趙 倩 林建泉 黃 忠 段 旻

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重慶農(nóng)村居住建筑人行為對(duì)建筑空調(diào)能耗的影響

趙 倩1林建泉2黃 忠2段 旻1

（1.重慶大學(xué)城市科技學(xué)院 重慶 402167； 2.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045）

選取重慶農(nóng)村居住建筑為研究對(duì)象，根據(jù)該地區(qū)農(nóng)村居民的生活習(xí)慣和用能特點(diǎn)，給出該地區(qū)農(nóng)村居住建筑的典型人行為模式，通過能耗模擬軟件DeST-h，結(jié)合新嵌入的用能行為模塊對(duì)建筑中的人行為和全年供冷供熱能耗進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，在不同人行為模式下，該地區(qū)農(nóng)村居住建筑能耗差異顯著：夏季空調(diào)能耗最大值與最小值相差約38.2%，冬季空調(diào)能耗最大值與最小值相差約35.1%。在對(duì)建筑空調(diào)能耗的敏感性上，空調(diào)行為模式強(qiáng)于開窗行為模式，是影響空調(diào)能耗的主要因素。

人行為；居住建筑；用能習(xí)慣；能耗模擬

0 引言

居住建筑能耗不僅受氣象參數(shù)、建筑體形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和窗墻比等因素影響，而且與居住者的行為模式有關(guān)。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，不同的人行為模式是造成居住建筑能耗差異的重要因素。

Guerra Santin[1]等研究了荷蘭居民行為對(duì)建筑能耗的影響，分析表明居住者的行為對(duì)建筑能耗的影響顯著。Clevenger[2]等通過對(duì)不同人員作息下的建筑能耗進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)即使在典型行為中，建筑能耗也存在較大的差異，最大值和最小值差異超過150%。Kempton[3]等對(duì)美國(guó)一棟公寓內(nèi)8個(gè)住戶的空調(diào)使用情況進(jìn)行調(diào)研和實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)這些住戶對(duì)空調(diào)的不同使用方式引起了較大的能耗差異。Wilhite[4]等對(duì)日本和挪威的居住建筑能耗和行為進(jìn)行對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)采暖行為、照明行為等因素的不同導(dǎo)致居住建筑能耗存在差異。Daniel[5]等在研究澳大利亞人行為對(duì)低能耗建筑影響的過程中發(fā)現(xiàn)，由于人行為的初期假設(shè)與實(shí)際不符，造成低能耗建筑的能耗模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有偏差。

李兆堅(jiān)[6]等對(duì)北京市一棟普通居住建筑的夏季空調(diào)能耗進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)不同住戶的空調(diào)能耗存在較大差異，并指出造成此差異的主要因素是空調(diào)運(yùn)行模式的不同。朱光俊[7]等以上海某建筑為模擬對(duì)象，通過DeST進(jìn)行能耗模擬，獲取空調(diào)運(yùn)行模式各因素對(duì)住宅采暖空調(diào)能耗的影響，結(jié)果表明容忍溫度對(duì)能耗的敏感性強(qiáng)于空調(diào)控制溫度，同時(shí)指出，室內(nèi)人員作息方式對(duì)耗冷量有一定影響，對(duì)耗熱量影響卻較小。張?zhí)N[8]對(duì)重慶地區(qū)4個(gè)居民夏季室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)行為進(jìn)行調(diào)研和實(shí)測(cè)，在此基礎(chǔ)上分析居民開窗行為和空調(diào)使用行為對(duì)建筑能耗的影響，指出室外平均溫度是空調(diào)使用和開窗行為的重要影響因素，并以室外平均溫度為預(yù)測(cè)變量，采用logistic回歸模型，模擬不同時(shí)間段內(nèi)開窗對(duì)能耗的影響。楊麗紅[9]對(duì)杭州民居住戶的行為方式對(duì)居住建筑能耗的影響進(jìn)行大量調(diào)研，并結(jié)合實(shí)測(cè)確定基于時(shí)間、空間和舒適性三方面的典型人行為模式，最后以杭州一典型住戶為例，采用DeST進(jìn)行能耗模擬，分析空調(diào)運(yùn)行模式、容忍溫度、設(shè)定溫度等單因素對(duì)能耗的影響程度。結(jié)果表明，不同的人行為模式下的能耗指標(biāo)與規(guī)范模式下得到的能耗值均比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大。李楠[10]通過夏熱冬冷地區(qū)的八個(gè)省市地區(qū)進(jìn)行大樣本的入戶調(diào)查，結(jié)合能耗模擬和實(shí)例論證，就行為對(duì)住宅能耗的影響進(jìn)行定性、定量分析，結(jié)果表明人員行為是影響該地區(qū)住宅建筑能耗的重要因素。

已有的研究成果主要是針對(duì)城市居住建筑而言，對(duì)于農(nóng)村居住建筑，其結(jié)論是否適用還有待研究。筆者針對(duì)重慶農(nóng)村居住建筑，綜合考慮該地區(qū)的生活習(xí)慣和用能特點(diǎn)，給出該地區(qū)農(nóng)村居住建筑的典型人行為模式，通過能耗模擬計(jì)算，進(jìn)行研究分析、探討重慶農(nóng)村居住建筑人行為對(duì)建筑空調(diào)能耗的影響，以期為重慶農(nóng)村居住建筑的節(jié)能改造和節(jié)能評(píng)估提供更多的理論指導(dǎo)。

1 研究方法

選取重慶農(nóng)村居住建筑的典型設(shè)計(jì)方案為研究對(duì)象，利用清華大學(xué)開發(fā)的能耗模擬軟件DeST-h（Designer’s Simulation Toolkit Home），結(jié)合新嵌入的用能行為模塊實(shí)現(xiàn)建筑中人行為的模擬和全年供冷供熱能耗模擬分析。模擬方案為變參數(shù)法，即在給定建筑模型基礎(chǔ)上，通過改變參數(shù)設(shè)置，如開窗模式、開空調(diào)模式等建筑中的人行為，并保持其余參數(shù)不變，模擬出不同人行為模式下的建筑空調(diào)能耗，對(duì)比分析其技術(shù)節(jié)能性。

1.1 建筑人行為模型

建筑中的人行為包括人員在建筑各房間之間的移動(dòng)，以及窗戶、照明、窗簾、空調(diào)等人為控制，即可概括為人員移動(dòng)和動(dòng)作兩大部分[11]。由于建筑中的人行為復(fù)雜多變，具有隨機(jī)性強(qiáng)和不確定性等特征，導(dǎo)致在數(shù)學(xué)描述上存在諸多困難。因此，目前關(guān)于人行為模型的研究均作了一些簡(jiǎn)化，如固定作息法[12]、隨機(jī)過程模型[13]、統(tǒng)計(jì)回歸模型[14]，Markov鏈模型[15]等，但上述方法在人行為定量描述上仍存在參數(shù)單一、環(huán)境因素不明確等諸多不足?；趪?guó)內(nèi)外建筑人行為模型研究現(xiàn)狀和研究成果，清華大學(xué)王闖[16]提出一套針對(duì)有關(guān)建筑用能的人行為的基本研究框架和定量描述方法。結(jié)合人行為所具有的時(shí)間作息、反饋和隨機(jī)等特點(diǎn)，建立了基于馬爾可夫鏈（Markov Chain）和事件的人員移動(dòng)行為模型和基于條件觸發(fā)和概率函數(shù)的人員動(dòng)作模型，并針對(duì)辦公和住宅建筑定義了若干中典型模式及其行為特征參數(shù)，結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。清華大學(xué)孫紅三[17]等結(jié)合王闖提出的人行為模型，開發(fā)建筑用能人行為模塊，并將其集成于DeST軟件系統(tǒng)中,徹底改變了固定作息的簡(jiǎn)單描述方式，彌補(bǔ)了建筑能耗模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較大差異的不足。

1.2 重慶農(nóng)村居住建筑典型人行為模型描述

1.2.1 典型人員移動(dòng)模型描述

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局于2008年5月在北京、河北、黑龍江、浙江、安徽、河南、廣東、四川、云南、甘肅10省市開展了我國(guó)第一次居民時(shí)間利用調(diào)查，根據(jù)調(diào)查報(bào)告的時(shí)間利用分配情況，反映了我國(guó)農(nóng)村和城鎮(zhèn)居民生活模式和生活質(zhì)量存在差異[18]。重慶大學(xué)劉猛、黃春雨[19,20]等通過對(duì)重慶地區(qū)十二個(gè)村鎮(zhèn)住宅建筑能耗進(jìn)行全年調(diào)研，得出重慶村鎮(zhèn)居民的用能習(xí)慣及建筑能耗水平。筆者根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村居民的生活習(xí)慣和用能特點(diǎn)，結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)的研究，總結(jié)出重慶農(nóng)村居住建筑典型人員移動(dòng)事件及特征參數(shù)，如表1所示。

表1 典型人員移動(dòng)事件及特征參數(shù)

備注：1.因農(nóng)村地區(qū)工作日與休息日作息基本無差別，故視為相同作息。2.農(nóng)忙和農(nóng)閑的作息雖有所不同，但差異不大，將其簡(jiǎn)化視為相同作息。

1.2.2 典型人員動(dòng)作模型描述

（1）典型照明行為模式

根據(jù)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)重慶農(nóng)村居民使用燈具的時(shí)間較為固定，基本上遵循“覺得屋里暗時(shí)開，睡覺或離開家時(shí)關(guān)”的照明行為模式。根據(jù)GB50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[21]規(guī)定的住宅照明標(biāo)準(zhǔn)值，為了簡(jiǎn)化，對(duì)臥室、客廳、廚房和衛(wèi)生間的照明標(biāo)準(zhǔn)值不做區(qū)分，室內(nèi)照度統(tǒng)一取150lx，具體描述如表2所示。

表2 典型照明行為模式描述

（2）典型開窗行為模式

室外溫度和室內(nèi)空氣品質(zhì)均是影響居民開窗的重要因素。根據(jù)調(diào)研，得出重慶農(nóng)村居民的開窗習(xí)慣主要分三種：①全天開窗；②有人時(shí)開窗，無人時(shí)關(guān)窗；③起床時(shí)或覺得悶時(shí)開窗，睡覺時(shí)或開空調(diào)時(shí)關(guān)窗，具體描述見表3。根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和室內(nèi)空氣中二氧化碳衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[22,23]，室內(nèi)二氧化碳參考值≤1000ppm。徐業(yè)林[24]等人研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)濃度在700ppm時(shí)，人體感覺良好，但達(dá)到1000ppm時(shí)，個(gè)別敏感時(shí)有不舒適感，長(zhǎng)期居住會(huì)導(dǎo)致精神不振甚至影響健康。因此，以室內(nèi)二氧化碳濃度為700ppm作為判斷人員在室內(nèi)覺得悶的條件。

表3 典型開窗行為模式描述

（3）典型開空調(diào)行為模式

空調(diào)使用與室外平均溫度和居民的生活作息緊密相關(guān)。根據(jù)調(diào)研，得出重慶農(nóng)村居民的空調(diào)使用習(xí)慣主要有兩種：①有人時(shí)開空調(diào)，無人時(shí)關(guān)空調(diào)；②覺得熱了（夏季）或冷了（冬季）才開空調(diào)，離開家時(shí)關(guān)空調(diào)。張?zhí)N[8]等研究發(fā)現(xiàn)重慶多數(shù)居民對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境有較強(qiáng)的容忍度，只有當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，開啟空調(diào)的概率快速升高。因此，夏季取30°C、冬季取14°C作為閾值，用來判斷空調(diào)開始已具有發(fā)生動(dòng)作的可能性，具體描述見表4。

表4 典型開空調(diào)行為模式描述

續(xù)表4 典型開空調(diào)行為模式描述

2 模擬計(jì)算

2.1 建筑信息

模擬對(duì)象為重慶渝西地區(qū)某農(nóng)村居住建筑，該建筑坐北朝南，共2層，一層層高為3.3m，二層層高為3m，南北向窗墻比均為0.3。選取二層西側(cè)住戶作為計(jì)算對(duì)象用于討論分析，二層建筑平面圖如圖1所示，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5，照明功率密度和設(shè)備功率密度見表6。

圖1 二層建筑平面圖

表5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

表6 照明功率密度和設(shè)備功率密度

續(xù)表6 照明功率密度和設(shè)備功率密度

2.2 模擬方案

每戶的主要功能房間如臥室（含主、次臥）、客廳為空調(diào)房間，采用分體式空調(diào)，其余房間為非空調(diào)房間，主要依靠與空調(diào)房間的自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)夏季降溫和冬季保溫。有外窗的房間，開窗時(shí)通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)為5次/h，關(guān)窗時(shí)設(shè)為0.5次/h；相鄰房間互通次數(shù)設(shè)為2次/h。

為了研究在不同開窗和空調(diào)行為模式下居住建筑的空調(diào)能耗，表7給出了具有代表性的六種開窗和空調(diào)行為模式，模擬時(shí)段：夏季空調(diào)供冷時(shí)間為6月15日到8月31日，冬季空調(diào)供暖時(shí)間為11月15日到2月28日，模擬時(shí)間步長(zhǎng)為10min。

表7 人員開窗和空調(diào)行為模式

3 結(jié)果分析

3.1 空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)分析

在DeST-h中對(duì)表7中的不同人員開窗和空調(diào)行為模式下進(jìn)行模擬，各模式下的空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同開窗和空調(diào)行為模式下的空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)

圖2可以看出，同一模式下，夏季主臥空調(diào)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，南、北次臥次之，客廳最短，而冬季北次臥運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，客廳次之，南次臥和主臥最短。同一空調(diào)行為模式下，不同的開窗行為模式對(duì)空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)影響較小，以客廳為例，在模式1下夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約為220h，冬季約為667h；在模式2下夏季約為214h，冬季約為657h；在模式3下夏季約220h，冬季約為657h，即三個(gè)模式下空調(diào)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)差異不大。而在相同的開窗行為模式下，不同的空調(diào)行為模式，其空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)存在較大差異，以南次臥為例，在模式2下，冬季空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約680h，而在模式4下則約為67h，兩者之間相差10倍之多。因此，空調(diào)行為模式是影響空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的主要因素。

3.2 空調(diào)能耗分析

3.2.1 不同開窗行為模式下的空調(diào)能耗

圖3給出了不同開窗行為模式下夏季和冬季的空調(diào)能耗模擬結(jié)果。

圖3（a）和（b）對(duì)比還可表明，在同一空調(diào)模式下，不同開窗行為模式對(duì)該地區(qū)農(nóng)村居住建筑夏季和冬季的空調(diào)能耗均有一定的影響，但影響程度不同，后者高于前者。因此，不同開窗模式下的節(jié)能潛力有待挖掘，尤其是冬季在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的前提下應(yīng)盡可能減少開窗時(shí)間，這樣有利于節(jié)能。

圖3 不同開窗行為模式下的空調(diào)能耗

3.2.2 不同空調(diào)行為模式下的空調(diào)能耗

圖4給出了不同空調(diào)模式下夏季和冬季的空調(diào)能耗模擬結(jié)果。

圖4 不同空調(diào)行為模式下的空調(diào)能耗

圖4（a）可以看出，在相同的開窗行為模式下，空調(diào)模式Ⅱ的夏季空調(diào)能耗大于空調(diào)模式Ⅰ的夏季空調(diào)能耗，即空調(diào)模式Ⅰ在夏季的節(jié)能性較好。在開窗模式A下，空調(diào)模式Ⅰ和空調(diào)模式Ⅱ的夏季空調(diào)能耗相差約38.2%；在開窗模式B下，兩者相差17.6%；在開窗模式C下，兩者相差26.9%。

圖4（b）可以看出，在相同的開窗行為模式下，空調(diào)模式Ⅰ的冬季空調(diào)能耗大于空調(diào)模式Ⅱ的冬季空調(diào)能耗，這說明在冬季，空調(diào)模式Ⅱ較空調(diào)模式Ⅰ具有更好的節(jié)能效果。在開窗模式A下，空調(diào)模式Ⅰ和空調(diào)模式Ⅱ的冬季空調(diào)能耗相差約19.8%；在開窗模式B下，兩者相差35.1%；在開窗模式C下，兩者相差24.9%。

由此可見，在相同的開窗行為模式下，不同的空調(diào)行為模式對(duì)該地區(qū)居住建筑的空調(diào)能耗影響顯著，即空調(diào)行為模式是影響空調(diào)能耗的主要因素。

3.2.3 最佳模式的節(jié)能率

經(jīng)上述分析，夏季最佳組合方案為開窗模式B與空調(diào)模式Ⅰ，即模式2；而冬季最佳組合方案是開窗模式B與空調(diào)模式Ⅱ，即模式5，因此全年最佳模式為夏季模式2+冬季模式5。圖5給出了各模式下的全年空調(diào)總能耗模擬結(jié)果，圖中節(jié)能率以模式1為基準(zhǔn)計(jì)算得到。

圖5可以看出，不同模式下的全年空調(diào)總能耗差異較大。模式1的全年空調(diào)總能耗最大，模式2、模式3和模式4三者相當(dāng)，模式5和模式6較小，而最佳模式則最小。若以模式1為基準(zhǔn)，采用最佳模式后，其節(jié)能率可達(dá)33.6%。

圖5 不同模式下的全年空調(diào)總能耗

綜上所述，對(duì)于重慶地區(qū)農(nóng)村居住建筑而言，不同的人員開窗行為和開空調(diào)行為對(duì)建筑空調(diào)能耗有著不同程度的影響，尤其是空調(diào)行為模式的影響顯著，其敏感性強(qiáng)于開窗行為模式。

4 結(jié)論

利用能耗模擬軟件DeST-h，結(jié)合新嵌入的用能行為模塊，對(duì)重慶農(nóng)村典型居住建筑進(jìn)行建筑人行為模擬和供熱供冷能耗模擬分析，通過不同人行為模式下的空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)和空調(diào)能耗的對(duì)比分析，得出結(jié)論如下：

（1）在同一空調(diào)行為模式下，不同的開窗行為模式對(duì)空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)影響較小。而在相同的開窗行為模式下，不同的空調(diào)行為模式，其空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)存在顯著差異，最大值與最小值兩者之間相差高于10倍。

（2）在同一空調(diào)行為模式下，不同的開窗行為對(duì)冬季空調(diào)能耗影響程度較夏季大。因此，不同開窗模式下的節(jié)能潛力可待挖掘，尤其是冬季在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的前提下應(yīng)盡可能減少開窗時(shí)間，這樣有利于節(jié)能。

（3）在相同的開窗行為模式下，不同的空調(diào)行為模式，其空調(diào)能耗存在著顯著的差異，夏季空調(diào)能耗最大相差約38.2%，冬季空調(diào)能耗最大相差約35.1%。

（4）不同的開窗行為和空調(diào)行為對(duì)建筑空調(diào)能耗有著不同程度的影響，在敏感性上，空調(diào)行為模式強(qiáng)于開窗行為模式，是影響空調(diào)能耗的主要因素。

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[22] GB/T 17094-1997,室內(nèi)空氣中二氧化碳衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[23] GB/T18883-2002,室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[24] 徐業(yè)林,趙玉琳,王志強(qiáng),等.室內(nèi)空氣中二氧化碳變化趨勢(shì)及現(xiàn)狀調(diào)查[J].安徽預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志,2010,16(4): 272-273.

Impacts of Occupant Behavior Pattern on Air-Condtioning Energy Consumption of Rural Residential Buildings in Chongqing

Zhao Qian1Lin Jianquan2Huang Zhong2Duan Min1

( 1.City College of Science and Technology, Chongqing University, Chongqing, 402167; 2.Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

A rural residential building in Chongqing was selected as a research object. According to the lifestyle habits and energy-using characteristics of rural residents in this region, the typical occupant behavior patterns were given. The simulation software DeST-h (Designer’s Simulation Toolkit Home) with occupant behavior moduel was uesd to calculate the heating and cooling energy consumption of the residential building under different occupant behaviors. The results show that different occupant behavior patterns have a significant impact on energy consumption of rural residential building in this region: the maximum and minimum values of the cooling energy consumption have difference of about 38.2%, and the maximum and minimum values of the heating energy consumption have difference of about 35.1%. Moreover, the air conditioner control behavior pattern, which is superior to the window opening behavior pattern in respect of sensitivity, is a main factor of impact on energy consumpton of residential buildings.

occupant behavior; residential building; energy usage pattern; energy simulation

1671-6612（2017）06-627-09

TU241.4/TU831.6/TU834.1

A

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ1602301）

趙 倩（1987-），女，碩士，講師，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能與能源應(yīng)用，E-mail：zhaoqian0608@126.com

2017-10-01