低碳建筑发展理念下高校宿舍建筑用能行为优化分析.pdf

019237|2023|12建筑学图 3长春市逐时日干球温度图 1男生四公寓图 2女生一公寓引言全球环保意识不断提高，一些低碳的生活方式渐渐被人们接受，低碳理念也逐渐深入人心。中国建筑节能协会 2022 年年底发布的中国建筑能耗与碳排放研究报告（2022）显示，2020 年全国建筑全过程碳排放总量为 50.8 亿吨，占全国碳排放量的 50.9%1。对于建筑行业而言，低碳建筑已成为一种必然趋势，建筑行业的低碳转型迫在眉睫。高校作为培养未来社会人才的重要场所，其宿舍楼的能耗问题也备受关注。如何在保证宿舍楼居住者舒适度的前提下，尽可能地降低其能耗，成为了当下亟须解决的问题。高校宿舍楼是一个能源消耗较大的建筑群体，其能源消耗不仅涉及到学生的日常生活，还涉及到学校的管理和维护。因此，对高校宿舍楼的能源消耗进行优化分析是非常必要的。于是，本研究打算从用能行为着手，探析不同性别与不同朝向建筑内的学生所产生的用能行为对高校学生宿舍楼的能源消耗的差异性。1 研究对象及研究方法1.1 研究对象本研究以吉林建筑大学男生四公寓宿舍楼摘要：现如今，低碳建筑已成为一种必然趋势，它可以减少能源消耗和碳排放，提高建筑的可持续性。高校学生宿舍楼作为一个能源消耗较大的建筑群体，对其能源消耗进行优化分析至关重要。文章以严寒地区的高校学生宿舍楼为研究对象，浅析从用能行为角度对寒地校园宿舍楼的优化设计，模拟分析设计出符合寒地气候特征的低能耗校园宿舍，分析了该建筑的能源消耗特点和存在的问题，并提出了一些优化措施，包括建筑节能改造、设备更新和管理措施等。Abstract：Nowadays,low-carbon buildings have become an inevitable trend,which can reduce energy consumption and carbon emissions and improve the sustainability of buildings.As a large energy-consuming building group,it is important to optimize the energy consumption of dormitory buildings in colleges and universities.The paper takes a college student dormitory building in a cold region as the research object,analyzes the optimized design of the cold campus dormitory building from the perspective of energy consumption behavior,simulates and analyzes the design of a low energy consumption campus dormitory that meets the characteristics of the cold climate,analyzes the energy consumption characteristics and problems of the building,and proposes some optimization measures,including building energy-saving renovation,equipment renewal and management measures.关键词：用能行为；学生宿舍；低碳建筑；建筑能耗；优化策略Keywords：energy use behavior；student dormitory；low-carbon building；building energy consumption；optimization strategies文张曦元吉林建筑大学建筑与规划学院副教授赵宝玺吉林建筑大学建筑与规划学院硕士研究生DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.12.007Optimization Analysis of Energy Consumption Behavior of University Dormitory Building under the Concept of Low-carbon Building Development低碳建筑发展理念下高校宿舍建筑用能行为优化分析和女生一公寓宿舍楼为研究对象。男生四公寓宿舍楼形状呈 L 形（图 1），共 6 层，每层平均设置房间 35 间和洗漱间 2 间；女生一公寓宿舍楼形状呈“凹”形（图 2），共 6 层，每层平均设置房间 82 间、洗漱间 5 间和配电室 2 间。吉林建筑大学位于中国吉林省长春市，根据建筑热工设计分区，长春处于严寒地区气候区，春季大风天气较多，环境较为干燥，夏季时间短暂，秋季室外温差较大，冬季寒冷且漫长，最低气温-28.1，最高气温 34.4，逐时日干球温度和太阳辐射如图 3 所示。1.2 研究方法1.2.1 实地访谈前期对两栋宿舍楼居住的学生进行访谈，以确定本研究的宿舍楼内存在的用能行为，方便接下来的问卷设计。1.2.2 问卷调查通过用能行为分析，即通过对使用能源、产生能源消耗的行为分析去优化寒地宿舍楼建筑。因为研究主要针对学生在宿舍楼内间接或直接产生的碳排放行为，在建筑内，主要是学生的耗电行为等，所以在设计问卷结构上主要为学生在建筑内的耗电行为。2 数据来源及数据分析2.1 数据来源首先，本研究选用对论文的词频统计，对宿舍楼可能会存在的用能行为的特征词进行初步筛选。其次，选用实地观察法和线下访问法，去获得符合本研究的用能行为特征，并结合初步筛选的用能行为特征，总结出具体的用能行为（表1）。通过对住宿学生的访谈与实地观察发现，当前宿舍存在许多用能行为，如电脑、饮水机等电器设备的使用行为；照明灯具的使用和调节产生的照明行为；使用夏季制冷设备或冬季制热/供暖设备产生的供暖/制冷设备使用行为以及非直接产生能源消耗的开窗行为、遮阳设施的调节行为等，并以此作为下一步问卷调查的具体内容。共发放调查问卷 124 份，收回有效问卷124 份，并对其问卷数据进行统计分析，结果如柱状图所示（图 4）。根据得到的数据权重值占比，本研究主要开展针对照明行为、开窗行为为重点以及与其相关的遮阳行为为辅的研究。2.1.1 问卷设计确定本研究的用能行为后，继续发放调查020问卷。问卷为自我设计，分为 3 大板块。第 1板块为基础信息，包括性别、学历、宿舍主朝向和居住楼层；第 2 板块为统计学生的用能行为信息，根据照明行为和开窗行为的定义及相关研究，问卷调查内容包括：在晴朗白天，照明灯的使用时长、使用习惯及原因，窗户的使用习惯、开窗原因以及遮阳的出发条件等；第 3板块主要是调查大学生的节能意识。2.2 数据分析最后，总共收集到问卷 266 份，并且通过IBM SPSS 26.0 软件对问卷进行分析。本研究采用了描述性统计分析、频率分析、多重响应集交叉分析、单因素方差分析等方法，对问卷调查进行数据分析。对问卷中的基础信息部分进行频率分析，从其结果可以看出性别比例和被调查者楼层分布基本保持在 1 1，由于南向宿舍房间较多，所以一半以上的被调查宿舍为朝南的。2.2.1 照明行为分析根据问卷第二板块，可将用能行为信息分为照明、开窗和遮阳行为，主要对其进行差异性分析。首先对照明行为进行分析。将宿舍朝向与开灯时长进行方差分析，最终结果如表 2所示，宿舍朝向与在宿舍晴朗白天的开灯时长有显著性差异（p 0.01）。利用 t 检验分析，因为 p 0.05，所以性别因素与在宿舍晴朗白天的开灯时长无显著性差异，所以在进行相关照明行为的设计时可暂不考虑性别差异。从表 3 可知，利用卡方检验（交叉分析）去研究宿舍房间主朝向对于照明灯使用习惯的四个选项的差异关系，并且宿舍房间主朝向对于 4 项均呈现出差异性。经调查，在宿舍晴朗白天开灯的原因除因为建筑的朝向和楼层等基本要素外，显著的原因是个人习惯与窗户的材料设定，所以我们在后续提出优化建议时可关注人员管理与建筑材料应用的优化等。2.2.2 开窗行为分析对宿舍房间主朝向与开窗时间段进行交叉分析，分析结果如表 4，宿舍朝向与在宿舍的开窗时间段有显著性差异（p 0.01）。由表 5 可知，宿舍不同朝向选择开窗的时长在 60 分钟左右。西向选择 60 分钟以上的比例为39.53%，高于平均水平 30.08%；东向选择 60 分钟以下的比例为57.63%，高于平均水平33.83%；北向选择 60 分钟以下的比例为 50.00%，高于平均水平33.83%；南向选择白天保持窗户开启的比例为45.65%，高于平均水平18.80%。2.2.3 遮阳行为分析针对遮阳行为分析，主要对其窗帘状态的变化与性别进行交叉分析，性别对于窗帘状态的变化呈现出 0.01 水平显著性（chi 33.317，p 0.000 0.01），通 过 百 分 比对比差异可知，女性选择一直关闭的比例为14.71%，明显高于男性的 6.92%。2.2.4 节能意识分析由图 5图 7 可知，现大部分学生节能意识薄弱并且几乎不会关注相关新闻，而且在日常生活中很少接受到相关的节能教育。3 结果分析3.1 照明行为通过前期的问卷调查可知，照明行为分析上，宿舍的朝向对其有较大影响，故对其进行差异性分析，结果显示其中南向宿舍的居住者平均开灯时间控制在 0 3 小时内，南向宿舍相比于北向宿舍可以节约开灯时长大约 3 6 小时。在开灯原因的选择上，除常规选项外，许多学生认为宿舍进深过深，导致房间靠门处光线过暗，所以选择开灯，并且在使用照明灯的习惯上，北向的采光没有南向好。使用者为了保证正常的工作、生活，不得不借助室内的灯光满足室内照度需求，所以在长时间的需求下，促使使用者养成了在固定时间开、关灯的习惯2。南向宿舍在习惯时间段内一直关闭，而北向宿舍会习惯起床就开启或一直开启，即建筑朝向的不同导致室内采光环境发生变化，最终促成了室内使用者的照明行为的差异。所以，照明行为结果分析可以帮助建筑师更准确地设计不同的建筑与制定不同的用能行为策略，尽可能分选择南向朝向，用自然光满足居住者日常的照明需求。如果建筑朝向导致没有更充足的室内采光，可以在灯具上选取节表 1访谈总结表 3朝向与照明灯使用习惯的交叉分析表 4朝向与开窗时间段的交叉分析表 2朝向与开灯时长的方差分析图 4用能行为调查021237|2023|12建筑学能型照明设备，以减少建筑能耗。3.2 开窗行为开窗可以更好地通风换气，改善室内环境。调查开窗原因时，南向宿舍的居住者更多选择温度高时开启，其余朝向的居住者更多会考虑室内的空气质量，可以在后期提出优化建议时，针对南向窗户进行特殊设计。此外，被调查者中的 73.31%选择了室内空气质量差时会开窗和 60.15%选择了习惯性定期通风换气，频繁的开窗行为也会导致建筑能耗的增加。宿舍朝向的不同对热舒适和空气质量的要求不同，导致其开窗行为的规律特征有所差异。由于宿舍朝向的不同，所以选择开窗的时间段也会不同，东向选择早上的比例为 89.83%，西向选择下午的比例为76.74%，南向选择中午的比例为 81.52%，由此可以看出，大家喜欢在日照充足的条件下选择开窗。南向由于室内温度较其他方向高，会选择白天保持窗户开启，这样也会加大建筑能耗。3.3 遮阳行为通过问卷调查可知，除白天打开窗户晚上关闭窗户外，女生会更注重隐私，会选择一直关闭或人在宿舍时关闭窗户，但这样的遮阳行为会增加室内的照明行为产生，间接地增加建筑能耗。所以，窗帘或其他遮阳设备的安装可分不同性别进行处理，并且在遮阳设备安装时，相比于南向宿舍，北向宿舍可以采用对室内光线改变较小的遮阳设备。4 建议根据前部分文章对部分用能行为的相关分析，从建筑设计、开窗方式、人员管理等方面提出有利于降低建筑能耗的优化策略：参考文献：1主要责任者不详.数智赋能建筑可持续发展J.中国建设信息化,2023(06):41-43.2刘佳琦.DNAS理论下用能行为对办公建筑能耗影响研究D.大连:大连理工大学,2019.3武文博.基于绿色建筑评价标准下的大学生公寓设计研究D.西安:西安建筑科技大学,2015.（1）通过问卷得知，房间的朝向不同主要导致了照明行为的增多，本研究可以在后续的建筑设计中适当地旋转建筑角度以获取更好的朝向。当自然光源充足的条件下，可使宿舍整体更向低碳、低能耗化建筑方向发展。部分学生选择开灯原因为房间进深过深导致照明行为增多，并且有相关文章通过模拟后得到的结论是：“单独增加宿舍层高，或者窗高，均不能改善室内采光状况；增大窗宽可以改善室内光环境，但相应的房间的开间需要增大。而去掉阳台的室内光环境较为适宜学生进行生活学习。”3综上，可对本研究所研究的对象提出建议，适当减少阳台进深或取消阳台，单独设计杂物间，不仅可以增大宿舍面积，也可以改善室内光环境，减少能源消耗。（2）大部分学生选择开窗的原因是宿舍的室内环境较差。所以有效的室内自然通风可使夏季在不消耗其他能源情况下，有效降低室内温度，降低能源消耗问题等。因此，本研究可以改善高校宿舍室内通风，可采用风压通风、热压通风以及选择不同的窗户开启模式。（3）由于宿舍朝向不同，所以对遮阳方式的选择也不同，建议南北向宿舍采用水平遮阳，而东西向宿舍采用水平遮阳结合垂直遮阳的形式。这样可以让阳光在冬季进入室内，而在夏季时被有效地阻挡住，减少能耗。（4）通过调查发现，学生在节能意识方面薄弱并很少接受到节能教育，所以在管理建筑内人员用能行为产生的时候，可以分开制定管理计划，并且应该建立科学的能源管理机制，推广节能减排的理念和方法，形成全民节能的氛围。此外，宿舍楼还应该通过多种宣传渠道，如电子屏、公告栏、宣传册等，向学生和其他相关方面普及节能减排的知识和技能，鼓励大家积极参与节能减排行动，为可持续发展作出贡献。结语通过对高校学生宿舍楼能耗现状及学生的用能行为进行调研和分析，结合低碳建筑设计理念，提出了一系列低碳建筑设计理念下的高校宿舍楼能耗优化方案和策略，为高校宿舍楼的能耗管理提供参考和支持，以此更好地服务于绿色校园及低碳校园的相关研究及建设。因此，应该采取科学的节能减排措施，不断提高能源利用效率和环境保护水平，促进经济社会可持续发展，营造良好的生态环境和社会氛围。表 5朝向与开窗时长的交叉分析表 6性别与窗帘状态变化的交叉分析图 5关注度图 6节能意识图 7是否接受过相关教育图表来源：文中图片、表格均由作者自绘