摘要:通过模拟19612009年天津市商场建筑采暖和制冷能耗及不同节能水平居住建筑采暖能耗，采用百分位法确定了极端能耗阈值，分析了不同类型建筑的极端能耗年际变化特征，同时探讨了其与气候变化的关系。结果表明，近49年来，采暖期商场建筑热负荷极值日数呈显著下降趋势，而制冷期冷负荷没有明显变化趋势，但年际间波动较大;商场建筑热负荷极值对总热负荷的影响总体呈显著减小趋势，而冷负荷极值对总冷负荷的贡献呈弱的减少趋势，但没有通过显著性水平检验;一步节能居住建筑采暖热负荷极值日数呈显著下降趋势，且占总热负荷的比重显著减少;二步节能居住建筑仅有7年出现热负荷极值，而三步节能建筑热负荷49年来没有出现极值。逐步回归分析表明，平均气温是影响商场和居住建筑冬季热负荷极值的主要因素，而商场建筑冷负荷极值主要受湿球温度的影响。对商场建筑和居住建筑在设计和运行两个方面进行节能时要充分考虑能耗的变化特征以及不同时期对不同气候因子的响应，也要考虑制冷能耗极值的出现对空调系统运行安全的影响。另外，随着节能水平的提高，居住建筑能耗减少的同时，极端能耗出现的日数明显减少，有利于居住建筑节能。
关键词:商场建筑;居住建筑;能耗;极值;节能
1引言
建筑能耗一般指建筑使用能耗，包括采暖、空调、热水供应、炊事、照明和家用电器等，中国建筑能耗占社会终端能源总消耗的30%左右，而且随着城市化水平的提高，建筑能耗所占比例将进一步增加，至2020年将达到35%左右[1]。在总建筑能耗中，采暖和制冷能耗占主导，约占65%，其节能潜力巨大[1]。在所有建筑当中，公共建筑和居住建筑是社会建筑总能耗的主要部分[2]。中国居住建筑总能耗约为16亿吨标准煤，约占社会终端总能耗的20.7%[3]。从建筑入手展开建筑节能对降低社会终端能耗以及减少温室气体排放，从而保证能源的可持续发展具有重要意义[4]。
能耗的持续增加一方面与快速城市化进程中大量建筑增加有关，同时受经济发展和人民生活水平不断提高的影响，室内环境舒适度要求不断提升对能耗增加产生直接影响[3]。另外，建筑能耗与气候及其变化息息相关，气候条件是建筑能耗最基本的影响因素之一，也是影响建筑能耗效率的重要因子。它决定了一个特定建筑的太阳辐射量和室内温度，直接影响用于建筑采暖和制冷的能耗总量[4-6]。气候变暖不但影响到建筑节能设计气象参数[7]，而且对建筑围护结构以及制冷、采暖系统运行调控等产生影响[8-9]。开展气候、气候变化和极端气候事件对建筑能耗影响的评估，尤其是极端能耗的变化特征以及与气候要素的关系，可为提高供热、制冷系统的运行效能和安全提供依据，也有利于预测未来气候条件下极端能耗的变化特征。
目前，大多数研究基于年平均气温及度日数来研究建筑能耗变化[5，10-12]。但由于缺少日气温的波动，以及湿度、太阳辐射、风速等要素的考虑，使得难以准确评估气候变化对采暖制冷系统能耗使用的影响，而且没有考虑建筑本身的特点，无法详细描述关于气候变化对不同建筑能耗及采暖制冷系统运行效率的影响。另外，也有研究利用历史实测或记录的能耗数据，分析其与气候/气候变化的关系[13-14]。然而，实测能耗数据不但受气候变化的影响，而且受城市化以及经济快速发展的影响[13-14]，难以分离以及量化气候变化对建筑能耗的影响。因此，本文利用TRNSYS(TransientSystemSimulationProgram，瞬时系统模拟程序)软件模拟了19612009年天津市商场建筑采暖制冷能耗和不同节能水平居住建筑采暖能耗，采用百分位法确定了极端能耗阈值，分析了建筑能耗极值对气候变化的响应特征，为城市建筑节能提供依据。
2资料选取和方法介绍
2.1研究对象
建筑物根据用途可分为两大类:民用建筑和工业建筑。民用建筑包括居住建筑和公共建筑。公共建筑分为办公建筑、商场、酒店、图书馆和影剧院等，本文选取商场建筑代表公共建筑。居住建筑(以天津为例)根据不同时期节能标准的不同又分为第一步节能、第二步节能和第三步节能居住建筑。从20世纪90年代开始，建筑节能设计日益受到社会的重视，城市居住建筑将逐步实现三步节能，即在19801981年住宅通用设计的基础上节能65%，使建筑总耗能指标下降到14.4W·m-2左右[15]，本研究选取三种不同节能类型居住建筑。文中所选商场建筑为5层，建筑面积为24320m2，层高为4.5m;居住建筑均为9层，建筑面积为2790m2，层高为2.8m。不同节能水平居住建筑主要表现在围护结构和窗墙比不同。不同类型建筑具体设计参数见表1所列。
2.2资料选取和能耗模拟
所用气温、相对湿度、太阳辐射、日照时数、风速和风向数据来自天津市气象信息中心，其他气象要素通过计算获得。风速和风向数据为实测值;气温、相对湿度在2005年之前只有一日4次的定时观测数据和日极值数据，采用插补方法来获得气象数据。太阳辐射逐时数据是通过天文辐射计算并结合观测太阳辐射逐日数据获得。为了验证通过以上方法获取的气温、相对湿度和太阳辐射逐时数据的可靠性，任意选取了某时段的观测和插值数据进行对比分析。结果表明，气温、相对湿度太阳辐射逐时计算值和观测值回归分析的相关系数R2分别为0.96，0.98和0.96，均通过0.001的显著性水平检验，即获得的逐时数据是可靠的。
能耗数据是通过能耗模拟软件在气象场的作用下进行积分获得。采用TRNSYS软件进行能耗模拟。该软件由美国威斯康星大学建筑技术与太阳能利用研究所开发，并在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善，至今版本己达到17.0。该系统最大特色在于模块化的分析方式，即所有热传输系统均由若干个细小的系统(即模块)组成，一个模块实现一种特定的功能，只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件，这些模块程序就可以对某种特定热传输现象进行模拟，最后汇总就可对整个系统进行瞬时模拟分析。比如，在分析建筑能耗时，可以用到单区域分析模块(Single-zoneanalysismodule，TYPEl9)或多区域分析模块(Multi-zoneanalysismodule，TYPE56)，前者假定室内各处的空气温度是相等的，主要用于对室内热环境以及建筑的能耗作相对简单的分析;而后者则考虑到房间温度分布的不均匀性，分析结果更为精确。TRNSYS软件中的控制部件，模拟步长可以很小甚至0.001min，模拟结果更加真实，较其他软件更为精准，尤其是17.0版本的TRNSYS多区域分析模块可以精确的完成建筑能耗动态模拟[4]。根据2004年美国供热制冷与空调工程师学会制定的建筑能耗分析计算程序检验标准，该软件的精确度和可靠性均能满足要求[16]。此外，要对某建筑进行能耗分析，还需要气象数据处理模块、各朝向太阳辐射计算模块、数据处理模块以及输出模块等。由于受经济水平和居民生活习惯的影响，模拟能耗与实际能耗相比，有一定的差异，但在研究气候变化对能耗的影响方面被认为是非常可靠的[4-6]。而且通过对比分析监测能耗与模拟能耗的差异，不断修正模拟过程中的参数，可以使模拟值与监测值偏差控制在15%以内。通过输入两类初始数据，完成能耗的模拟。首先，19612009年每年的8760个(365d×24h·d-1)每种气象要素(干球温度、相对湿度、太阳辐射、风速、风向)的逐时数据;其次，与能耗相关的建筑参数，包括围护结构的传热系数、建筑物的室内设计温度、湿度和空气交换率、室内荷载强度、窗墙比等(表1)。
2.3极端能耗
参照气候学上确定极端气候事件的阈值方法，将某个百分位值作为极端值的阈值，超过这个阈值被认为是极值，该事件可以认为是极端事件[17]。建筑能耗阈值指标是将逐年日建筑能耗从小到大排列，49年中所有建筑能耗的第90个百分位值定义为该建筑的年极端能耗高阈值。年极端建筑能耗是指一年中日建筑能耗超过极端能耗阈值的能耗之和。利用广义帕累托分布(GeneralizedParetoDistribution，GPD)拟合建筑的极端能耗。广义帕累托分布是根据给定的某特定临界值(即门限值)筛选(某气候变量)样本序列中的极值所建立的超过该临界值的极值概率分布，被广泛用于拟合超过临界水位的洪水、大于某临界值的降水量、温度及风速等[18-20]。
2.4高低温日数
高温日数是指出现日最高气温达到或超过35℃的天数;低温日数是指出现日最低气温达到或低于-10℃的天数。
2.5人体舒适度指数
人体舒适度指数[21]表示为K=1.8T-0.55×(1.8T-26)×(1-f)-3.2槡V+32，(1)其中:K为人体舒适度指数;T为平均温度;f为相对湿度;V为风速。将人体舒适日数划分为舒适日数、热不舒适日数、冷不舒适日数、极冷不舒适日数和极热不舒适日数。
2.6统计分析
数据以SPSS10.0进行统计分析。极端能耗变化趋势由49年(19612009年)时间序列数据与年份进行回归获得，把能耗年值看作是时间的函数;采用多元线性回归分析了能耗与气候要素的关系，利用相关分析研究极端能耗与高低温日数以及舒适度日数的关系。P<0.05表示通过显著性水平检验。
3结果分析
3.1商场和居住建筑能耗极值的变化特征
3.1.1商场建筑
利用广义帕累托方法拟合了商场建筑能耗多年一遇的极值。从采暖期和制冷期商场建筑负荷多年一遇极值分布(表2)中可以看出，商场建筑至今出现的最大热负荷为8.93×107kJ·d-1，接近百年一遇的极值，而最大冷负荷为2.63×108kJ·d-1，属于百年一遇的极值;次大热负荷为8.73×107kJ·d-1，接近50年一遇的极值，次大冷负荷为2.60×108kJ·d-1，略高于50年一遇的极值。
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从极值日数出现的季节动态来看，49年中采暖期商场建筑热负荷极值日数(图1a)最多出现在1月，共302天，占热负荷极值总日数的51.3%;其次为12月和2月，分别为145天和136天，占24.5%和22.9%;3月和11月分别为5天，占0.84%。制冷期商场建筑冷负荷极值日数(图1b)主要集中在7月和8月，分别为325天和254天，占54.85%和42.47%;6月共10天，占1.67%，9月共6天，占1%。
从采暖期商场建筑的热负荷极值日数年际动态(图2a)中可以看出，热负荷极值日数总体呈极显著下降的趋势(P<0.01)，下降速率为3.5d·(10a)-1，年热负荷极值日数最多为39天，出现在1968年。20世纪80年代中期90年代中期热负荷极值日数下降最多，之后变化不明显。相反，制冷期冷负荷极值日数并没有明显的变化趋势(图2b，P>0.05)，年冷负荷极值日数最多为30天，出现在1994年，之后明显下降。商场建筑热负荷和冷负荷均存在明显的年代际波动，这与极端低温及高温日数的年代际变化趋势一致。
3.1.2居住建筑
利用广义帕累托方法拟合得到的居住建筑多年一遇极值(表3)表明，一步节能居住建筑至今出现的最大热负荷值为1.22×107kJ·d-1，高于百年一遇的极值，而次大热负荷值为1.19×107kJ·d-1，也属于百年一遇的极值;二步节能居住建筑至今出现的最大热负荷值为9.63×106kJ·d-1，接近100年一遇的极值，次大热负荷值为9.42×106kJ·d-1，接近50年一遇极值。二步节能比一步节能最大热负荷和次大热负荷分别降低了21.1%和20.8%。
与商场建筑一样，一步节能居住建筑热负荷极值日数最多出现在1月(图3a)，共310天，占极值总日数的52.3%;其次是2月和12月，分别138天和135天，占23.3%和22.8%;3月和11月各有6天，占0.84%。二步节能居住建筑极值最多出现在1月(图3b)，为5天，占71.4%;2月和12月各有1天，占14.3%。三步节能居住建筑没有热负荷极值出现。
一步节能居住建筑热负荷极值日数总体呈显著下降趋势(图4a，P<0.01)，下降速度为3.98d·(10a)-1，极值日数最多为40天，出现在1968年。1990年代下降最多，近10年又有微弱上升。热负荷极值日数较大的年际波动与年极端低温日数的变化有关。二步节能居住建筑热负荷极值仅有7年出现(图4b)，且多集中于60年代，近20年仅2009年有1天。
3.2极端建筑能耗对总能耗贡献率
3.2.1商场建筑
从19612009年商场建筑采暖期极端能耗占总能耗百分率的逐年变化(图5a)中可以看出，19612009年采暖期商场建筑极端热负荷占全年热负荷的百分率总体呈极显著下降趋势(P<0.01)，下降速度为4.37%·(10a)-1，表明极端热负荷对总热负荷的影响逐渐减少。在90年代中期之前下降趋势非常明显，之后又有微弱上升。另外，年极端热负荷占热负荷总百分率最高，为52%
(1968年)，即极值日数出现最多的年份。近49年，制冷期商场建筑冷负荷极值占全年冷负荷的百分率也呈总体弱的下降趋势(图5b)，下降速率为0.71%·(10a)-1，但没有通过显著性水平检验(P>0.05)。1994年极端冷负荷占总冷负荷百分率达到最高，为39%，之后明显下降。极端能耗占总能耗百分率的逐年变化与能耗极值日数变化趋势(图2)一致，存在明显的年代际波动。
3.2.2居住建筑
19612009年一步节能居住建筑采暖期热负荷极值占总负荷的百分率呈极显著下降趋势(图6a)，下降速率为4.18%·(10a)-1，表明极端热负荷对总热负荷的影响减少。年极端热负荷占总热负荷百分率最高为43%(1968年)，即极值日数出现最多的年份。一步节能建筑采暖期极端能耗占总能耗百分率存在较大的年代际波动，这与能耗极值日数的年际变化有关。二步节能热负荷极值仅在1965，1966，1967，1969，1978，1986和2009年这7年对总热负荷具有一定的贡献率，但贡献率很小，表明其对总热负荷的影响很小。
3.3气候变化对建筑极端能耗日数的影响
3.3.1气候要素与极端能耗日数的关系
近49年来，天津市制冷期平均气温、平均最高和最低气温均呈显著的上升趋势，增幅分别为0.33，0.26和0.41℃·(10a)-1，气温日较差减小;制冷期相对湿度下降明显，平均降幅为1.3%·(10a)-1。19612009年天津市采暖期平均气温、平均最高和最低气温显著上升，增幅分别为0.60，0.37和0.74℃·(10a)-1，气温日较差减小明显;相对湿度呈波动下降趋势，下降速率为1.3%·(10a)-1。另外，风速、日照时数及太阳辐射也呈显著下降趋势。利用逐步回归分析了19612009年商场建筑以及不同节能水平居住建筑各月极端能耗日数与各气候要素(包括平均气温、最高气温、最低气温、湿球温度、日照时数、风速和太阳辐射)的关系。结果表明(表4)，商场建筑采暖期热负荷、制冷期冷负荷以及居住建筑热负荷与气候要素的回归分析中仅有单一气候要素进入回归模型。采暖期影响热负荷极值日数的气候要素为平均气温，平均气温可以解释商场建筑和居住建筑热负荷极值日数变化的79%和75%以上，相关性均通过了极显著性水平检验(P<0.001);制冷期影响商场建筑冷负荷极值日数的主要气候要素为湿球温度，该气候要素可以解释8月冷负荷极值日数变化的78%，而7月份可以解释到86%，二者的相关性也通过了极显著性水平检验(P<0.001)。
3.3.2极端气候与不同建筑类型极端能耗日数的关系
低温日数的变化反映了寒冷天气的变化特点及变化趋势。近49年来，天津市低温日数总体呈下降趋势，下降速率为4.1d·(10a)-1。建筑热负荷与低温日数的相关性分析表明，商场建筑、一步节能和二步节能居住建筑的热负荷极值日数与低温日数的相关系数分别为0.941，0.939和0.404，均通过0.01的显著性水平检验，表明商场建筑最易受到低温日数的影响;其次是一步节能居住建筑，二步节能居住建筑相关性最低。另外，低温日数的变化趋势(图略)与商场及居住建筑热负荷极值日数一致，受此影响，热负荷极值日数呈较大年代际波动(图2a和4)。
近49年采暖期的极冷不舒适日数总体呈下降趋势，表明随着气候变暖，采暖期极冷不舒适日数正在减少，下降速率为0.45d·(10a)-1。采暖期冷不舒适日数整体变化不大，说明冷不舒适日数的变化受采暖期变暖影响较小。通过不同类型建筑的热负荷极值日数与不舒适日数的相关性分析可知，商场建筑、一步节能居住建筑、二步节能居住建筑的热负荷极值日数与极冷不舒适日数的相关系数分别为0.476，0.483和0.293，均通过0.05的显著性水平检验，与冷不舒适日数无相关性。
高温日数的变化反映了炎热天气的变化特点以及变化趋势。近49年来高温日数总体呈上升趋势，上升速率为1d·(10a)-1。商场建筑的冷负荷极值日数与高温日数的相关系数为0.313，通过0.05的显著性水平检验，表明冷负荷极值日数与高温日数有一定关系;商场建筑冷负荷极值日数(见图2b)较大的年代际波动与高温日数的出现有一定关系，但并没有呈现高温日数一样的上升趋势，也近一步说明冷负荷极值日数受到温度和湿度的共同影响。近49年制冷期热不舒适日数呈显著上升趋势(P<0.01)，上升速率为2.1d·(10a)-1。商场建筑的冷负荷极值日数与热不舒适日数显著相关(R=0.745，P<0.01)。
4讨论
本研究模拟的能耗一方面考虑了建筑特性，分不同建筑类型尤其是将居住建筑分为3个节能水平进行考虑;更重要的是模拟过程中综合了逐时气温、相对湿度、风速、风向以及太阳辐射等多个气候要素，没有经济水平以及人为生活习惯的影响，有利于研究气候变化对建筑能耗的影响[4，6]。
采暖期商场建筑和居住建筑的热负荷极值日数显著下降，而制冷期冷负荷极值日数并没有明显的变化趋势。该结果表明在不考虑经济因素的条件下，气候变暖明显降低了冬季采暖极端能耗，而且与采暖总能耗的变化趋势是一致的(数据未列出)，这与前人利用度日数的研究结果是一致的[22-23]。相反，商场建筑夏季制冷总能耗(数据未列出)以及极端能耗均没有显著变化趋势，这表明近49年来气候并没有明显改变制冷能耗，这与利用度日数得出的近年来夏季制冷能耗升高的结论不同[10，23]，也表明利用度日数反映制冷能耗是不全面的。商场建筑和居住建筑冬季极端能耗降低的同时，占总能耗的比例也呈明显的降低趋势。认为可以适当考虑降低商场建筑供热空调系统的装机容量，同时降低居住建筑的供热强度，有利于节能减排，但也要适当考虑能耗极值对采暖系统运行安全的影响，因为商场建筑至今出现的最大热负荷值已接近百年一遇的极值。尽管商场建筑制冷极端能耗没有明显的上升趋势，但年际波动较大，而且最大冷负荷值属于百年一遇的极值，要考虑极端高温高湿气候条件下空调系统的运行安全。
从一步节能至二、三步节能居住建筑，冬季采暖能耗明显降低，二步节能较一步节能居住建筑节能22.2%，而三步节能较二步节能建筑节能25.4%。另外，从一步至三步节能建筑，极端能耗下降更为明显，一步节能平均年极端能耗日数为12.1天，而二步节能仅为0.14天，三步节能没有出现极端能耗。这表明随着节能措施的提高，在降低总能耗的同时，也降低了极端能耗出现的机率，这对于节能减排是非常有利的，同时有利于保障采暖系统的安全运行。
商场建筑与居住建筑采暖极端能耗主要与平均气温有关，而商场建筑制冷能耗主要与湿球温度有关，表明夏季制冷能耗受温度和湿度的共同控制，这也是以往研究用制冷度日数反映制冷能耗不准确的原因，而冬季采暖能耗主要受气温的控制，从而利用采暖度日数来反映采暖能耗是可靠的。同样，低温日数与极端采暖能耗的相关性明显好于极冷不舒适日数，而高温日数与极端制冷能耗的相关性要明显低于热不舒适日数，也进一步说明冬季采暖能耗主要受气温的影响，而夏季制冷能耗不但与气温有关，而且与湿度有较大的关系。在研究夏季制冷能耗与气候的关系以及预测电力负荷时，不但要考虑温度，更要考虑其他要素比如湿度的影响。总体上，在建筑节能方面要充分考虑能耗的变化特征以及不同时期对不同气候因子的响应，气候/气候变化引起的建筑能耗的增加可以通过节能设计参数、围护结构以及空调或者采暖系统容量等方面的改变而加以控制，在设计和运行两个方面进行节能;另外，要考虑能耗极值的出现对采暖空调系统运行安全的影响，新建建筑可进行预评估，适当的改变系统容量，保证室内环境舒适和提高系统运行效率。
5结论
利用TRNSYS能耗模拟软件模拟了19612009年天津市商场建筑采暖及制冷能耗以及不同节能水平居住建筑采暖能耗，采用百分位法确定了极端能耗阈值，分析了极端能耗的年际动态，研究了气候要素及极端气候对能耗的影响，得出以下主要结论:
(1)采暖期商场建筑和居住建筑的热负荷极值日数显著下降，而制冷期冷负荷极值日数并没有明显的变化趋势，但存在较大的年际波动，表明气候变暖明显降低了冬季采暖极端能耗，而没有明显改变夏季制冷极端能耗。
(2)随着节能水平的提高，冬季采暖能耗明显降低，极端能耗下降更为明显，从一步到二步节能建筑年极端能耗日数从12.1天降为0.14天，而三步节能建筑并没有出现极端能耗，这表明节能措施降低了极端能耗出现的机率，有利于节能减排和保障采暖系统的安全运行。2期李明财等:气候变化对天津市商场和居住建筑极端能耗的影响581
(3)极端能耗与气候要素及舒适度日数的回归分析表明建筑采暖极端能耗主要受平均气温影响，而制冷主要受温度和湿度的共同影响，在夏季研究能耗与气候的关系或作电力负荷预测，尤其是极端负荷预测时要考虑高温高湿天气的同时发生。——论文作者：李明财1，郭军1，史珺2，熊明明1
