寒冷气候下住宅建筑热能基准评估的数据驱动多因素框架

《Energy》：A Data-Driven Multifactorial Framework for Thermal Energy Benchmarking of Residential Buildings in Cold Climate

　　

摘要

寒冷气候地区的住宅建筑是热能的主要消耗者和CO₂排放的重要贡献者。本研究利用代表四年运营数据的4,052,208条实测天然气消耗记录，为住宅建筑建立了热能基准。此外，将这些记录与525户家庭的实地调查结果相结合，分析了建筑物理特性、建筑服务设施、社会文化因素和经济因素对天然气消耗的影响。采用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）分析了64个驱动因素，量化了它们对天然气消耗的相对贡献。基准值和每小时消耗模式从运营数据集中提取，以描述多个城市的住宅热性能。结果表明，建筑物理特性（β = 0.542）和建筑服务设施（β = 0.481）对天然气消耗的影响最为显著，而社会文化行为（β = 0.382）和经济因素（β = 0.234）的作用相对较弱。所提出的基准为寒冷气候地区住宅热性能评估提供了实证参考，支持有针对性的能源管理策略。研究结果强调了将建筑围护结构设计、暖通空调效率和居住者行为整合到能源管理策略中的重要性。该方法论框架可以通过使用代表性的实测能耗数据进行本地化校准，应用于其他寒冷气候地区。

引言

建筑部门在全球能源使用和温室气体排放中发挥着至关重要的作用。根据全球建筑与建筑联盟（2020年）的数据，该部门占全球能源消耗的36%和能源相关CO₂排放的37%[1]。在该部门中，住宅建筑占比最大，占总需求的22%和直接及间接CO₂排放的17%[1]。伊朗也呈现出类似趋势，其住宅和商业建筑部门的终端能源消费量超过38%，约占全国CO₂排放的23%[2]。伊朗是全球十大CO₂排放国之一3, 4, 5；然而，它并非工业化或发达国家。这些数据显示其能源强度高于全球平均水平，碳足迹更大，凸显了住房部门能源效率措施的紧迫性。

天然气是伊朗的主要能源，约占人均能源消耗的77%，电力占12%，石油衍生品占9%，其他能源占剩余部分[6]。在住宅部门中，天然气主要用于空间供暖（75%），其次是生活热水（15%）和烹饪（10%）[7]。

尽管各国数据有所波动，化石燃料在全球能源结构中占主导地位，占总消费量的80%以上。伊朗是世界第三大天然气生产国和第四大消费国，占全球产量的5.9%[8]。化石燃料主导了该国的能源结构，不断增长的需求仍然是CO₂排放的主要驱动因素。其中大量排放来自交通燃料和家庭用气[9]。从人均角度来看，伊朗的天然气消费量、原油和石油产品约为全球平均水平的1.5倍[10]。虽然这些全国统计数据凸显了挑战的规模，但未能反映国内地区间的显著差异。

库尔德斯坦省被选为本研究的核心区域，因为其住宅天然气消费量不成比例地高，甚至超过了气候更为寒冷的省份，如哈马丹省和阿尔德比勒省[11]。这一现象使库尔德斯坦成为具有深远国家能源政策意义的典型案例，因为其高消费强度所固化的结构性低效超越了单纯的气候因素。拥有多年实测天然气消耗数据（2016–2019年和2023–2024年）使得能够建立严谨且多维度的分析框架。为阐明建筑围护结构特性以及社会文化和经济属性，在该省所有城市仔细进行了全面的实地调查，形成了既适用于比较基准分析又适用于精确行为建模的定制化数据集。尽管这些评估指标具有重要意义，但在伊朗国家层面和次国家层面对住宅天然气消耗进行系统性基准研究的努力仍然十分匮乏。

全球减少能源消耗和缓解CO₂排放的努力，增加了实现建筑可靠能源性能的紧迫性。然而，在此背景下，最具持久性的挑战之一是建筑能源性能差距（EPG），这对提高能源效率构成了重大障碍。尽管已有大量研究探讨EPG，但其根本原因和有效缓解策略仍未得到充分理解[12]。性能差距定义为预测能耗与实际能耗之间的偏差，仍然是建筑设计中长期存在的问题[13]。虽然一些研究纳入了实测运营数据，但许多现有基准方法仍然依赖模拟或统计数据集，这可能无法完全反映真实建筑运营和居住者相关条件的复杂性。近期的能源校准研究表明，将实测建筑性能数据、建筑特性和居住者相关条件纳入能源模型可以提高模型验证效果并减少模拟与实际能耗性能之间的差异[14]。因此，它对全球建筑能源评级系统的可信度和广泛采用构成了重大挑战[15]。

伊朗的住宅热能（天然气消耗）基准研究很少在城市或省级层面开展，且现有标准中的估算主要依赖模拟而非大规模实测运营数据。因此，这些方法可能无法充分代表实际的住宅能源性能或建筑特性、技术系统和居住者行为的区域差异。此外，数据稀缺是一个持续存在的挑战，因为公用事业记录并不公开获取。本研究解决了这些根本性缺口。在此背景下，本研究有两个目标：第一，使用实际数据为库尔德斯坦省各城市住宅建筑建立热能基准（第一阶段）；第二，通过结构方程模型识别并量化家庭天然气消耗的驱动因素（第二阶段）。该方法将实测消耗数据与通过不同城市实地调查获得的社会文化、暖通空调、建筑物理和经济数据相结合。从实际数据库获得的分析精度令人印象深刻，这种数据的多样性和准确性在世界上几乎是独一无二的。研究结果为政策制定者、工程师和建筑管理者提供了优化住宅能源效率和减少寒冷气候地区CO₂排放的实用指导。此外，基于证据的基准框架可以支持更稳健的能源性能评估、改造优先级排序以及未来认证方案，当与实测运营数据和建筑特定及环境特性相结合时[16]。虽然基准值特定于库尔德斯坦省，但所提出的方法论框架可以通过开发本地实测数据库并重新校准基准阈值，迁移到其他寒冷气候地区。

章节摘要

文献综述

能源基准系统在评估建筑能源性能和为改善效率的决策提供必要支持方面发挥着关键作用[17]。通过测量能耗并与参考标准进行比较，基准分析使建筑性能得到真实评估，识别低效设施，减少温室气体排放[18]。它还可以减少改造后的能源供应以及建筑……

研究方法

为应对住宅能源需求的多维性，本研究采用综合分析框架，将实证数据集与多尺度建模技术相结合。研究设计采用多阶段方法，从区域驱动因素的定性特征分析过渡到能耗模式的定量评估。该方法通过伊朗库尔德斯坦省的高保真案例研究进行开发和验证——

热能基准分析

计算得出的EUI值用于推导热能基准，其中EUI分布的中位数（第50百分位数）作为参考点。这种基于百分位数的方法为评估住宅建筑热性能提供了一种稳健且无偏的指标，减少了异常值和极端消耗值的影响。

根据三维能耗地图（图4），德高兰的基准值最高（360 kWh/m²每年），而迪万达雷赫……

讨论

本研究通过将实际天然气消耗数据与家庭及建筑特性相结合，对库尔德斯坦省住宅热能消耗进行了全面评估。热能基准分析结果表明，德高兰、比贾尔、格尔韦、巴内赫和萨凯兹等城市始终消耗高于省级基准（317 kWh/m²每年）的天然气，而卡米亚兰、马里万、萨南达季、萨尔瓦巴德和迪万达雷赫等城市则低于……

结论

本研究通过整合大规模实测天然气消耗数据与详细家庭及建筑特性，为寒冷气候地区住宅热能消耗的评估和基准分析开发了一个数据驱动的框架。与主要依赖基于模拟的假设或有限案例研究的传统方法不同，所提出的方法将实际运营能源数据与结构方程模型（SEM）相结合，以量化……

CRediT作者贡献声明

Navid Ahmadi： 写作 – 审阅与编辑、可视化、软件、资源、调查、数据整理。Pouya Varmazyari： 写作 – 原始草稿、验证、资源、形式化分析。Salah Vaisi： 写作 – 原始草稿、指导、项目管理、方法论、数据整理、概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们不存在任何可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢库尔德斯坦天然气公司及其员工提供的财务和机构支持。特别感谢公司总干事Ahmad Felehgari先生的支持。作者还感谢Hiro Nazari女士和Rohi先生在研究过程中的宝贵指导和监督。没有他们的慷慨支持，本研究将无法开展。特别感谢Adel Fatemi博士，他对……

Salah Vaisi | Pouya Varmazyari | Navid Ahmadi

库尔德斯坦大学艺术与建筑学院建筑系，萨南达季