李念平,韓陽(yáng)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(zhǎng)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(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.
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.
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(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.
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(pán)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(pán)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.
表1 儀器信息Tab.1 Instruments used in this study
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.
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).
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%.
圖2 冬夏季室外空氣溫度和相對(duì)濕度Fig.2 Outdoor temperatures and relative humidity in summer and winter
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.
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
2.3.1 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.
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(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.
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.
2.4.1 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.
圖7 夏季主臥空調(diào)開(kāi)啟時(shí)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(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%.
圖8 夏季客廳空調(diào)開(kāi)啟時(shí)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(kāi)啟時(shí)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(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.
表3 夏季空調(diào)開(kāi)啟時(shí)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(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.
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
2.5.1 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.
圖11 冬季主臥空調(diào)開(kāi)啟時(shí)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(kāi)啟時(shí)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(kāi)啟時(shí)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(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.
表5 冬季空調(diào)開(kāi)啟時(shí)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(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 ℃.
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
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.
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.