田園泉¹  簡毅文^1,2  高萌¹  劉曉霄1  王旭¹

1 北京工業(yè)大學建筑工程學院；2 綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室

       【摘  要】居住建筑空調(diào)能耗與使用者的空調(diào)行為有密切關(guān)系。為了正確估計建筑能耗和合理評價建筑技術(shù)措施，在獲得可以定量化描述空調(diào)行為的空調(diào)行為模型后，還需要典型的空調(diào)行為模式作為模型輸入?yún)?shù)。通過問卷調(diào)研的方法對北京地區(qū)高校開展居民夏季空調(diào)用能行為調(diào)查以確定空調(diào)開啟和關(guān)閉的行為模式，同時配合實測調(diào)研數(shù)據(jù)的空調(diào)行為以確定群體空調(diào)行為的驅(qū)動特性，在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)得到北京地區(qū)典型空調(diào)行為模式，可以為基于動作模型的空調(diào)行為模擬分析提供一定的數(shù)據(jù)參考。

       【關(guān)鍵詞】居住建筑；動作模型；空調(diào)行為；模式

0 引言

       在居住建筑中，空調(diào)能耗不僅與建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能相關(guān)，還很大程度上受到居住者空調(diào)行為的影響。李兆堅等^[1,2]等對北京地區(qū)住宅夏季空調(diào)能耗進行實測，發(fā)現(xiàn)能耗最大值比最小值大近100倍，同時指出空調(diào)設(shè)定溫度和空調(diào)運行時內(nèi)門狀態(tài)對空調(diào)能耗影響較大。朱光俊^[3]等以上海地區(qū)某住宅為模擬對象，認為在采暖空調(diào)能耗的敏感性上，容忍溫度最大，設(shè)定溫度次之，人員作息相對較小。阮方等^[4]研究認為夏熱冬冷地區(qū)居住建筑普遍具有分室間歇用能特點，傳統(tǒng)外墻外保溫不一定好于內(nèi)保溫技術(shù)措施。Feng等^[5]在成都地區(qū)開展大規(guī)模問卷調(diào)研研究住宅夏季空調(diào)行為模式，得到大量行為模式，通過模擬手段以能耗為指標聚類出幾種典型行為模式。因此，居住建筑空調(diào)行為模式的研究有較大意義，可以為空調(diào)行為節(jié)能和建筑節(jié)能提供參考。

       目前，我國清華大學人行為課題組^[6,7]提出了基于條件觸發(fā)的人行為動作模型，該模型以時間或環(huán)境因素等純物理量作為自變量，以概率函數(shù)形式建立動作行為與自變量間的關(guān)系，對空調(diào)行為的研究有基礎(chǔ)性意義。在建立準確描述空調(diào)行為的模型框架后，還需要與之匹配的典型空調(diào)行為模式的特征參數(shù)作為模型的輸入?yún)?shù)。本文通過大規(guī)模問卷調(diào)查，同時配合調(diào)研實測，建立典型的空調(diào)行為模型，為基于動作模型的空調(diào)行為模擬分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1 動作模型介紹

       人行為動作模型主要由以下三個基本類型組成，分別為累計環(huán)境驅(qū)動，當前環(huán)境驅(qū)動和事件驅(qū)動，如表1所示。

表1 動作模型的基本概率表達式

       式中：P表示空調(diào)開、關(guān)動作的發(fā)生概率即空調(diào)行為概率；Δτ為測試記錄的時間間隔，單位：min；T為概率函數(shù)自變量、也即作為環(huán)境驅(qū)動力的溫度，不同驅(qū)動類型的環(huán)境驅(qū)動力由問卷調(diào)研得到，單位：℃；u表示閾值參數(shù)，即引起空調(diào)動作的的最大或最小溫度，單位：℃；L為尺度參數(shù)，表征空調(diào)開啟率、關(guān)閉率達到1時的溫度與閾值溫度的距離尺度，單位：℃；k表征動作發(fā)生概率隨驅(qū)動參數(shù)變化的敏感程度，為無量綱參數(shù)；p為固定概率值。

       動作模型為建筑中人員動作描述提出了理論框架，具有基礎(chǔ)性作用。按照以下方法在實際案例中建立空調(diào)行為模型，首先通過對居住者訪談的形式確定空調(diào)行為的驅(qū)動類型和驅(qū)動力因素，然后通過實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計出隨驅(qū)動力因素變化的空調(diào)動作發(fā)生概率離散點，最后依據(jù)相應的模型表達式，通過最小二乘法對各離散點進行擬合，得出可以反映住戶空調(diào)驅(qū)動特性的特征參數(shù)u、l、k值。

2 空調(diào)用能行為調(diào)研

       對北京地區(qū)某高校以學生宿舍為單位，開展住戶空調(diào)用能行為模式問卷調(diào)研，調(diào)研包括住戶基本信息和空調(diào)用能行為等信息，共收回有效問卷400份，調(diào)研時間為2017年8月至10月。調(diào)研住戶基本信息如表2所示。全部居住者在北京的居住時間大于一年，可認為居住者已經(jīng)逐漸適應了北京的氣候環(huán)境，形成相對穩(wěn)定的空調(diào)用能方式。空調(diào)開啟與關(guān)閉模式占總體比例情況如圖1所示，其中對于關(guān)閉模式，認為所有居住者均有離開關(guān)空調(diào)行為，故如果關(guān)閉模式中存在除離開關(guān)空調(diào)行為，則省略離開關(guān)情況。對于開空調(diào)模式，除去不使用空調(diào)情況，空調(diào)開啟模式共7種模式，占比較多的有熱時開，熱時開和睡前開，進門開、熱時開和睡前開這4種模式。對于關(guān)空調(diào)模式，除去不使用空調(diào)情況，空調(diào)關(guān)閉模式共13種模式，占比較多的有冷時關(guān)和夜里定時關(guān)，冷時關(guān)，夜里定時關(guān)，冷時關(guān)和睡前關(guān)情況這4種模式。

表2 調(diào)研居住者基本信息

       空調(diào)開啟與關(guān)閉模式出現(xiàn)了組合爆炸性增長的趨勢，除去不使用空調(diào)情況，共58種模式，其中占比較多前8種模式已在圖1（c）中標紅。其中只有熱時開、冷時關(guān)和睡前關(guān)模式中包括睡前關(guān)驅(qū)動類型。對睡前關(guān)驅(qū)動類型進行簡化，與熱時開和冷時關(guān)模式進行合并，最后得到7種在調(diào)研中占比較多的空調(diào)開啟與關(guān)閉模式，統(tǒng)計如表3所示，記為模式A-G。在這些空調(diào)開關(guān)模式中，所有模式均包含熱時開驅(qū)動類型。

圖1 空調(diào)開啟與關(guān)閉模式
表3 空調(diào)驅(qū)動類型組合

3 空調(diào)行為驅(qū)動特性

       在文獻[8]的基礎(chǔ)上，將樣本容量擴充到35戶，各驅(qū)動類型的空調(diào)典型行為的概率變化曲線及各典型行為占總體比例如圖3所示，其中入睡后關(guān)情況可以為上節(jié)問卷調(diào)研的夜間定時關(guān)情況提供驅(qū)動特性數(shù)據(jù)。文獻認為u值對空調(diào)動作發(fā)生概率影響顯著，實質(zhì)上圖3中的驅(qū)動力度是幾種典型l、k的組合。而u值的分布情況如圖4所示，例如對于進門開，u值可以選取比例較大的27℃，對于熱時開，u值可以選取比例較大的26℃。通過在圖2和圖3中選取適當?shù)奶匦詤?shù)，可以完成對各空調(diào)行為概率曲線的定量化描述。

圖2 不同驅(qū)動類型下空調(diào)典型行為的概率變化曲線及各典型行為占總體比例

圖3 u值的分布

4 典型空調(diào)行為模式

       通過以上的討論分析，由空調(diào)開關(guān)模式和與對應的驅(qū)動特性進行組合可以得到典型空調(diào)行為模式，將代表空調(diào)行為模式的數(shù)據(jù)帶入模擬軟件從而完成對該空調(diào)行為的模擬。例如，對于調(diào)研中出現(xiàn)較多的熱時開和冷時關(guān)空調(diào)模式，為了建立典型熱時開和冷時關(guān)空調(diào)模式，可以選取圖3（b）中典型A曲線及相應的l和k值，u值選取實測中出現(xiàn)最多的26℃作為熱時開的特征參數(shù)，同理選取圖3（d）中典型c曲線及相應的l和k值，u值選取實測中出現(xiàn)最多的28℃作為冷時關(guān)的特征參數(shù)，由此可以完成對該典型模式的定量化描述。其余空調(diào)開關(guān)模式也均可使用此方法進行描述，從而完成各典型空調(diào)行為模式的描述。

       在完成對典型空調(diào)行為模式描述的基礎(chǔ)上，可以通過改變各驅(qū)動類型的空調(diào)典型概率曲線和相應的u值，完成對各個典型空調(diào)模式的進一步細化，從而更全面的描述居住者空調(diào)行為。例如對典型熱時開和冷時關(guān)空調(diào)模式，可以保持熱時開u值不變，選定熱時開驅(qū)動類型曲線為典型B，以建立新的典型空調(diào)行為模式，最終達到為基于動作模型的空調(diào)行為模擬分析提供數(shù)據(jù)支撐的目的。

5 結(jié)論

       本研究以人行為動作模型為框架，通過問卷分析和實測調(diào)研，得到結(jié)論如下：

       （1）通過問卷調(diào)研，得到空調(diào)開啟模式7種，出現(xiàn)最多的模式為熱時開；空調(diào)關(guān)閉模式13種，出現(xiàn)最多的模式為冷時關(guān)和夜里定時關(guān)；空調(diào)開啟與關(guān)閉模式58種，出現(xiàn)最多的模式為進門開、熱時開、睡前開、冷時關(guān)和夜里定時關(guān)。

       （2）將空調(diào)開關(guān)模式和與之對應的各空調(diào)行為驅(qū)動特性進行組合可以得到典型空調(diào)行為模式，并給出相應的數(shù)據(jù)作為參考，為基于動作模型的空調(diào)行為模擬分析提供數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻: 

       [1]李兆堅，謝德強，江紅斌等. 北京市住宅空調(diào)開機行為和能耗的實測研究[J]. 暖通空調(diào)，2014，44（2）：15-20.
       [2]李兆堅，江億，魏慶芃.環(huán)境參數(shù)與空調(diào)行為對住宅空調(diào)能耗影響調(diào)查分析[J].暖通空調(diào).2007，37(8)：67-71.
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       [7]王闖, 燕達, 孫紅三, 等. 室內(nèi)環(huán)境控制相關(guān)的人員動作描述方法[J]. 建筑科學, 2015,31(10)199-211. DOI: 10.13614/j.cnki.11-1962/tu.2015.10.30.
       [8]簡毅文, 田園泉, 高萌. 等. 居住建筑夏季空調(diào)行為驅(qū)動特性的分析方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報, 2018, 出版中.

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學術(shù)年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。