划目标，区域建筑的总规和控规中的指导性控制指标，并参考项目开发商对项目开发的目标要求最终确定。指导性控制指标是修建性详细规划和建筑设计的重要参考指标，一般包括开发强度、人口容量、建筑形式、体量、色彩、风格要求和其他环境要求。 3.2区域内建筑类型及比例 不同类型的建筑，其冷热需求特性有显著差异。各类建筑在建筑总量中所占的比例，不仅影响到区域内冷热需求总量，更影响到冷热需求量在时间和空间上的分布。因此，本文认为区域建筑类型及各种类型建筑的占比亦属于情景设置要素之一。建筑类型及比例均需根据区域建筑总规和控规中的指导性控制指标，并参考项目开发商对项目开发的目标和要求确定。 从冷热需求差异性角度考虑，应将“建筑类型”分为居住建筑、办公建筑、商场、宾馆、学校建筑、医疗建筑、文化体育建筑并分别予以讨论。 4 建筑冷热性能要素与情境设置 建筑冷热性能要素包括与建筑冷热需求紧密相关的建筑布局形式及建筑密度、朝向、体形系数、窗墙面积比、围护结构（外墙、外窗和屋顶）热工性能等建筑单体性状，它是表征建筑冷热性能的参数，对建筑冷热需求及建筑能耗具有直接且显著的影响。建筑冷热性能要素的情景设置应根据规划所在城市或地区的建筑节能法规、规范等确定。 5. 建筑使用要素与情景设置 根据一些发展中国家和地区的经验，建筑类型和室内使用人员的生活方式都会影响建筑能耗。建筑的使用要素是影响建筑冷热需求总量与需求变化的关键之一。建筑运行时，影响区域建筑冷热需求预测的情景要素包括建筑基本功能及内部各辅助功能分区大小、建筑的服务水平和使用水平，各要素相互影响，相互制约。 5.1 建筑基本功能及内部各辅助功能分区大小 各类型建筑（包括居住、办公、商场（购物中心）、宾馆、学校、医疗、文化体育建筑等）的基本功能及内部各辅助功能分区及面积大小，直接影响建筑的服务水平和使用水平，影响建筑冷热需求。它们可根据项目开发目标及建筑规划设计方案，参考已有的同类型建筑确定。 5.2建筑服务水平 “建筑的服务水平”指建筑的安全性、健康性、舒适性及便捷性这4方面的水平程度，总体上可以理解为宜居水平。建筑服务水平的设定，需根据区域规划的社会经济发展目标，建筑开发品质、开发商的追求、国家及地方建筑标准规范等确定。 5.2.1建筑服务的安全水平 建筑服务的安全水平指满足建筑基本功能要求的安全系统的水平，如消防安全、应急安全、防盗防暴等系统的硬件、软件设施水平、人员配备和运作模式。 5.2.2 建筑服务的健康水平 建筑服务的健康水平指满足建筑基本功能要求的健康系统，如新风、饮用水、卫生用水、绿化、清洁、清洗、保健等硬件、软件设施水平、人员配备和运作模式。 5.2.3 建筑服务的舒适水平 建筑服务的舒适水平指满足建筑基本功能要求的舒适系统，包括生理舒适和心理舒适，如热舒适、声光环境舒适、行坐卧舒适等硬件、软件设施水平、人员配备和运作模式。 5.2.4 建筑服务的便捷水平 建筑服务的便捷水平指满足建筑基本功能要求的便捷系统，如办公、学习、生活、信息、述求与响应等硬件、软件设施水平、人员配备和运作模式。 总之，建筑服务的4方面水平主要通过相关的软硬件设施、人员配备及运行管理等影响区域建筑冷热需求，是建立定量关系的关键。 另外，建筑的运维水平对建筑服务水平影响较大。与建筑冷热需求相关的“建筑运维”要素包括建筑物业管理办法、运行管理水平等。运维管理不但影响建筑使用人员的行为及使用时间从而间接影响建筑冷热需求，而且直接影响建筑设备系统的能效及使用效果，因此将其作为建筑使用情景要素之一。建筑服务水平需根据区域建筑开发品质，目标定位确定。 5.3建筑使用水平 “建筑使用水平”指建筑基本功能和辅助功能空间使用水平、及其配套设施的利用程度，它包括使用时间和使用人数。建筑使用水平与区域各功能建筑比例及项目开发品质，区域建筑所在区域的文化背景，社会经济条件，生活习惯，收入情况，人员的职业构成、年龄构成及受教育水平等密切相关。因此，使用水平的情景需分建筑类型及其功能分区设定。 （1）居住建筑 居住建筑的基本功能包括卧室、客厅、起居室、阳台和厨房等；辅助功能包括保姆房、储物间等。 （2）办公建筑 办公建筑基本功能包括办公室、会议室、培训室、接待室、大厅等；辅助功能包括茶水间、吸烟室、咖啡厅或茶餐厅、洗手间及化妆间、物管用房等； （3）商场建筑 商场建筑基本功能指销售卖场；辅助功能包括茶水间、吸烟室、咖啡厅或茶餐厅、洗手间及化妆间、物管用房、育婴房、美容间等； （4）宾馆建筑 宾馆建筑基本功能包括客房、大厅；辅助功能包括咖啡厅、茶餐厅、物管用房、公共卫生间、美发厅、美容保健室（洗浴、美容保健等）、娱乐厅（含棋牌室、卡拉OK，桌球台球、保龄球等）等； （5）学校建筑 学校建筑基本功能包括各类教室、实验室、图书馆、计算机房等（学校办公楼书本文研究的办公楼范畴；学生宿舍属于居住建筑范畴）；辅助功能包括物管用房、公共卫生间、学生活动中心等； （6）医疗建筑 医疗建筑基本功能包括如挂号室、手术室、各种病房、药房、体检室、化验室、观察室、护士用房、督导室（台）、收费室等；辅助功能包括如卫生间、餐厅、休息室等。 （7）文化体育建筑 文化体育建筑基本功能包括图书阅览室、娱乐健身室、各种活动中心等；辅助功能包括卫生间、咖啡厅或茶餐厅、小型商店等。 5.3.1建筑各功能的使用时间 建筑各功能的使用时间指在全年中，建筑各功能空间的使用时间，是反映建筑利用水平的主要参数，对建筑冷热需求和建筑能耗影响很大。建筑各功能空间的使用时间应 根据社会经济发展目标，社会文化生活习惯，建筑类型和特点等确定。 5.3.2建筑各功能的使用人数 建筑的人员负荷是建筑冷热需求的重要组成部分。但对不同功能建筑，不同功能分区的使用人数对建筑冷热需求的影响不同。因此应分建筑类型和功能类型分别设置使用人数情景，即区域建筑冷热需求预测，需要对不同类型建筑的基本功能和辅助功能的设计使用人数和实际使用人数进行预测。 使用人数情景分为“设计总人数情景”和“实际总人数情景”，其中“设计总人数”可通过城市及地方规范、标准确定；“实际使用人数”需要根据建筑类型、社会经济条件、文化背景，运维管理情况、生活习惯，人口构成等因素进行情景设置来确定。 6. 区域建筑气候要素与情景设置 6.1 区域建筑冷热需求季节划分 有利于区域建筑冷热需求预测的季节应是能体现建筑气候适应性时间维度的周期性变化；能反映高效节能室内环境控制技术与气候环境特点的关系；能反映城市与建筑两个层面的节能技术方向。 重庆大学张慧玲博士于2009年提出“建筑节能季节区划”的概念。“建筑节能季节”是指从建筑节能的角度以所需使用的建筑热环境主要控制手段划分出的一年中的几个时期，包括采暖季节、空调季节、通风季节、除湿季节和加湿季节。 本文根据该成果，提出“分季节”进行情景要素设定的思想，即通风季节、空调季节、采暖季节和调试季节，这不但利于改善室内热环境和空气品质，提高建筑能源利用效率，还可降低采暖空调能耗。 6.2 各季节建筑气候要素与情景设置 气候是影响建筑冷热需求的关键要素，它对建筑热环境的影响不是单纯某一个气象要素决定的，是多要素共同作用的结果。建筑节能需要从全局分析不同气候带来的不同热负荷影响以及把握负荷与主要外界影响因素的关系，以便有针对性地采取节能措施。外界环境对建筑物的影响是一个复杂的过程，对于建筑的热环境来说，通常温度、湿度与太阳辐射为最主要的气象影响因素。 本文选择水平太阳总辐射、室外空气干球温度与度日数、室外空气含湿量和室外风速为建筑冷热需求预测的气候要素，且均可采用区域建筑所在区域的典型气象年数据。 6.2.1水平太阳总辐射 包括各季节水平太阳总辐射，水平太阳辐射最大值及持续时间、最小值及持续时间和平均值，可根据建筑所在区域典型气象年数据分析确定。 6.2.2室外空气干球温度与度日数 包括各季节室外空气干球温度最大值及持续时间、最小值及持续时间和平均值，需根据建筑所在区域典型气象年数据分析确定。 6.2.3室外空气含湿量 包括各季节室外空气含湿量最大值及持续时间、最小值及持续时间和平均值，需根据建筑所在区域典型气象年数据分析确定。 6.2.4 室外风速 包括各季节室外风速最大值及持续时间、最小值及持续时间和平均值，需根据建筑所在区域典型气象年数据分析确定。 7. 城市区域建筑冷热需求预测的情景设置表 根据分析，本文构建了区域建筑冷热需求预测的情景设置表，如表7.1所示。 表7.1 区域建筑冷热需求预测的情景设置表 8. 结论 本文提出了采用“情景预测法”预测区域建筑冷热需求的方法。基于该方法，文章以城区规划，建筑冷热性能，城区建筑使用和城区建筑气候为城市区域建筑冷热需求预测的4类影响要素，以经济水平和发展目标，城市区域规划目标，区域建筑的总规或控规；当地建筑节能法规；实现规划后，城市区域社会形态要素；当地社会生活工作学习习惯和当地建筑能耗气候模型为情景设置的4类依据，分别分析了四类影响要素的内涵界定及确定方法，最后形成了“城市区域建筑冷热需求预测的情景设置表”，为区域建筑冷热需求的定量预测模型的研究奠定了基础。 在进行区域建筑的冷热需求预测时，需要按照本文提出的表7.1的情景要素分别设置不同情景。针对不同类型建筑，各情景要素对建筑冷热需求的影响显著性不同，影响规律也不同，因此，需分别进行深入研究，构建冷热需求预测模型，才能实现从情景设置到冷热需求的定量预测。笔者将在后期研究中开展此工作。 参考文献： 【1】 龙惟定，白玮，范蕊. 低碳城市的区域建筑能源规划. 中国建筑工业出版社. 2011 【2】 T. 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