嚴(yán)寒地區(qū)過渡季辦公建筑開窗行為研究

樸詠玫，王春青*，潘 嵩，崔 桐，趙慕君，齊 潔

1吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118 2綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù) 北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124 3長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710061

研究已表明近乎相同的建筑之間所產(chǎn)生的能耗存在巨大差異[1]，而建筑室內(nèi)人行為所導(dǎo)致的能源浪費(fèi)是造成這一差異的主要原因.開窗行為是一種典型的人行為,人們基于對室內(nèi)熱舒適環(huán)境的需求會(huì)通過控制窗口狀態(tài)達(dá)到自身舒適.相較于其他類型建筑,辦公建筑數(shù)量多且人員集中,能源消耗巨大.因此,本文通過對辦公建筑人員開窗行為的研究,正確引導(dǎo)辦公室內(nèi)人員開窗.

國外對辦公建筑的研究起步于1984年,Warren and Parkins[2]持續(xù)監(jiān)測了3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)辦公建筑人員開窗行為的主要受室外溫度,太陽輻射度和室外風(fēng)速的影響.6年后,在Fritsch等[3]人發(fā)表的文章中表明室外溫度與開窗行為關(guān)聯(lián)度最高.隨后,Nicol and Humphreys[4]研究結(jié)果再次表明室外溫度與開窗行為高度關(guān)聯(lián).Herkel等[5]人在德國對南向的不同類型窗戶的21間辦公房間做了為期12個(gè)月的測試,發(fā)現(xiàn)開窗行為與窗戶類型有一定關(guān)系.研究中發(fā)現(xiàn)大窗口的打開頻率遠(yuǎn)高于小窗口,如果窗戶被打開,窗戶的狀態(tài)就會(huì)保持很長一段時(shí)間.

國內(nèi)起步雖晚,但由于地理和氣候條件的多樣性將地域劃分為五大氣候區(qū).寒冷地區(qū)學(xué)者Song Pan等[6]人對北京某辦公建筑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)在不同季節(jié)影響開窗行為因素之間存在差異.在夏熱冬暖地區(qū)，張劍[7]的研究結(jié)果表明樓層和窗戶朝向?qū)k公建筑人員開窗行為存在顯著影響.Nan Li等[8]人在夏熱冬冷地區(qū)重慶某辦公建筑經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)室外溫度成為影響過渡季開窗的主要因素.本次研究填補(bǔ)了嚴(yán)寒地區(qū)典型城市辦公建筑的空白,筆者通過對嚴(yán)寒地區(qū)某辦公建筑展開為期3個(gè)月的實(shí)時(shí)監(jiān)測,并結(jié)合二元邏輯回歸理論對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行研究分析,為提高室內(nèi)熱舒適提供正確引導(dǎo).

1 測試方法

1.1 建筑概況

本文選取長春市一棟南北朝向的5層辦公樓作為測試對象,周圍無建筑物遮擋,實(shí)測建筑的外觀如圖1所示.選取3間樓層和室內(nèi)人數(shù)不同、面積和辦公性質(zhì)相同的房間作為研究對象,詳見表1.該建筑無空調(diào)系統(tǒng),完全依靠自然通風(fēng)進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié).

圖1 實(shí)測建筑外觀

表1 實(shí)測房間信息

1.2 測試儀器

用于室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集的設(shè)備包括天建華儀溫濕度自記儀(溫度、相對濕度)、FA-Q 5空氣質(zhì)量監(jiān)測儀(PM 2.5 濃度、CO2濃度)小米門窗位移傳感器、米家多功能網(wǎng)關(guān);室外環(huán)境參數(shù)由長春市氣象局監(jiān)控測點(diǎn)提供.儀器安裝情況見圖2.

測試期間,將溫濕度自記儀置及空氣質(zhì)量監(jiān)測儀放置在干燥通風(fēng)且無陽光直射的位置,每隔10 min記錄一次室內(nèi)環(huán)境情況.將小米門窗傳感器安裝在窗框處,通過感應(yīng)附件磁鐵判斷窗戶開關(guān)狀態(tài),隨后通過已與無線網(wǎng)連接的米家多功能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳,實(shí)時(shí)記錄狀態(tài)變化情況.每周通過與測試儀器匹配的軟件將監(jiān)測的數(shù)據(jù)導(dǎo)出,設(shè)備參數(shù)見表 2.

(a)門窗傳感器

(b)多功能網(wǎng)關(guān)

(c)溫濕度自記儀

(d)FA-Q5空氣質(zhì)量監(jiān)測儀

表2 設(shè)備參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 非環(huán)境參數(shù)與開關(guān)窗行為

由于辦公建筑的特殊性即白天人員活動(dòng)規(guī)律,夜間無人員在室,故將全天監(jiān)測時(shí)間7∶00～19∶00按照辦公人員活動(dòng)特征劃分為“到達(dá)(7∶00～9∶00)”、“上午工作(9∶00～12∶00)”、“午休(12∶00～14∶00)”、“下午工作(14∶00～17∶00)”和“離開(17∶00～19∶00)”等5個(gè)時(shí)段,結(jié)果如表3所示.

表3 所有房間不同時(shí)段開關(guān)窗概率

經(jīng)整理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后,發(fā)現(xiàn)該辦公樓在監(jiān)測期間開窗時(shí)長(769 h)低于關(guān)窗時(shí)長(2 188 h),占總時(shí)長(2 957 h)的比例分別為26 %，74 %.結(jié)合表3分析,所有房間在一天中不同時(shí)段開關(guān)窗概率分布有巨大差別,整體來看所有房間在7∶00～12∶00期間開窗概呈上升趨勢,而在14∶00～19∶00期間關(guān)窗概率顯著上升,即辦公人員習(xí)慣于上午時(shí)段開窗,而在下午工作直至結(jié)束離開普遍習(xí)慣關(guān)窗導(dǎo)致開窗率降低.

此外,對辦公建筑室內(nèi)人員對窗口控制在不同時(shí)段上的偏好統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖3所示.

(a)開窗頻率

(b)關(guān)窗頻率

由圖3看出,“上午工作”時(shí)開窗頻率最高為 32.1 %,最低的時(shí)段為“離開”即 10.7 %.該結(jié)果表明，辦公建筑人員并不完全是在剛抵達(dá)辦公區(qū)域后就會(huì)習(xí)慣性進(jìn)行開窗通風(fēng),而是由于在室期間對室內(nèi)環(huán)境感到不適后選擇在“上午工作”期間主動(dòng)采取開窗行為改善室內(nèi)熱舒適環(huán)境提高空氣品質(zhì);所有房間在“下午工作”時(shí)關(guān)窗概率頻率最高為25.9 %,而“午休”時(shí)最低為15.4 %,分析發(fā)現(xiàn)大部分辦公人員選擇午休時(shí)保持窗口開啟以進(jìn)行通風(fēng)換氣.經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)“下午工作”、“離開”這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)關(guān)窗頻率顯著高于開窗頻率,由此可看出,在該辦公建筑中的人員并不是在窗戶開啟后會(huì)持續(xù)到下班離開才關(guān)閉,而是根據(jù)室內(nèi)熱環(huán)境舒適度及室外氣象條件等綜合原因進(jìn)行關(guān)窗.此外,由于嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特征辦公建筑人員很少采用夜間通風(fēng).

2.2 環(huán)境參數(shù)與開窗行為

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理將環(huán)境參數(shù)與窗戶狀態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理,將滿足方差分析條件的參數(shù)進(jìn)行整合.室內(nèi)二氧化碳濃度及室外風(fēng)速不滿足,因此剔除.以顯著性小于0.05作為判別標(biāo)準(zhǔn)篩選出與開窗行為相關(guān)的變量,結(jié)果如表4所示.表4顯示所有環(huán)境參數(shù)顯著性均小于 0.05,即均對開窗行為有顯著性影響.

表4 方差分析結(jié)果

續(xù)表4

室內(nèi)外溫度與開窗行為相關(guān)性分析結(jié)果如表5所示,整體上開窗概率在一定溫度范圍內(nèi)隨室內(nèi)外溫度的上升而增加.開窗概率隨著室內(nèi)溫度的上升呈單調(diào)遞增,當(dāng)室內(nèi)溫度處于 27 ℃～28 ℃區(qū)間內(nèi)開窗概率達(dá)到最高值為38.9 %.隨著室外溫度的增加開窗概率呈現(xiàn)出先降低后上升的趨勢,在室外溫度大于17 ℃時(shí)開窗概率普遍偏高.由此可知，在過渡季室內(nèi)外溫度過高時(shí)人們傾向于開窗避免溫度上升引起不適.

表5 開窗概率與室內(nèi)外溫度之間的關(guān)系

室內(nèi)外相對濕度與開窗行為相關(guān)性分析結(jié)果如表6所示,室內(nèi)相對濕度與開窗概率趨勢為先小幅下降隨后逐步上升,當(dāng)大于55 %時(shí)達(dá)到最大開窗概率49 %.而室外相對濕度與開窗概率呈先上升后下降的趨勢,當(dāng)室外相對濕度在41 %～54 %之間開窗可能性最大.

表6 開窗概率與室內(nèi)外相對濕度之間的關(guān)系

室內(nèi)外PM 2.5濃度與開窗行為相關(guān)性分析結(jié)果如表7所示,開窗行為與室外PM 2.5濃度呈負(fù)相關(guān),當(dāng)室外PM 2.5濃度偏高時(shí)為避免引入室外的污染源人們普遍選擇關(guān)窗.當(dāng)室內(nèi)PM 2.5濃度大于 23 μg/m3時(shí)開窗概率也較高,說明人們對于室內(nèi)PM 2.5濃度升高所帶來的污染并不敏感.

表7 開窗概率與室內(nèi)外PM 2.5濃度之間的關(guān)系

風(fēng)向與開窗行為相關(guān)性分析結(jié)果如表8所示,根據(jù)氣象學(xué)將風(fēng)向劃分為如表8所示的16方位,觀察其與開窗概率之間分布呈明顯趨勢,風(fēng)向處于北及偏北時(shí)開窗概率均較高,且處于北時(shí)達(dá)到最高45.3 %.監(jiān)測點(diǎn)均設(shè)在北側(cè)辦公室,由此可知,嚴(yán)寒地區(qū)常見的北及偏北風(fēng)雖易引起體感不適,但人們?nèi)越?jīng)常開窗通風(fēng),通風(fēng)換氣意識(shí)良好.

表8 開窗概率與風(fēng)向之間的關(guān)系

太陽輻照度與開窗行為相關(guān)性分析結(jié)果見表9,太陽輻照度小于610 W/m2開窗概率無明顯波動(dòng),但當(dāng)其大于610 W/m2時(shí)發(fā)生明顯升高.該結(jié)果表明,太陽輻照度達(dá)到一定數(shù)值后,才會(huì)引起人體熱舒適變化.

表9 開窗概率與太陽輻照度之間的關(guān)系

2.3 回歸分析

運(yùn)用二元邏輯(Logistic)回歸模型對開窗行為及其影響因素進(jìn)行回歸分析,其中窗戶狀態(tài)是結(jié)果為0和1的二分類因變量,將與開窗行為有顯著性相關(guān)的環(huán)境參數(shù)作為自變量,標(biāo)準(zhǔn)化后的二元邏輯回歸的結(jié)果如表10所示.

表10中顯著性P值為該回歸模型的統(tǒng)計(jì)概率,顯著性水平取0.05,當(dāng)顯著性P值小于0.05,表示該參數(shù)對回歸模型有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.由表10可知,所有自變量的顯著性P值均小于0.05,表明所選入的自變量均對模型有意義.

表10中回歸系數(shù)B的大小反映自變量對因變量影響程度的高低.B>0表示自變量對開窗行為(因變量)有正相關(guān)影響即自變量對開窗行為的發(fā)生有推動(dòng)作用；B=0表示自變量對開窗行為(因變量)無相關(guān)影響即自變量對開窗行為的發(fā)生無作用；B<0表示自變量對開窗行為(因變量)有負(fù)相關(guān)影響即自變量對開窗行為的發(fā)生有阻止作用.因此,由表10可知,所有室內(nèi)環(huán)境參數(shù)(包括室內(nèi)溫濕度、室內(nèi)PM 2.5濃度)與室外相對濕度、太陽輻照度對開窗行為有正相關(guān)影響,而室外溫度、室外PM 2.5濃度和風(fēng)向則對開窗行為有負(fù)相關(guān)影響,其中對開窗行為影響最大的是室內(nèi)溫度,其次是太陽輻照度,而室內(nèi)PM 2.5濃度、室內(nèi)相對濕度對開窗行為的影響相對較小.

表10中EXP(B)即eB表示相對優(yōu)勢比即自變量增加1個(gè)單位后的優(yōu)勢比與增加前的優(yōu)勢比之比,反映自變量增加1個(gè)單位對因變量的影響程度,其值越大影響越大.這里的優(yōu)勢比表示開窗行為發(fā)生概率與其不發(fā)生概率之比.

表10 標(biāo)準(zhǔn)二元邏輯回歸結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用實(shí)時(shí)監(jiān)測和理論分析相結(jié)合的方法,分析嚴(yán)寒地區(qū)典型城市-長春市辦公建筑過渡季人員在不同時(shí)段開關(guān)窗偏好及室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)對開窗行為的影響.經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,測試期間辦公建筑開窗時(shí)數(shù)(769 h)遠(yuǎn)低于關(guān)窗時(shí)數(shù)(2 188 h),而關(guān)窗頻率最大值(25.2 %)低于開窗頻率最大值(40.6 %),該結(jié)果反映出辦公建筑分時(shí)段研究的必要性.研究結(jié)果表明,辦公人員習(xí)慣于“上午工作”時(shí)段開窗,關(guān)窗行為集中于“下午工作”時(shí)段,說明窗口并非持續(xù)開啟至“離開”,該現(xiàn)象與他人研究結(jié)果略有不同.此外,邏輯回歸分析結(jié)果顯示,對開窗行為影響最大的是室內(nèi)溫度,其次為太陽輻照度,而室內(nèi)PM 2.5濃度與室內(nèi)相對濕度對開窗行為的發(fā)生影響不大.本文研究結(jié)論將正確引導(dǎo)嚴(yán)寒地區(qū)開窗行為,為自身熱舒適調(diào)節(jié)提供參考依據(jù).