李念平 韓陽(yáng)麗 何穎東 彭晉卿 賈繼康

摘? ?要：為研究混合通風(fēng)建筑內(nèi)人員的空調(diào)使用行為對(duì)建筑能耗的影響，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)以老年人為主的住宅空調(diào)系統(tǒng)及室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行為期一年的連續(xù)監(jiān)測(cè)，收集了氣象參數(shù)、空調(diào)使用率、開(kāi)啟時(shí)間、室內(nèi)的設(shè)定溫度等數(shù)據(jù). 分析表明：夏季和冬季在客廳、餐廳以及主臥開(kāi)啟空調(diào)的時(shí)間均有所不同. 在夏季，客廳與餐廳的設(shè)定溫度較為集中，主要為26～28 ℃，主臥的室內(nèi)設(shè)定溫度主要為25～29 ℃，三者設(shè)定溫度的峰值均在27.5 ℃左右;在冬季，各房間的室內(nèi)設(shè)定溫度相差不大，頻率最高的溫度為20.5 ℃. 夏季住宅內(nèi)老年人日間室外耐受溫度約為31 ℃，夜間約為26 ℃;而冬季住宅內(nèi)老年人日間室外耐受溫度約為12 ℃，夜間耐受溫度約為8 ℃. 同時(shí)建立了空調(diào)開(kāi)啟率與環(huán)境溫度之間的邏輯回歸模型、空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間以及室內(nèi)溫度正態(tài)分布模型，為研究混合通風(fēng)住宅建筑空調(diào)使用行為提供參考.

關(guān)鍵詞：混合通風(fēng);空調(diào)使用行為;模型;老年人

中圖分類號(hào)：TU241.8? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Air-conditioning Use Behaviors of Elderly

in Mixed-mode Residential Buildings in Changsha

LI Nianping?，HAN Yangli，HE Yingdong，PENG Jinqing，JIA Jikang

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China ）

Abstract：Air-conditioning use behaviors of the people in mixed-mode buildings have a significant impact on building energy. A one-year field investigation was conducted in mixed-mode residential buildings mainly on the elderly in the Hot Summer and Cold Winter Region. Climate parameters， air-conditioning usage rates， turning-on time， and indoor set-point temperatures were continuously monitored and recorded. The results show that the periods of the elderly using air conditioners in the living rooms， dining rooms， and bedrooms were different in summer and winter. In summer， the indoor set-point temperatures of living rooms and dining rooms were both mostly within 26～28°C， and? those of bedrooms mainly varied within 25～29°C. The most frequent set-point temperature of the three rooms was 27.5°C. In the winter， the indoor set-point temperatures of all rooms were similar， and the most frequently selected one was 20.5°C. In summer， the outdoor tolerance temperatures of the elderly were about 31°C and 26°C in the daytime and night， respectively. In winter， the outdoor tolerance temperature of the elderly was about 12 °C and 8°C in the daytime and night， respectively. Besides， this study established the logistic regression models between air-conditioning use rates and outdoor temperatures， normal-distributed models of air-conditioning use rates over time， as well as the models of indoor set-point temperature distribution. This study provides a reference for researches on air-conditioning use behaviors in mixed-mode residential buildings.

Key words：mixed-mode;air-conditioning use behavior;models;older people

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(duì)于準(zhǔn)確分析建筑空調(diào)能耗具有重要意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)建筑室內(nèi)人員行為進(jìn)行了大量研究. 李俊鴿[2]對(duì)中國(guó)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(shí)最高，約占30%. 張才俊[3]通過(guò)對(duì)廣州22臺(tái)使用中的房間空調(diào)器進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)用戶開(kāi)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(shí)，用戶開(kāi)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(shí)，用戶開(kāi)啟空調(diào)的概率將達(dá)到94.95%. 虞洋等[4]對(duì)中國(guó)杭州某辦公建筑開(kāi)展了夏季空調(diào)使用行為測(cè)試，并采用邏輯回歸構(gòu)建出夏季空調(diào)開(kāi)啟率預(yù)測(cè)模型，得出測(cè)試房間空調(diào)開(kāi)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(gè)家庭住宅和3個(gè)單元房的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(guò)對(duì)臺(tái)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(jiàn)，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(guò)對(duì)長(zhǎng)沙市某以老年人為居住主體的住宅建筑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(lái)以老年人為主的住宅建筑舒適環(huán)境的營(yíng)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(zhǎng)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?jī)?nèi)均有可自由開(kāi)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(cè)試的每戶住有老年夫妻二人，平均年齡高于60歲. 每套房?jī)?nèi)空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)啟、關(guān)閉以及室內(nèi)溫度的設(shè)定由住戶自行控制.

混合通風(fēng)可充分利用室外氣候條件來(lái)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(duì)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(shí)段開(kāi)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(cè)量參數(shù)

在本研究中，現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)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(hào)至2019年2月28號(hào)）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(gè)臥室各一個(gè)，用以監(jiān)測(cè)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(cè)末端開(kāi)啟情況及電量，智能插座與傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫(kù)，再傳輸至計(jì)算機(jī)和手機(jī)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(cè)站來(lái)收集，室外溫濕度的傳感器被存儲(chǔ)在設(shè)備內(nèi)，由電腦導(dǎo)出. 所有數(shù)據(jù)收集時(shí)間間隔為5 min. 儀器具體信息見(jiàn)表1.

1.3? ?數(shù)據(jù)分析

首先通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，然后去除異常值，接著對(duì)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(kāi)啟率隨室外溫度變化的數(shù)學(xué)模型，模型形式見(jiàn)式（1）[8]. 由于同一時(shí)間，住戶同時(shí)開(kāi)啟兩個(gè)房間的空調(diào)的概率較小，因此某時(shí)刻只要有一個(gè)房間的空調(diào)開(kāi)啟，即認(rèn)為該戶在使用空調(diào)，并將50%空調(diào)使用率對(duì)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(duì)空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)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(jiàn)式（2）. 對(duì)于前者，縱坐標(biāo)頻率表示該小時(shí)內(nèi)，所有住戶空調(diào)開(kāi)啟動(dòng)作所出現(xiàn)的次數(shù)占總次數(shù)的百分比;對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)分時(shí)段處理. 且由于主臥、客廳、餐廳的使用行為不盡相同，因此對(duì)不同房間的設(shè)定溫度與空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間分別處理.

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(duì)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(duì)濕度約為60%，在夜間室外相對(duì)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(guò)80%.

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(kāi)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(jiàn)表2.

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(jiàn)式（3））. 從圖中可看出，當(dāng)室外溫度約為22 ℃時(shí)，室內(nèi)設(shè)定溫度約為24.5 ℃;當(dāng)室外空氣溫度為40 ℃時(shí)，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.

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(jiàn)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(huì)逐漸上升，但上升的趨勢(shì)逐漸平緩，最后趨近于21 ℃，且在室外溫度為2 ℃時(shí)，室內(nèi)設(shè)定溫度最低，約為17.5 ℃，比最大值低4 ℃左右.

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(kāi)啟時(shí)間

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

2.4.2? ?夏季客廳空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間

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

2.4.3? ?夏季餐廳空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間

從圖9中可看出，餐廳空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)間主要集中在3個(gè)時(shí)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(shí)對(duì)餐廳空調(diào)開(kāi)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(kāi)啟期間，客廳空調(diào)開(kāi)啟的概率為38%.

用正態(tài)分布對(duì)以上各個(gè)房間各個(gè)時(shí)間段空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)間頻率擬合的結(jié)果見(jiàn)表3.

2.4.4? ?夏季空調(diào)設(shè)定溫度與時(shí)間的關(guān)系

用正態(tài)分布對(duì)夏季空調(diào)開(kāi)啟期間的室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)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.

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(kāi)啟時(shí)間

從圖11中可看出，冬季主臥空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)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(kāi)啟時(shí)間

冬季客廳和餐廳空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)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(shí)對(duì)餐廳空調(diào)開(kāi)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(kāi)啟期間，客廳空調(diào)開(kāi)啟的概率為76%. 從圖12和圖13中可看出，早上空調(diào)開(kāi)啟的頻率明顯高于傍晚17：30-18：30空調(diào)的開(kāi)啟頻率，且與主臥相比，早上客廳與餐廳的空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間高峰稍微延遲，而在傍晚主臥的空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間高峰與客廳和餐廳相比較晚.

用正態(tài)分布對(duì)以上冬季各個(gè)房間各個(gè)時(shí)間段的開(kāi)啟時(shí)間頻率擬合的結(jié)果見(jiàn)表5. 從表5中可看出μ值即代表空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間頻率分布的峰值，與曲線圖的峰值相對(duì)應(yīng)，從R2可看出，該模型具有較好的擬合性.

2.5.3? ?冬季空調(diào)設(shè)定溫度

冬季空調(diào)開(kāi)啟期間的室內(nèi)空氣溫度分布擬合結(jié)果見(jiàn)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 ℃.

3? ?討? ?論

Song等[10]在2016年5月至11月中國(guó)天津地區(qū)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出住宅建筑50%空調(diào)使用率對(duì)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(duì)應(yīng)的室外溫度在31 ℃左右，夜間50%空調(diào)使用率對(duì)應(yīng)的室外溫度約為26 ℃，這是因?yàn)殚L(zhǎng)沙地區(qū)夏季多雨，相對(duì)濕度較大.

洪霄偉等[11]通過(guò)統(tǒng)計(jì)8戶中國(guó)廣州某高校的教師住宅，發(fā)現(xiàn)夏季客廳的空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間主要在12：00—13：00和18：00—22：00，臥室空調(diào)的空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間主要在21：00—24：00，午休時(shí)間13：00時(shí)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(kāi)啟頻率，這是由于老年人長(zhǎng)時(shí)間在家，因此空調(diào)開(kāi)啟頻率在時(shí)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(shí)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(shuō)明老年人對(duì)偏熱環(huán)境的耐受性較高，對(duì)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(duì)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(huì)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(guò)大量的時(shí)間，例如，65歲的老年人據(jù)說(shuō)在家中度過(guò)85%的時(shí)間，85歲及以上的老年人在家中度過(guò)超過(guò)95%的時(shí)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(guò)對(duì)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(chǎng)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(duì)濕度較大，基本在80%以上.

2）夏季白天主臥空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)間主要為11：30

—13：30和19：30—23：30;客廳空調(diào)白天的開(kāi)啟時(shí)間主要在8：00—12：00和18：00—20：00;餐廳在三餐時(shí)間有一個(gè)開(kāi)啟的高峰. 冬季客廳和餐廳空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)間基本相同，主要在6：30—8：30和17：30—18：30，主臥空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)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.

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