李念平，韓陽麗，何穎東，彭晉卿，賈繼康

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

建筑能耗被認(rèn)為是世界第三大能源消耗部分.建筑能耗不僅與氣象參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等有關(guān)，而且與室內(nèi)人員行為有關(guān).相關(guān)研究表明，影響建筑能耗最重要的因素之一為建筑室內(nèi)人員行為[1].目前的建筑能耗模擬軟件采用固定室內(nèi)溫度和固定作息的方式，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際值有較大的差值.因此研究室內(nèi)人員空調(diào)使用行為對于準(zhǔn)確分析建筑空調(diào)能耗具有重要意義.

國內(nèi)外學(xué)者對建筑室內(nèi)人員行為進(jìn)行了大量研究.李俊鴿[2]對中國夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑的用戶行為進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)夏季空調(diào)狀態(tài)的室內(nèi)溫度在27.5～29.5 ℃溫度段的頻率最高，約占總量的40%；采暖室內(nèi)溫度分布頻率在18 ℃時最高，約占30%.張才俊[3]通過對廣州22 臺使用中的房間空調(diào)器進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)用戶開啟空調(diào)器的概率隨著平均室外空氣溫度升高而增加，當(dāng)平均室外溫度從27 ℃提升到32℃時，用戶開啟空調(diào)器進(jìn)行降溫的意愿顯著增加，當(dāng)室外平均空氣溫度達(dá)到33 ℃時，用戶開啟空調(diào)的概率將達(dá)到94.95%.虞洋等[4]對中國杭州某辦公建筑開展了夏季空調(diào)使用行為測試，并采用邏輯回歸構(gòu)建出夏季空調(diào)開啟率預(yù)測模型，得出測試房間空調(diào)開啟室外耐受溫度為32.0 ℃.Tanimoto 等[5]在2000年夏季日本的Fukuoka 收集了5 個家庭住宅和3 個單元房的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，得出空調(diào)使用頻率與室內(nèi)外溫度之間的關(guān)系，并將該關(guān)系轉(zhuǎn)化為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率函數(shù).Hwang 等[6]通過對臺灣居住建筑中的老年人進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，老年人在夏季和冬季80%的可接受溫度范圍分別為23.2～27.1 ℃和20.5～25.9 ℃.為了保護(hù)老年人，世界衛(wèi)生組織在20 世紀(jì)提出了關(guān)于冬季可接受的內(nèi)部溫度的指導(dǎo)意見，即所有房間的室內(nèi)溫度為18 ℃，但有老年人所在的房間為20～21 ℃[7].本文旨在研究夏熱冬冷地區(qū)居住建筑老年人空調(diào)使用行為.通過對長沙市某以老年人為居住主體的住宅建筑進(jìn)行現(xiàn)場測量，分析了混合通風(fēng)住宅中的熱環(huán)境、老年人的空調(diào)使用行為，并建立了相關(guān)模型.本研究為未來以老年人為主的住宅建筑舒適環(huán)境的營造提供參考.

1 方 法

1.1 建筑信息及通風(fēng)特征

本文中被研究的建筑位于長沙市區(qū)，該地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū).該小區(qū)采用熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)為住戶提供冷熱空調(diào)供應(yīng)及全年生活熱水.小區(qū)內(nèi)均為16 層的高層住宅樓，每套住房內(nèi)均有可自由開啟的外窗.小區(qū)的實(shí)景圖及典型住房的平面圖如圖1 所示.被測試的每戶住有老年夫妻二人，平均年齡高于60 歲.每套房內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的開啟、關(guān)閉以及室內(nèi)溫度的設(shè)定由住戶自行控制.

圖1 建筑實(shí)景圖及典型單套住房平面圖Fig.1 The on-site scene of the surveyed building and the typical single housing plan

混合通風(fēng)可充分利用室外氣候條件來滿足室內(nèi)熱舒適，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)并達(dá)到節(jié)能的目的.本文所選住戶均采用典型的自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)交替運(yùn)行的混合通風(fēng)模式.本文中的混合通風(fēng)對空調(diào)使用的影響體現(xiàn)在老年人在特定的房間、固定的時段開啟空調(diào)，其他房間則采取自然通風(fēng)；并且室內(nèi)設(shè)定溫度隨室外溫度變化，即室外環(huán)境影響空調(diào)使用行為.

1.2 測量參數(shù)

在本研究中，現(xiàn)場連續(xù)測試了冬夏兩季室內(nèi)的空氣溫度、濕度、風(fēng)機(jī)盤管末端的電量，以及室外的空氣溫度和濕度，其中夏季（2018 年6 月1 日至2018 年8 月31 日）收集了8 戶住戶的數(shù)據(jù)，冬季（2018 年12 月1 號至2019 年2 月28 號）收集了12戶住戶的數(shù)據(jù).室內(nèi)的溫濕度傳感器安裝在墻上，距離地面約1.5 m，餐廳、客廳及每個臥室各一個，用以監(jiān)測室內(nèi)溫濕度；智能插座型電量表安裝在風(fēng)機(jī)盤管末端，用以監(jiān)測末端開啟情況及電量，智能插座與傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)被實(shí)時無線傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫，再傳輸至計(jì)算機(jī)和手機(jī)，可進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并可在電腦端導(dǎo)出.室外溫濕度用放置在室外的小型氣象環(huán)境監(jiān)測站來收集，室外溫濕度的傳感器被存儲在設(shè)備內(nèi)，由電腦導(dǎo)出.所有數(shù)據(jù)收集時間間隔為5 min.儀器具體信息見表1.

表1 儀器信息Tab.1 Instruments used in this study

1.3 數(shù)據(jù)分析

首先通過測量系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，然后去除異常值，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析并建立相關(guān)模型.采用邏輯回歸的方法建立了冬夏兩季空調(diào)開啟率隨室外溫度變化的數(shù)學(xué)模型，模型形式見式（1）[8].由于同一時間，住戶同時開啟兩個房間的空調(diào)的概率較小，因此某時刻只要有一個房間的空調(diào)開啟，即認(rèn)為該戶在使用空調(diào)，并將50%空調(diào)使用率對應(yīng)的室外溫度定義為耐受溫度.其次建立了冬夏兩季室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度與室外空氣溫度之間的模型；并對空調(diào)的開啟時間和設(shè)定溫度分別建立了相應(yīng)的正態(tài)分布模型[9]，見式（2）.對于前者，縱坐標(biāo)頻率表示該小時內(nèi)，所有住戶空調(diào)開啟動作所出現(xiàn)的次數(shù)占總次數(shù)的百分比；對于后者，縱坐標(biāo)頻率表示在該設(shè)定溫度下，所有住戶室內(nèi)溫度處于該溫度范圍內(nèi)的次數(shù)占總次數(shù)的百分比.由于本研究中的住戶基本全天在家，因此對數(shù)據(jù)分時段處理.且由于主臥、客廳、餐廳的使用行為不盡相同，因此對不同房間的設(shè)定溫度與空調(diào)開啟時間分別處理.

式中：a 和b 為常數(shù).

式中：μ 為平均值；σ 為標(biāo)準(zhǔn)差；y0和A 為常數(shù).

2 結(jié)果

2.1 室外溫濕度

圖2 顯示了冬夏兩季室外空氣溫度和相對濕度.夏季室外溫濕度均隨晝夜呈現(xiàn)周期性變化，其中主要溫度區(qū)間為25～37 ℃，在14:00 左右室外相對濕度約為60%，在夜間室外相對濕度通常高于80%.冬季室外溫濕度隨晝夜的變化并不明顯，室外溫度大部分在0～15 ℃之間，室外濕度多數(shù)超過80%.

圖2 冬夏季室外空氣溫度和相對濕度Fig.2 Outdoor temperatures and relative humidity in summer and winter

2.2 空調(diào)使用率與室外溫度之間的關(guān)系

由于白天和夜晚空調(diào)使用率有所不同，因此將一天分為白天（7:00—18:00）和夜間（19:00—次日6:00）分別進(jìn)行分析，如圖3 和圖4 所示.從圖中可看出空調(diào)開啟頻率與室外溫度高度相關(guān)：在夏季隨著室外溫度的升高而增加，在冬季則規(guī)律相反.從邏輯回歸中可得夏季白天和夜間的耐受溫度分別約為31 ℃和26 ℃；冬季白天和夜間的耐受溫度分別約為12 ℃和8 ℃，邏輯回歸模型參數(shù)見表2.

圖3 夏季與冬季日間空調(diào)使用率與室外溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between outdoor temperatures and air conditioning use rates during daytime in summer and winter

圖4 夏季與冬季夜間空調(diào)使用率與室外溫度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between outdoor temperatures and air conditioning use rates during night-time in summer and winter

表2 夏季和冬季空調(diào)使用率邏輯回歸參數(shù)Tab.2 Parameters of the logistic regression of air conditioning use rates in summer and winter

2.3 空調(diào)設(shè)定溫度與室外溫度之間的關(guān)系

2.3.1 夏季空調(diào)設(shè)定溫度與室外空氣溫度

圖5 所示為夏季室外空氣溫度與室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度之間的關(guān)系（邏輯回歸關(guān)系，見式（3））.從圖中可看出，當(dāng)室外溫度約為22 ℃時，室內(nèi)設(shè)定溫度約為24.5 ℃；當(dāng)室外空氣溫度為40 ℃時，室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度約為28 ℃.隨著室外溫度繼續(xù)升高，室內(nèi)設(shè)定溫度繼續(xù)上升但漸趨平緩.

圖5 夏季不同室外空氣溫度下的室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度Fig.5 Indoor set-point temperatures with different outdoor temperatures in summer

式中：Ts1為室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度；t1為室外空氣溫度.

2.3.2 冬季空調(diào)設(shè)定溫度與室外空氣溫度

圖6 所示為冬季室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度與室外空氣溫度的關(guān)系（見式（4））.從圖中可看出，隨著室外溫度的升高，室內(nèi)設(shè)定溫度會逐漸上升，但上升的趨勢逐漸平緩，最后趨近于21 ℃，且在室外溫度為2 ℃時，室內(nèi)設(shè)定溫度最低，約為17.5 ℃，比最大值低4 ℃左右.

圖6 冬季不同室外空氣溫度下的室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度Fig.6 Indoor set-point temperatures with different outdoor temperatures in winter

式中：Ts2為冬季室內(nèi)設(shè)定溫度；t2為冬季室外空氣溫度.

2.4 夏季各房間空調(diào)使用行為

2.4.1 夏季主臥空調(diào)開啟時間

夏季主臥空調(diào)開啟時刻如圖7 所示.從圖中可看出，主臥空調(diào)的開啟時間主要在11:00—13:00，19:00—23:00，且在8:00 時也有一個較小的高峰，其中白天在11:30—13:30 的空調(diào)開啟頻率最高.在19:00時，開啟頻率明顯高于18:00，在19:30—23:30 時達(dá)到較大值，之后明顯下降.

圖7 夏季主臥空調(diào)開啟時間正態(tài)分布曲線Fig.7 Normal-distributed curves of air-conditioning use time of bedrooms in summer

2.4.2 夏季客廳空調(diào)開啟時間

從圖8 中可看出，客廳空調(diào)的開啟時間主要在8:00—12:00，18:00—20:00.在7:00 時，客廳的空調(diào)開啟頻率有明顯上升，在12:00 之后空調(diào)開啟頻率明顯下降；在12:30—15:30 客廳的空調(diào)開啟頻率一直處于很低的狀態(tài)，在16:00 時開始上升，并在19:00 達(dá)到峰值，之后空調(diào)開啟頻率逐漸降低.

2.4.3 夏季餐廳空調(diào)開啟時間

從圖9 中可看出，餐廳空調(diào)的開啟時間主要集中在3 個時間段，分別為4:00—9:00，9:00—15:00，15:00-19:00，并且分別在8:00、11:00 和17:00 左右達(dá)到最高值.同時對餐廳空調(diào)開啟期間客廳空調(diào)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在夏季餐廳空調(diào)開啟期間，客廳空調(diào)開啟的概率為38%.

圖8 夏季客廳空調(diào)開啟時間正態(tài)分布曲線Fig.8 Normal-distributed curves of air-conditioning use time of living room in summer

圖9 夏季餐廳空調(diào)開啟時間正態(tài)分布曲線Fig.9 Normal-distributed curves of air-conditioning use time of dining room in summer

用正態(tài)分布對以上各個房間各個時間段空調(diào)的開啟時間頻率擬合的結(jié)果見表3.

表3 夏季空調(diào)開啟時間正態(tài)分布曲線參數(shù)Tab.3 Parameters of the normal-distributed models of air-conditioning use time in summer

2.4.4 夏季空調(diào)設(shè)定溫度與時間的關(guān)系

用正態(tài)分布對夏季空調(diào)開啟期間的室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行擬合，結(jié)果見表4.從圖10 中可看出，夏季主臥的室內(nèi)設(shè)定溫度集中在24.5～30 ℃，跨度較大，從正態(tài)分布的μ 值中可看出，室內(nèi)設(shè)定溫度頻率最高的值約為27 ℃.客廳和餐廳的設(shè)定溫度較為集中，主要在26～29 ℃，從正態(tài)分布的μ 值中可看出，室內(nèi)設(shè)定溫度頻率最高的值均為27.5 ℃左右.

表4 夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)定溫度正態(tài)分布曲線參數(shù)Tab.4 Parameters of normal-distributed models of set-point temperatures in summer

圖10 夏季空調(diào)室內(nèi)各房間設(shè)定溫度Fig.10 Indoor set-point temperatures for each room in summer

2.5 冬季各房間空調(diào)使用行為

2.5.1 冬季主臥空調(diào)開啟時間

從圖11 中可看出，冬季主臥空調(diào)的開啟時間主要在6:00—8:00，10:00—14:00 以及17:00—22:00，并分別在7:00、12:00 以及21:00 左右達(dá)到峰值，與夏季相比，在冬季早上5:30—7:30 住戶有較高的空調(diào)使用頻率.

2.5.2 冬季客廳與餐廳空調(diào)開啟時間

冬季客廳和餐廳空調(diào)的開啟時間基本相同，主要集中在6:30—8:30 以及17:30—18:30，如圖12 和圖13 所示.同時對餐廳空調(diào)開啟期間客廳空調(diào)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在冬季餐廳空調(diào)開啟期間，客廳空調(diào)開啟的概率為76%.從圖12 和圖13 中可看出，早上空調(diào)開啟的頻率明顯高于傍晚17:30-18:30空調(diào)的開啟頻率，且與主臥相比，早上客廳與餐廳的空調(diào)開啟時間高峰稍微延遲，而在傍晚主臥的空調(diào)開啟時間高峰與客廳和餐廳相比較晚.

圖11 冬季主臥空調(diào)開啟時間正態(tài)分布曲線Fig.11 Normal-distributed curves of air-conditioning use time of bedroom in winter

圖12 冬季客廳與餐廳空調(diào)開啟時間正態(tài)分布曲線（2:00—15:00）Fig.12 Normal-distributed curves of air-conditioning use time for living and dining room in winter（2:00—15:00）

圖13 冬季客廳與餐廳空調(diào)開啟時間正態(tài)分布曲線（15:00—24:00）Fig.13 Normal-distributed curves of air-conditioning use time of living and dining rooms in winter（15:00—24:00）

用正態(tài)分布對以上冬季各個房間各個時間段的開啟時間頻率擬合的結(jié)果見表5.從表5 中可看出μ值即代表空調(diào)開啟時間頻率分布的峰值，與曲線圖的峰值相對應(yīng)，從R2可看出，該模型具有較好的擬合性.

表5 冬季空調(diào)開啟時間正態(tài)分布曲線參數(shù)Tab.5 Parameters of the normal-distributed models of air-conditioning use time in winter

2.5.3 冬季空調(diào)設(shè)定溫度

冬季空調(diào)開啟期間的室內(nèi)空氣溫度分布擬合結(jié)果見表6.圖14 中，冬季室內(nèi)設(shè)定溫度主要為17～22℃，基本高于16 ℃.從正態(tài)分布的μ 值中可看出室內(nèi)設(shè)定溫度頻率最高的值均在20.5 ℃左右，高于標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)設(shè)定溫度20 ℃.

表6 冬季空調(diào)設(shè)定溫度正態(tài)分布曲線參數(shù)Tab.6 Parameters of normal-distributed models about setting temperature in winter

圖14 冬季空調(diào)室內(nèi)各房間設(shè)定溫度Fig.14 Indoor set-point temperatures for each room in winter

3 討論

Song 等[10]在2016 年5 月至11 月中國天津地區(qū)通過現(xiàn)場測試得出住宅建筑50%空調(diào)使用率對應(yīng)的室外溫度為32.5 ℃，而在本文中夏季在白天50%空調(diào)使用率對應(yīng)的室外溫度在31 ℃左右，夜間50%空調(diào)使用率對應(yīng)的室外溫度約為26 ℃，這是因?yàn)殚L沙地區(qū)夏季多雨，相對濕度較大.

洪霄偉等[11]通過統(tǒng)計(jì)8 戶中國廣州某高校的教師住宅，發(fā)現(xiàn)夏季客廳的空調(diào)開啟時間主要在12:00—13：00 和18：00—22：00，臥室空調(diào)的空調(diào)開啟時間主要在21：00—24：00，午休時間13：00 時也有一定量的使用頻率，但在本研究中客廳在上午也有很大的開啟頻率，這是由于老年人長時間在家，因此空調(diào)開啟頻率在時間上分布更為均勻.

劉雪麒[12]的研究指出在太原夏季老年人80%可接受熱舒適溫度為21.4～28.8 ℃，冬季80%可接受熱舒適溫度為20.4～24.5 ℃；老年人在夏季的熱期待溫度為27.7 ℃，冬季為23.8 ℃.在本研究中，夏季老年人室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度主要在25～29 ℃，峰值出現(xiàn)在約27.5 ℃；冬季室內(nèi)約70%的時間室內(nèi)設(shè)定溫度高于19 ℃，且峰值出現(xiàn)在20.5 ℃左右，與劉雪麒的研究相一致，均說明老年人對偏熱環(huán)境的耐受性較高，對偏冷環(huán)境的耐受性較低.

大量的研究表明[13-15]，由于老年人生理和心理的獨(dú)特性，使得他們對室內(nèi)小氣候的要求與其他群體不同，更容易受到極端天氣的影響，更喜歡溫度偏高的環(huán)境，且會更加頻繁地操作空調(diào)系統(tǒng).Hamza 和Gilroy[16]的研究指出，老年人普遍在家中度過大量的時間，例如，65 歲的老年人據(jù)說在家中度過85%的時間，85 歲及以上的老年人在家中度過超過95%的時間，這與本研究中的結(jié)論一致，故本文研究結(jié)果并不適用于其他人群，但為研究其他人群的空調(diào)使用行為提供了借鑒.

4 結(jié)論

通過對以老年人為主體的混合通風(fēng)住宅建筑空調(diào)使用行為進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，得到如下結(jié)論：

1）夏季室外溫度主要在25～37 ℃之間，室外濕度隨晝夜變化.冬季室外溫度主要在0～15 ℃之間，相對濕度較大，基本在80%以上.

2）夏季白天主臥空調(diào)的開啟時間主要為11：30—13：30 和19：30—23：30；客廳空調(diào)白天的開啟時間主要在8：00—12：00 和18：00—20：00；餐廳在三餐時間有一個開啟的高峰.冬季客廳和餐廳空調(diào)的開啟時間基本相同，主要在6：30—8：30 和17：30—18：30，主臥空調(diào)的開啟時間主要在6：00—8：00，11：00—13：00 以及20：00—22：00.

3）夏季白天住宅建筑的耐受溫度為31 ℃，夜間為26 ℃；冬季白天耐受溫度為12 ℃，夜間約為8 ℃.

4）在夏季，室內(nèi)設(shè)定溫度隨著室外空氣溫度的升高而升高，最大值與最小值相差約3.5 ℃；在冬季，室內(nèi)設(shè)定溫度隨著室外空氣溫度的升高先增加后降低，最大值與最小值相差約4 ℃.

5）夏季主臥空調(diào)的室內(nèi)設(shè)定溫度范圍較大，但頻率最高的設(shè)定溫度在27 ℃左右，客廳和餐廳的溫度設(shè)定值主要在26～29 ℃；冬季各房間室內(nèi)溫度設(shè)定值的跨度差別不大，頻率最大值在20.5 ℃左右.