253人行为标准定义及案例分析

人行为标准定义及案例分析清华大学建筑技术科学系周欣彭琛王闯燕达江亿摘要人行为对建筑能耗的作用已经在业内得到越来越广泛的重视。本文在总结人行为对建筑能耗的影响的基础上，提出一个公共的人行为标准定义平台，就什么是人行为，人行为的分类，人行为的模式等方面进行讨论、分析，并针对几个案例运用模拟的手段分析该种定义方式在研究人行为对能耗影响方面的可行性和有效性。关键字人行为建筑能耗标准定义平台模拟1.前言：建筑能耗已引起全球的关注，国内外研究表明，建筑节能是由工程技术、文化理念、生活方式、社会公平等多方面问题综合影响的系统工程[1]。在这些因素中，生活方式和人的行为对建筑能耗的影响占有极其重要的地位。然而目前建筑节能领域的焦点更注重于技术和设备的堆砌[2~4]。但大量的事实已经说明单纯采用大集中、高效率、高技术（自动控制）和加入可再生能源的途径是无法有效达到节能减排的目的，甚至会适得其反。因此，寻找一条科学的、可持续发展的建筑节能路线，是当前至关重要的工作[5]。反观发达国家，他们的技术水平处于世界领先的水平，但其建筑能耗却数倍于我国，其重要原因之一就是人行为模式不同。比如，美国的公共建筑全年昼夜开灯、不关空调，其生活方式导致其建筑能耗是我国的6倍。日本居民现在普遍采用24小时不间断的电加热马桶坐圈，导致家庭用电量很大，户均总能耗是我国的3倍以上[6]。大量的研究和理论分析表明，建筑中人行为的作用，是影响建筑能耗的重要方面。这些事实启发我们，或许对于人行为方式的关注可能引导出一条崭新的节能道路。人行为对建筑能耗的影响主要体现在各种不同设备（包括建筑本身的门、窗等）的使用模式上[7]。图1显示了清华大学2007年对北京某单位的中等收入职工的住宅楼各户夏季分体空调总电耗的测量结果，对空调器不同的运行时间和运行方式造成了图示的巨大的能耗差别。另外，有研究表明多个城市不同室温下采用不同的采暖系统控制方式的采暖电耗，将会存在显著差异。采用部分时间、部分空间的使用方式的能耗远小于全时间、全空间使用方式[9]。同样，在办公建筑中温度设定值、新风量和运行时间这些受使用者，管理人员影响的因素，也对建筑能耗产生巨大的影响。以北京地区的办公建筑为例，随着空调设定温度的提高，各类型办公建筑的全年累计冷负荷都大幅降低[10]。012345678910111213141512345678910111213141516171819202122232425空调电耗：kW·h/m2测试用户编号平均2.3kWh/m2图1实测北京某住宅楼各户夏季单位建筑面积空调电耗[8]同时，值得注意的是，不同的建筑方案和设备系统形式也在同时潜移默化或强迫引导、约束和影响着使用者的行为模式和用能水平。例如，目前有一些所谓节能的高档建筑出现，建筑具有密闭保温的特点，但窗的可开启面积极小，居住者即使在过渡季也使用空调，同时用烘干机来干衣，导致家庭用能大幅度上升。同样的问题还出现在大面积玻璃幕墙办公楼等试点项目上[11]。由此可见，建筑和系统形式是建筑能耗差异的主要影响因素。不良的建筑和系统设计会迫使居住者采用不可持续的、不健康的生活模式，同样也造成能源的巨大浪费。综上所述：人的行为对建筑能耗具有显著的影响。然而目前，对于人行为和能耗之间的关系并没有十分清晰明确的认识。因此如何定量化刻画人行为如何作用于建筑，进而如何对建筑能耗产生影响就显得格外重要。此外，模拟是认识客观世界的重要手段，建筑模拟已成为认识实际建筑性能和消耗的最为科学可行的途径。因此本文考虑以模拟工具为手段，通过科学的方法定量刻画人的行为，建立行为模型，将建筑模拟与实际工程结合起来，形成新的模拟分析方法，一方面使得模拟真正意义上反映客观现实，进而揭示能耗规律，探索建筑节能技术路线；另一方面，通过标准人行为定义平台，使得研究者可以共同开展对人行为的认识和研究，深入对人行为的认识和了解。2.研究思路：人行为的产生及其对建筑的影响可以用如下的逻辑图表示。人行为直接作用于建筑物及建筑物中的设备，从而对建筑的运行产生影响。这种影响最终体现在建筑环境（温湿度等）、建筑运行费用以及建筑能耗上。同时建筑环境、费用、能耗又反过来将从生理感觉、心理、经济承受等方面对人们施加影响。另外，由外界影响而产生的人们对舒适性、经济、文化的要求和来自生理、心理、经济上的影响将会综合作用，并最终指导、产生人的行为。舒适性经济文化外界影响形成人的行为环境费用能耗生理心理（感觉，需要）经济建筑设备图2人行为对建筑作用逻辑图从该环状图中我们可以发现，人行为对建筑能耗的影响是一个受多种因素作用的复杂过程，它与社会科学、建筑技术等学科均有联系。从我们专业来讲，我们研究的目标是人行为如何作用于建筑设备，进而建筑设备的不同状态将导致怎么样的建筑能源（如款图所示）。因此我们需要进一步明确的是人的行为作用于哪些设备以及如何产生作用，这些设备中哪些是我们需要关注和研究的。因此第一步工作是明确研究对象，并力求探索出一种客观切实的描述方式来刻画研究对象。另外，从建筑模拟的角度研究该问题，在明确研究对象的基础上，应将该种描述方式与模拟输入相结合，从模拟出发探索该描述方式在研究人行为对能耗影响方面的可行性与有效性。3.人行为标准定义：在探索人行为对建筑能耗的影响方面，现有的大量研究采用直接研究人行为是如何作用于建筑能耗的，其数据调研也仅针对人行为类型及建筑能耗。但从上面的框图我们可以看到，这种研究方式实际上跳过了建筑设备这个环节，这就导致该种研究方式如同一个黑箱模型，没有办法直接且有效地抓住其中的规律与本质。基于数据调研及对该问题的认识，我们提出了以下的描述方式：3.1定义方式人行为是通过对室内的设备作用进而影响建筑能耗，因此，针对人行为的研究就可以转化为针对这些被人行为驱动进而影响建筑能耗的设备的研究。我们将此类设备归为研究对象，并进一步明确研究对象的概念：房间里由人行为作用并会对建筑能耗产生影响的建筑设备，包括可以调节的建筑结构部分（如窗户、窗帘、遮阳），灯光和室内的设备等。同时，研究对象对能耗的影响是通过其状态实现的，而不同研究对象的状态具有不同的变化规律。因此，我们有必要对这些研究对象的变化规律进行描述：建筑中研究对象受人行为作用，状态发生不同类型的变化，其变化的规律称之为运行模式。运行模式多种多样，考虑到认识的深入以及之后编程的需要，我们又将运行模式进行进一步的分类：开环模式（Open-loop）(Command)研究对象状态的变化不受其产生的结果反馈的影响，通常依据确定的时间表，或者有固定的周期和频率。闭环模式（Closed-loop）(Control)研究对象状态的变化受到其产生结果反馈的影响，将希望值与变化产生的结果进行比较，并根据之间的误差调整状态。通常有相应的希望值和反馈逻辑。随机模式（Random）研究对象状态变化无确定规律，随机进行。该种定义方式在研究人行为方面有如下几个优势：1、明确提出人行为的本质为操控与建筑能耗有关的对象，这样就避免了原有研究的“黑箱”特性，改为直接研究对象与能耗的关系。2、研究过程更为明确和简化。对象研究使得整个研究过程有了更为清晰明确的入手点，可以把人行为拆分为许多小课题，使整个研究方向更为明确。3、由于人行为研究转为对象研究，而每个对象的填入与补充都是在不断完善人行为的定义，这就有利于形成一个共享平台，便于人行为研究的不断扩充和完善。4、将对象研究分为对象分类和对象模式定义，这样使得对象研究的内容更加明确，也使得整体逻辑更加明晰。5、对象研究使得问题简化，有利于形成良好的模拟输入，与建筑模拟软件结合。3.2标准定义文档按照上述的定义方式，针对调研数据进行提炼和整合，本文提出了建筑中人行为的标准定义文档。该定义文档适用于居民住宅建筑。标准定义文档分为信息统计、运行模式及附录三大块，其中信息统计又分为住户信息和服务能源系统信息两个部分，目的在于详细地记录下建筑的整体概况。在运行模式这个部分，文档分住户按各房间为顺序详细列出各房间内包含的对象，并对各个对象的运行模式进行了描述，从而对人行为进行描述。附录中针对信息统计及运行模式中一些常有类型进行归纳罗列，供填写者参考。该标准定义文档展示了这种研究人行为方式的可行性，并通过文档的填写体现了该研究方式的有效性。4.案例分析下面通过一个例子体现该种定义方式的可行性以及作为建筑模拟的可操作性。该户居民位于北京京北居民小区3#楼101室，居住面积为，建筑平面图如下，该户为左侧住户：图3建筑平面图表1住户信息表住户编号户型建筑面积㎡人数房间编号及功能1-1户型19631-N-1主卧室；1-N-2起居室；1-N-3次卧室；1-N-4厨房以起居室的窗户行为为对象说明对象分类及模式定义情况：表2房间对象及运行模式定义住户编号(2-1)+起居室编号对象类型用能种类运行模式备注2.1．1人员儿童—人员模式1.22.1．2人员成人—人员模式1.12.1．3人员成人—人员模式1.12.2．N窗户平开窗—窗户模式1.12.3．N窗帘落地窗帘—窗帘模式1.12.5．1空调房间空调器电空调模式ACOP2.6．1灯具节能灯电灯具模式3.1功率2.7．1电视液晶电视电电器模式2.2功率窗户模式类型：表3窗户模式汇总表2.窗户模式编号运行模式子模式描述参数类型备注2.1窗户模式1：时间模式1.单时间段例如：1）9：00~17：00开窗，通风换气或2）19：00~次日8：00开窗，通风换气01024681012141618202224时间(hour)1.1.3.Nighttimeopen01024681012141618202224时间(hour)1.1.1.DaytimeopenOpen-loop2.双时间段17：00~次日8：00、11：30~1：30开窗，通风换气Open-loop3.三时间段例如：Open-时间段一：时间段二：时间段三：开窗，通风换气loop4.……2.2窗户模式2：温度模式1.开窗降温模型例如：当温度高于25℃开窗，低于22℃关窗。Closed-loop2.开窗升温模型例如：当温度低于22℃开窗，当温度高于30℃关窗。Closed-loop2.3窗户模式3：空气品质模型1.根据室内二氧化碳浓度情况判定是否开窗例如：当室内二氧化碳浓度3000ppm的时候开窗。aClosed-loop2.4窗户模式4：偶然事件模型1.一天中会发生相对固定次数的但具体时间不定的开窗行为例如：当吸烟之后开窗。open-loop2.5窗户模式5：随机模型1.开窗的次数及时间不确定例如：打开窗看窗外的风景等Open-loop…根据该种定义方式利用DeST软件进行模拟，修改空调的运行模式，研究空调行为对建筑能耗的影响。人们操控空调的这种行为主要是通过作用于运行时间和控制温度这两种方面来实现的，因此我们希望分运行时间和控制温度两个部分，采用建筑模拟的方式来分析人们对空调的不同行为对建筑能耗将产生怎么样的影响。首先，我们来看看运行时间的影响。空调运行时间受到气候、使用者的习惯、职业和经济条件等原因有关，我们选择了几种典型的工况作为案例分析。第一种工况是夏季空调一直处于运行中，例如在家工作一族就可能存在这种情况。第二种工况是下班就打开空调，到第二天上班时才关空调，这种情况出现在许多上班族家庭中。第三种工况是有人在房间里才开空调，屋内无人时，空调关闭。第四种哥那个看是睡前关闭空调。第五种工况是仅在7月份开空调，第八种工况十载7、8月份开空调。我们认为这几个案例虽然没有罗列所有可能的情况，但他们代表了比较具有普遍和典型性的几种情况。另外这6种工况中空调的设定温度均为26℃，当温度高于29℃时才开空调。表4运行时间模式编号说明设定温度开机温度1全夏季26292下班开(18：00~8：00)26293有人开空调26294睡前关262957月份开空调2629678月份开空调2629模拟结果如图，可以看到不同工况下空调电耗差别比较明显，其中电耗最小的工况是仅7月份开空调，空调电耗为3.4kWh/㎡，而当夏季空调均在运行中的情况下，电耗最高，为