基于类型学方法的城镇住宅节能改造效果的分类评估——以重庆市为例.pdf
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1、104 1/2024 新建筑|考察与研究作者单位黄海静:重庆大学建筑城规学院,山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆,400045)林犀:重庆大学建筑城规学院(重庆,400045)基于类型学方法的城镇住宅节能改造效果的分类评估以重庆市为例Classified Evaluation of the Effect of Energy Efficiency Retrofitting for Urban Housings Based on Typology Approach:A Case Study of Chongqing摘要针对城镇住宅量大面广、复杂多样、能效偏低且参差不齐的现况,基于类型学方法
2、,以重庆市19502000年间的城镇住宅为例,采用CHAID决策树算法,按照建造年代、住宅套型和套型组合三种属性,从373例样本中归纳出围护结构的三个大类和24个子类,并构建原型的物理模型。模拟分析表明:分类评估可以更好地解释不同建筑类型冷、热负荷需求的影响因子及其显著程度,筛选出最不节能的类型及各类型最不利于节能的部位;不同类型住宅的冷、热负荷节约率取决于节能改造后不同部位的贡献度。推荐运用CHAID决策树算法对节能改造评价标准进行类型化细分,并扩展至更大区域范围的能效评估和改造潜力预测。关键词城镇住宅围护结构的节能性能建筑类型学CHAID决策树节能改造效果的分类评估ABSTRACTUrba
3、n housing stock is of large scale and diversity,with low and uneven energy efficiency.In view of this situation,this paper investigates the urban housing of Chongqing during 1950 and 2000 with the typology approach and the CHAID decision tree algorithm,summarizes three major categories and 24 subcat
4、egories of building envelopes from 373 samples according to three attributesof construction year,unit type and unit composition,and constructs physical models of the archetypes.By simulation,it shows that classified evaluation can better explain the impact factors and their significance for various
5、types of cooling and heating load demands,contributing to screening out the types with the worst energy efficiency,and the parts of each type that are most unfavorable for energy efficiency.The saving rates of retrofit measures with different depths on cooling and heating loads also depends on the c
6、ontributions of different types and their different parts.It is proposed to subdivide the evaluation standards for energy-efficiency retrofitting based on CHAID decision tree,and to extrapolate to a larger area for energy-efficiency evaluation and retrofit potential prediction.KEY WORDSurban housing
7、;energy-saving performance of building envelopes;typology approach;CHAID Decision Tree;classified evaluation of the effect of energy efficiency retrofitDOI10.12069/j.na.202401104中图分类号TU201.5文献标志码A文章编号1000-3959(2024)01-0104-06基金项目国家自然科学基金项目(52078071)本文引用格式黄海静,林犀.基于类型学方法的城镇住宅节能改造效果的分类评估:以重庆市为例J.新建筑,20
8、24(1):104-109.HUANG H J,LIN X.Classified evaluation of the effect of energy efficiency retrofitting for urban housings based on typology approach:A case study of ChongqingJ.New Architecture,2024(1):104-109.黄海静林犀HUANG Haijing LIN Xi1研究背景推进既有建筑节能改造是实现“双碳目标”的关键途径之一。近期数据显示,夏热冬冷地区的民用建筑能耗呈逐年增长态势,年能耗量已远高于严
9、寒和夏热冬暖地区,仅稍低于寒冷地区,且在20092017年间年均增长率达到10.2%1;其中城镇住宅采暖能耗年均增长率更是高达50%以上,运行碳排放量也逐年走高2。当前该地区典型城镇住宅的全年空调采暖能耗强度约在27.38 kWh/m248.77 kWh/m2之间3-4,远超“中国建筑节能技术路线图”规划的20 kWh/m2限额5,且高低差异明显。城镇住宅量大面广,复杂多样,因缺乏合理的节能设计导致能源浪费严重。要从整体上改变用能强度偏高的现状,需对存量的类型构成、能效水平、改造效果和潜力进行系统性地评估,进而为指导分级分类、精打细算式的节能改造提供依据。类型学方法(typology appr
10、oach)作为一种提供理性基础的分析工具,多用于建筑创作、城市设计和历史建筑保护等方面。类型学方法在建筑节能改造领域的应用始于1990年代,近三十年来陆续在以德国、丹麦和意大利为代表的多个国家得到广泛应用,其有效性获得证明和认可6-8。该方法首先借用大样本数据和统计分析,通过归纳一组有代表性的原型建筑(archetype)来描述存量,简化存量的复杂多样性9;然后,以原型建筑为核心构建物理模型系统,利用从原型到变体的类推,实现能效现状分类评估、改造技术措施分类评价、全生命周期改造成本优化分析、节能减碳情景预测等多种目的10-11。除了国家和气候区层级,越来越多的类型学研究开始关注区域层级(城区或
11、社区)的住宅节能改考察与研究|新建筑 1/2024 105造12,对区域内住宅形式、围护结构的构造参数进行分类统计并给出细致的类型清单13-14,或利用原型组合成“类型学地图”来辅助区域节能改造规划15-16。近年,大数据和人工智能技术被用于区域能源建模、制定节能分类标准和提出改造方案17-19。但目前这类数据驱动的模型,无论是“自上而下”还是“自下而上”的路径,均不能解释既有建筑终端的能耗影响因子。类型学是一种“自下而上”的物理建模方法,模型中嵌入了详细参数,是评估建筑构件性能和节能技术措施的不可或缺的重要手段,在推算区域节能潜力时能兼顾运算速度快和准确度高两方面的要求20-21。尽管有部分
12、数据驱动研究混合了物理模型22-23,但模型的简化程度较高,忽略了不同年代住宅的体形形式和热工参数的显著差异。本研究基于类型学方法的一般流程“数据收集确立分类标准构建原型并验证模型应用”,以重庆市19502000年间城镇住宅为例,结合当地住宅发展历程、形式构造特征及数据条件,选择基于卡方自动交互检测(chi-square automatic interactive detection method,CHAID)的决策树(decision tree,DT)算法来分类样本,构建原型建筑模型并与真实电表数据进行对比验证,进而通过模型的模拟计算,对各原型建筑的围护结构节能性能现状和改造后的节能效果进行
13、比较和分类评估。2重庆城镇住宅(19502000年)的基本特征和构成2.1研究对象重庆是夏热冬冷地区节能减排的重点城市,但在2001年建设部发布夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ134-2001之前住宅普遍无节能措施,而城区中成片分布的新中国成立以来(19502000年)建设的大量住宅仍在使用中。这些住宅外观和结构陈旧落后,且保温隔热性能差、室内舒适度不佳、能源利用效率低。国务院于2020年明确了全面推进城镇老旧小区改造任务,提出重点改造2000年底前建成的老旧小区24;住房城乡建设部等部门2023年发文重申城镇老旧小区改造工作,强调重点推进既有建筑节能改造25。因此,本文将重庆19502
14、000年间建成的老旧小区住宅作为节能改造的研究范围。影响建筑终端能耗主要因素有六种:气候、建筑围护结构、设备系统、建筑运行和维护、居住者行为和室内环境条件。后三种属于人为因素,涉及参数复杂,很难直接定义;前三种属于技术和物理因素,相关参数在建筑运行过程中相对确定,可用以来评估建筑的能效26。我国夏热冬冷地区制定节能设计标准时提出,“提高围护结构性能”与“改善采暖空调设备系统的性能”二者对节能量的贡献率各占一半27。围护结构节能性能的提升是住宅节能改造的重要内容,对于改造后节能效果的评估也应当针对围护结构的不同类型属性和特征加以考虑28。因此,本文重点研究住宅围护结构的节能性能评估和改造措施的节
15、能效果。2.2样本住宅基本特征和构成建筑信息和能耗数据的采集是节能改造的基础29。为选出代表性样本,本文通过文献资料研究当地住宅建设历史、国家及地方建筑节能的法规和标准,对19502000年期间的重庆住宅建设和技术发展阶段、各阶段住宅常见类型、结构形式、构件类型的演变情况进行整理(表1)30-33;再结合现场初勘,选定重庆市沙坪坝区重庆大学、双碑街道和电力小区三个地块取样。利用遥感影像图、三维街景和全景静态图相结合的方式进行远程测量和编目34,结合现场实测和档案图纸查询方式进行调校、检验和补充,采集到两类样本数据:样本I为建筑基本信息和特征参数(共373栋,821个单元,涉及居民1.1万多户,
16、建筑面积近80万m2),样本II为建筑构造做法和热工参数(包含在373栋内的40栋)。对特征参数进行统计和相关性分析,按照最显著相关的参数(年代、套型、层数)将样本I分为三大类,并分析各主要住宅套型的面积分布(图1,表2)。样本II的围护结构构件的传热系数分布特征显示(图2):三个大类的外墙K值(传热系数)大多接近,约2.00 W/(m2K);屋顶K值分布较分散,从0.28到3.47 W/(m2K)不等,只有第二类大致集中在1.50 W/(m2K)左右;楼板和地面K值分布与屋顶相似,在大类类间和类内的区别都较明显。样本II的窗墙比特征显示(图3):南北向窗墙比(包含外门)在0.200.35之间
17、,第二和第三类的平均值稍大于第一类;第三类的东西向窗墙比平均值大于第一类,且明显大于第二类。第一类的套型较固定,窗墙比相似;第二类的套型变化较多,早期的门窗尺寸有通用模数,后期由于套型面积标准提高、外门窗加高加宽,很多居民还会封闭外阳台并取消与居室间的隔墙,因而南北向窗墙比增大许多;第三类的套型变化更多,尤其是后期框架、框剪结构的采用,开窗面积增大明显。另外,三个大类的外窗普遍是木框单层透明玻璃、铝合金框单层有色玻璃(主要是第三类),气密性较差,且均无表119502000年间重庆住宅建设、形式类型及建造技术概况阶段发展概况常见住宅类型结构形式构件类型全面恢复阶段19501957年国民经济得到恢
18、复,生产和建设逐渐走上正轨。居住条件相对建国初期的恶劣情况得到一定的改善苏联风格的一楼一底、两楼一底、三楼一底的外廊式和梯间式;旧草房改成的瓦房,半砖夹墙瓦屋面的平房50年代初的住宅多为低层砖木结构,50年代中期开始采用砖混结构。80年代,砖混结构已成为重庆地区城镇住宅的主要结构形式,且极具山城特色。为避免粘土砖的取材对耕地造成破坏,相继出现了页岩砖、煤矸石砖、蒸压灰砂砖、加气混凝土砌块等多种新型建材。到1987年,非粘土砖的生产已占到全市产砖量的68%。80年代末,针对砖混结构的缺点进行改造增强,并提倡发展空心砖、复合外墙体系以减小自重并提高热工性能。由于高层住宅和底商住宅发展,出现了轻框结
19、构、薄壁异形柱、约束砌体、上砖下砼等新型体系50年代的楼面多使用钢筋混凝土现浇平板或预制平板,有的使用预制小梁现浇板,起吊设备改善后,开始采用预制槽形板和空心板50年代屋顶防水材料基本是沥青油毡;60年代是杰洛克防水屋面;70年代采用氯丁橡胶、桐油沥青、嵌缝油膏,并开始广泛采用平屋面徘徊停滞阶段19581978年大跃进时期,城市建设几乎停滞。60年代初虽然短暂恢复,受文革影响后又跌入低谷,一直没有突破性的进展34层的砖砌内廊式,就 地 取 材 的 石 砌 夯 土房,标准很低;大型企业工厂的职工宿舍,包括二楼一底平瓦屋面的梯间式住宅和二楼一底的外廊式住宅高速发展阶段19791995年城 市 面
20、貌 进 一 步 改善,现代化都市初具规模。住房制度正式改革后,建设规模逐年增大、建设质量大幅提高出现成片的住宅小区:各户成套且带独立的厨房和卫生间,有两室一厅、三室一厅等户型;各单元为一梯两户、一梯三户及以上的梯间式19591985年预应力多孔板是楼面主要构件,之后则基本采用钢筋混凝土板针对重庆夏季的炎热,有了集承重、防水与隔热为一体的屋面板材、反槽板、封闭式空心板。屋顶采用架空通风、种植蓄水隔热等降温措施迅猛增长阶段19962000年为匹配重庆直辖市的定位,开始着手对城市面貌进行大刀阔斧的改造更新,城市建设再上一个新台阶标准较高的多层住宅;更多类型的高层住宅,如Y形、T形、蝶形、十字形、工字
21、形、井字形等平面形式到90年代后期,砌体结构、底部框架剪力墙砌体结构、薄壁异形柱框架结构,已成为重庆住宅建筑中最为常用的三大结构体系资料来源:根据文献30-33整理106 1/2024 新建筑|考察与研究正规遮阳设施。2.3基于CHAID决策树的分类类型学的分类是在大量个体的共通点和差异点之间找到一个相对平衡的层面,具体方法就是找出少数关键特征来尽可能地代表最大多数的类特征。由上述分析可见,按照不同年代、建筑套型和层数的分类还不足以充分反映类别之间的差异,需要深度挖掘数据特征和能耗影响因子之间的关系。考虑现有数据条件和数据特征,以建立一套简明直观的分类规则为目的,选择CHAID决策树算法(决策
22、树是一种有监督的机器学习分类算法,CHAID是其生长方式之一)进行分类。为研究围护结构节能性能,由于无直接可用数据,需将围护结构节能性能的关键指标转换成建筑的属性特征来分类:关键指标包含体形系数、窗墙比、构件性能(各构件传热系数、外窗的气密性和遮阳系数);属性特征包含建造年代、住宅套型(形式和套型面积)、套型组合(开间数、单元数、毗邻方式和层数)等(图4)。在年代和套型确定的条件下,窗墙比和构件性能对应的参数数值表2不同类型住宅的典型构造和传热系数套型和形式布局特征示例建筑典型构造层次和传热系数/W m-2K-1第一大类:平房、廊式(短外廊、长外廊、内廊)、小梯间式特征:基本上建造于1978年
23、以前,1980年后有少量平房和外廊式,以13层的低层为主;外观方正紧凑,纵横墙体平直,进深为12间,多开间并排,局部外凸为加建厨房和卫生间;坡屋顶屋面平瓦+杉木屋架3.48外墙清水红砖2.03外窗木框单层玻璃5.03楼板木地板空心砖1.22屋面平瓦+杉木屋架3.48外墙清水青砖2.03外窗木框单层玻璃5.03楼板预制空心板1.92第二大类:梯间式(一梯两户)特征:1978年左右开始逐渐占据主导,410层,主要是67层;每户独立成套,带厨房和浴室,初期体形方正紧凑,随着后期面积标准提高,居室个数增加,外轮廓呈现更多的凹凸;14个住宅单元并排或者错接;平屋顶屋面预制板架空通风1.99外墙实心粘土砖
24、1.97外窗木框单层玻璃5.03楼板预制空心板1.87屋面400厚空气间层0.88外墙灰砂砖 2.40外窗铝合金有色单层玻璃5.80楼板预制空心板1.87第三大类:梯间式(一梯三户、一梯四户、一梯多户)特征:1985年后开始出现,1990年后数量急剧增加,714层,由多套房围绕楼梯间组合而成;由于结构选型的更新,外轮廓呈现更多凹凸,空间划分相对自由,次立面开窗增多;13个住宅单元并排或者错接,或对接形成天井;平屋顶屋面种植蓄水屋面0.27外墙页岩砖2.06外窗铝合金有色单层玻璃5.80楼板预制空心板1.87屋面炉渣找平屋面1.72外墙加气混凝土0.65外窗铝合金有色单层玻璃5.80楼板钢筋混凝
25、土板3.00资料来源:作者绘制1样本I套型面积分布2样本II40栋住宅围护结构构件的传热系数分布长廊式短廊式内廊式平房小梯间式 一梯多户一梯两户一梯三户一梯四户套型面积/m2200160120804001平房平房长廊式长廊式内廊式内廊式内廊式小梯间式小梯间式小梯间式小梯间式小梯间式一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯两户一梯三户一梯三户一梯三户一梯三户一梯四户一梯四户一梯四户一梯四户一梯四户一梯四户一梯四户一梯四户一梯多户一梯多户传热系数/Wm-2K-14.003.002.001.000.00一类二类三类外墙屋顶楼板地面2
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