BIM環(huán)境下集成用戶行為的建筑能耗預(yù)測

劉佳靜，駱漢賓，陳寧寧，李澤宇

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

建筑相關(guān)的活動產(chǎn)生的能耗占社會總能耗的40%，近年來國內(nèi)外對建筑節(jié)能愈加重視。能耗的預(yù)測既可服務(wù)于綠色建筑評級，同時是建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。然而，研究表明，能耗預(yù)測值與實際值之間存在巨大差距[1]，且用戶用能行為是造成這一差距的主要因素[2,3]。

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)可構(gòu)建建筑的虛擬環(huán)境，集成零散的能耗影響因素[4]。目前而言，通過BIM 能耗軟件模擬用戶在室活動情況，主要依賴軟件內(nèi)置的固定人員作息模式，不能反映用戶的實際行為[5,6]，且對建筑室內(nèi)人員、設(shè)備等系統(tǒng)設(shè)置過于簡單處理。通過現(xiàn)場調(diào)研記錄用戶行為信息并輸入能耗模擬軟件，Eguaras等[7]發(fā)現(xiàn)能耗預(yù)測值與固定作息法相比差距高達30%。

為提高能耗預(yù)測的準確性，王闖等[8,9]基于Markov 隨機模型模擬了用戶在不同房間之間的移動行為和設(shè)備控制行為，但未考慮用戶的用能偏好。羅濤[10]綜合考慮天然采光及用戶行為等因素，系統(tǒng)構(gòu)建了針對辦公建筑的照明能耗的模擬方法。由此，本文旨在在設(shè)計階段BIM環(huán)境下分析不同類型用戶和不同設(shè)備之間的交互關(guān)系。

以辦公建筑為例，本文從BIM模型的虛擬建筑環(huán)境中提取影響用戶行為的環(huán)境參數(shù)，基于Agent技術(shù)對用戶行為進行事前分析，建立用戶移動行為模型和用能行為模型。通過等效描述用戶移動行為與移動事件的發(fā)生，構(gòu)建基于事件的用戶Agent移動行為模型，基于此建立Multi-Agent用戶用能行為模型，定量描述辦公建筑中各類型用戶、設(shè)備的交互影響與動態(tài)變化，實現(xiàn)設(shè)計階段的能耗預(yù)測。

1 基于Agent的移動行為建模

用戶移動行為決定室內(nèi)的人員狀況。從BIM模型中提取環(huán)境參數(shù)，采用Agent技術(shù)描述用戶移動行為，建立基于事件的用戶移動行為模型(Mixed Agent-based Events Model，MAEM)，構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 MAEM模型創(chuàng)建流程

1.1 用戶Agent移動行為研究

Agent是同時具備感知器和效應(yīng)器的主體，可以與環(huán)境及其余實體進行動態(tài)交互、分析決策，實現(xiàn)自我狀態(tài)的調(diào)整和位置的改變。

移動事件的發(fā)生與人員位置的改變具有很強的關(guān)聯(lián)性[8]。本文假設(shè)用戶在室內(nèi)的移動與事件發(fā)生相互等價，通過對室內(nèi)用戶事件的描述實現(xiàn)對室內(nèi)用戶移動的描述。

移動事件指每天可重復(fù)發(fā)生、具有普遍性且發(fā)生在不同房間之間的移動。從可量化描述的角度出發(fā)，本文研究的事件具備時間屬性、空間屬性、特征參數(shù)、隨機性、優(yōu)先級[8]。通過觀察用戶的日?；顒?，辦公建筑提煉的移動事件如表1所示。

表1 辦公建筑移動事件提煉

1.2 MAEM模型構(gòu)建

采用Anylogic人員行為仿真軟件在建筑虛擬環(huán)境下模擬用戶Agent日常移動過程。與大多數(shù)用戶模擬的過程相似，本文MAEM模型的模擬過程主要經(jīng)過三個步驟：設(shè)置參數(shù)→用戶移動計算→計算結(jié)果輸出。從空間層、Agent層和移動層三個方面對MAEM模型進行參數(shù)設(shè)置。

(1)空間層設(shè)置。通過BIM模型提取用戶移動所需的三維空間信息，設(shè)置用戶移動所需的房間區(qū)域、維護結(jié)構(gòu)和出入口位置等，并標識不同的空間區(qū)域，為Agent層建立用戶與空間區(qū)域關(guān)聯(lián)關(guān)系時提供關(guān)鍵字段。

(2)Agent層設(shè)置。用戶Agent層級建模，需建立用戶Agent類型屬性和用戶移動行為的邏輯鏈。與用戶相關(guān)的預(yù)設(shè)屬性主要包括時間屬性和空間屬性。在Anylogic軟件中通過流程庫對用戶Agent的轉(zhuǎn)移過程建立狀態(tài)圖，并通過JAVE程序設(shè)置用戶Agent時間屬性和空間屬性。本文通過Anylogic行人庫建立用戶移動邏輯鏈，將用戶在不同三維空間進行活動的場所關(guān)聯(lián)起來。

(3)移動層設(shè)置。對與用戶移動相關(guān)的典型事件進行建模，并將該事件的活動規(guī)則預(yù)設(shè)到用戶Agent層中，將用戶移動的狀態(tài)圖或者移動鏈與典型事件進行整合。在Anylogic中，用戶Agent的移動過程和用戶所處的狀態(tài)受上述典型事件的觸發(fā)后，將發(fā)生移動行為。

完成上述層級的模型構(gòu)建后，進入用戶移動模擬計算階段。用戶Agent初始時刻從每天0∶00開始，初始時刻對應(yīng)著用戶的初始狀態(tài)。模型開始運行后，將分析當前運行時刻對應(yīng)的移動事件，判斷事件是否發(fā)生，并更新移動事件集。仿真過程每執(zhí)行一次，記錄各房間每次執(zhí)行狀態(tài)下的用戶人數(shù)，生成各房間室內(nèi)人員數(shù)的時間序列圖。

2 基于Multi-Agent的用能行為建模

用戶對用電設(shè)備的使用模式直接關(guān)系著能耗量。用戶用能行為是用戶受到室內(nèi)環(huán)境的刺激做出的反饋。與用戶移動行為類似，用戶的用能控制行為受到室內(nèi)環(huán)境與個體習(xí)慣等綜合因素的影響，具有隨機性、不確定性和復(fù)雜性。用戶用能行為是移動事件和室內(nèi)環(huán)境雙重作用的結(jié)果。

以室內(nèi)用戶移動數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過室內(nèi)環(huán)境和移動事件來描述用戶用能行為。Multi-Agent系統(tǒng)組合了各孤立的Agent形成整體關(guān)系，可實現(xiàn)Agent的屬性以及Agent之間復(fù)雜的規(guī)則和制約條件的集成?；贛ulti-Agent的用戶行為建模系統(tǒng)框架如圖2所示。分別構(gòu)建了三種不同類型的Agent：環(huán)境Agent、人員Agent和設(shè)備Agent，可實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境、室內(nèi)人員和設(shè)備之間復(fù)雜信息交互過程的仿真模擬。記錄室內(nèi)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，并作為BIM能耗計算的輸入數(shù)據(jù)，從而獲取建筑的能耗預(yù)測值。

圖2 Multi-Agent系統(tǒng)框架及能耗計算應(yīng)用

(1)人員Agent。人員Agent的移動行為來自于用戶的移動數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶使用用電設(shè)備行為習(xí)慣的不同，在Multi-Agent模型框架中將人員Agent細分為三類：H-agent，M-agent，L-agent。依據(jù)文獻資料和調(diào)研數(shù)據(jù)[11～14]，不同類型的人員Agent代表在同等建筑環(huán)境和事件下不同的用能行為模式。構(gòu)建人員類型Agent時，預(yù)設(shè)人員用能行為的相關(guān)參數(shù)與屬性，具體如表2所示。

表2 不同類型人員行為模式

(2)環(huán)境Agent。室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境是影響用戶空調(diào)控制行為和照明控制行為的主要因素。利用Agent技術(shù)中的存儲功能，可構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境的Agent類型，用于存儲建筑物所處位置的室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境參數(shù)。在Multi-Agent模型中，根據(jù)模型運行時刻向室內(nèi)人員Agent發(fā)送環(huán)境變化信息，人員Agent受室內(nèi)環(huán)境的刺激，改變室內(nèi)用電設(shè)備的狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。

(3)設(shè)備Agent。研究指出，空調(diào)能耗、設(shè)備能耗和照明能耗在建筑能耗中占比最大[12]，且均受人員活動和室內(nèi)環(huán)境的影響，存在較大的不確定性。因此，本文以用戶對這三類設(shè)備的控制行為為例，分析用戶用能行為。

設(shè)備的使用屬性不同導(dǎo)致用戶之間對用電設(shè)備的控制行為存在差異。根據(jù)設(shè)備屬性建立設(shè)備的Agent類型，Agent-Ac(空調(diào)設(shè)備)、Agent-Lt(照明設(shè)備)和Agent-Co(電腦設(shè)備)。其中Agent-Ac和Agent-Lt分別用0和1代表關(guān)閉和開啟狀態(tài)；Agent-Co則用0，0.3，1分別代表關(guān)閉、待機和開啟狀態(tài)。

本文以圖3中的建筑為例，完成Agent對象建模后，通過在Multi-Agent模型中寫入JAVE程序，實現(xiàn)多個Agent類型之間復(fù)雜的交互過程。構(gòu)建交互關(guān)系后，在Anylogic平臺建立圖3所示的Multi-Agent系統(tǒng)模型，用以模擬有復(fù)雜系統(tǒng)關(guān)系的人員移動和用能行為。

圖3 Multi-Agent模型

3 集成用戶行為的建筑能耗預(yù)測

集成設(shè)計是一個從生命周期將建筑物作為整體進行設(shè)計和優(yōu)化的過程，綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)各組成部分的功能需求與制約關(guān)系，強調(diào)共同作用下的“整體效應(yīng)”。對某辦公建筑進行能耗計算，驗證在設(shè)計階段集成用戶用能行為因素的可行性和合理性。本案例位于武漢市，為單層磚混結(jié)構(gòu)辦公樓，由4個辦公室、1個會議室和1個休息室構(gòu)成，建筑平面如圖4所示。

圖4 某辦公建筑建筑平面

3.1 BIM模型構(gòu)建

本項目從設(shè)計早期開始應(yīng)用BIM技術(shù)，采用Revit構(gòu)建BIM模型。能耗計算有關(guān)的信息主要包括維護結(jié)構(gòu)、室內(nèi)HVAC(Heating,Ventilation and Air Conditioning)系統(tǒng)、室內(nèi)照明系統(tǒng)和室內(nèi)設(shè)備等。根據(jù)設(shè)計變更及時完善和更新BIM模型，最終形成建筑BIM模型，如圖5所示。

圖5 建筑BIM模型

將BIM模型通過gbXML文件格式導(dǎo)入能耗計算軟件Energy Plus，Open studio，Sketchup，生成BIM能耗模型。在能耗模型中加載武漢市氣象數(shù)據(jù)，對建筑進行室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境分析。

室內(nèi)熱環(huán)境是影響用戶室內(nèi)空調(diào)行為的主要因素，逐時記錄室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)用于用戶行為分析。室內(nèi)光環(huán)境分析需對不同房間在0.75 m高度設(shè)置感光點，分析該辦公建筑室內(nèi)全年照度，并記錄每個房間每天8∶00—18∶00照度數(shù)據(jù)。

3.2 用戶行為模擬

基于前文的數(shù)據(jù)和方法進行用戶行為模擬計算。將office1室內(nèi)用戶設(shè)定為L-agent；office2室內(nèi)用戶設(shè)定為M-agent；office3室內(nèi)用戶分別設(shè)定為L-agent，M-agent，H-agent；office4室內(nèi)用戶設(shè)定為H-agent。

3.2.1 用戶移動行為模擬

以該辦公室六月份數(shù)據(jù)為例，仿真模擬得到室內(nèi)用戶移動行為，如圖6所示，圖中綠色色塊占據(jù)的部分代表人員在室內(nèi)。上班期間室內(nèi)人員發(fā)生隨機移動事件或者開會事件將導(dǎo)致室內(nèi)人員短期離開辦公區(qū)域?？梢钥闯觯覂?nèi)人員存在偶爾晚上加班的現(xiàn)象，但加班時間均不超過20：00，且加班事件的發(fā)生具有隨機性。

圖6 用戶在室時間序列

3.2.2 用戶用能行為模擬

分別對用戶空調(diào)、照明和電腦設(shè)備控制行為進行為期一個月的用能行為模擬，獲取該辦公建筑六月份設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果如圖7～9所示。圖中空白部分代表設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟狀態(tài)由滿格色塊表示，而小半格色塊則表示待機狀態(tài)。

圖7 用戶空調(diào)控制行為仿真結(jié)果

圖8 用戶照明控制行為仿真結(jié)果

圖9 用戶電腦使用行為仿真結(jié)果

在同等移動事件和環(huán)境作用下，L-agent，M-agent，H-agent對室內(nèi)各設(shè)備的開啟時長依次遞增。在office3辦公區(qū)域，由于同時存在L-agent，M-agent，H-agent的相互作用，空調(diào)和電燈的開啟與關(guān)閉發(fā)生時刻同其余區(qū)域存在較大差距，開啟時長高于L-agent和M-agent單獨控制的房間區(qū)域，但低于H-agent單獨控制的房間區(qū)域。電腦設(shè)備屬排他性設(shè)備，不受多人共同作用的影響，主要由室內(nèi)用戶移動事件和用能行為模式?jīng)Q定。

3.3 用戶能耗模擬計算

將獲取的可變用電設(shè)備逐時運行的工況數(shù)據(jù)輸入BIM模型，完成對該辦公建筑的設(shè)計能耗計算，如圖10所示。

圖10 各辦公區(qū)域能耗構(gòu)成

由模擬結(jié)果分析可知，不同用戶的用能行為導(dǎo)致了用電設(shè)備在能耗方面的巨大差距，在office1和office4中，空調(diào)能耗的差距高達128.71%，有必要提高用戶的節(jié)能意識?？梢园l(fā)現(xiàn)，建筑能耗與室內(nèi)辦公人員數(shù)存在邊際遞減效應(yīng)，多人聯(lián)合辦公具有較好的節(jié)能效果。

3.4 能耗計算驗證

將固定作息法的計算結(jié)果、本文方法的計算結(jié)果與實際能耗觀測值進行對比(圖11)，驗證本文方法對提高預(yù)測準確度的可行性。其中，實測值采用“計量插座儀器”對室內(nèi)設(shè)備進行現(xiàn)場測量獲取。

圖11 不同能耗預(yù)測結(jié)果與實測能耗對比分析

如圖11所示，得到三組日均能耗數(shù)據(jù)結(jié)果，其中綠色柱狀部分為本文方法得到的結(jié)果，即“occupant”；觀測值為橙黃色柱狀部分，即“monitor”；采用固定作息得到的能耗為紅色柱狀部分，即“typical”。結(jié)果表明，采用固定作息不能體現(xiàn)由于用戶類型和辦公規(guī)模(人員數(shù))的不同帶來的能耗差距，本文方法預(yù)測的結(jié)果與能耗實測值更接近。其中，多人辦公區(qū)域的模擬結(jié)果優(yōu)于單人辦公室，主要由于單人辦公室受個體狀態(tài)影響大，室內(nèi)的設(shè)備使用不規(guī)律性加大。

4 結(jié) 論

本文提出了在BIM環(huán)境下集成用戶行為的建筑能耗預(yù)測流程，實現(xiàn)在建筑設(shè)計階段對用戶行為的考慮?；贏gent和multi-Agent分別構(gòu)建用戶移動行為和用能行為模型，量化了用戶行為對用電設(shè)備使用的影響。

以武漢市某辦公建筑為例，模擬結(jié)果表明：

(1)本文方法可實現(xiàn)隨機事件的模擬，隨機走動或開會事件的發(fā)生會引發(fā)人員在室情況的變化；

(2)單人辦公室的能耗與用戶用能偏好密切相關(guān)，共享型設(shè)備的狀態(tài)在多人辦公室中受多用戶共同作用的影響，且多人聯(lián)合辦公具有較好的節(jié)能效果；

(3)固定作息法不能體現(xiàn)由于用戶類型和辦公規(guī)模不同帶來的能耗差距，本文方法預(yù)測的結(jié)果更接近于實測值，且多人辦公區(qū)域的模擬結(jié)果優(yōu)于單人辦公室。

本文基于多軟件平臺進行數(shù)據(jù)的輸入與導(dǎo)出，無法動態(tài)呈現(xiàn)用戶行為不同帶來的能耗變化。進一步研究可探索能耗模型與用戶行為模型之間數(shù)據(jù)的實時傳輸，實現(xiàn)集成用戶行為的建筑能耗節(jié)能優(yōu)化設(shè)計與動態(tài)能耗負荷計算。