辦公建筑空調(diào)隨機(jī)使用行為模擬方法及案例應(yīng)用

陳淑琴，鄔佳婧，葛堅(jiān)，劉詩韻

（浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州，310058）

建筑室內(nèi)人員行為是影響建筑能耗的重要因素之一，不同的用能行為所產(chǎn)生的建筑運(yùn)行能耗不同.建筑能耗模擬軟件在學(xué)術(shù)及工程領(lǐng)域的應(yīng)用都十分廣泛，用以預(yù)測建筑能耗及評價(jià)建筑節(jié)能技術(shù)措施.然而模擬中通常使用的固定作息模式難以準(zhǔn)確反映出實(shí)際用能行為對于建筑運(yùn)行能耗的影響，并常常與實(shí)測結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差，從而導(dǎo)致某些技術(shù)措施實(shí)際應(yīng)用的節(jié)能效果在建筑能耗模擬軟件的應(yīng)用下得不到正確評估[1].可見用能行為設(shè)置的合理性限制了建筑能耗模擬的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步影響基于模擬結(jié)果的節(jié)能優(yōu)化策略的評估和決策.為了合理描述用能行為，國內(nèi)外學(xué)者展開了廣泛的研究.循證設(shè)計(jì)是起源于西方醫(yī)療建筑設(shè)計(jì)的、以建筑運(yùn)行過程中的實(shí)證研究為基礎(chǔ)反饋于建筑設(shè)計(jì)的理論，既有建筑室內(nèi)人員的實(shí)際用能行為特征是描述使用者用能行為的依據(jù)，將其反饋到建筑方案設(shè)計(jì)階段，對指導(dǎo)建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義.

空調(diào)使用是夏熱冬冷氣候區(qū)建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境的主要控制手段，空調(diào)能耗是建筑運(yùn)行能耗的重要組成部分，大量研究表明空調(diào)使用行為的隨機(jī)性和差異性對建筑空調(diào)能耗水平具有顯著的影響[2-4].針對建筑室內(nèi)空調(diào)隨機(jī)使用行為的描述，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并建立了多種模型以揭示空調(diào)隨機(jī)使用行為的運(yùn)行規(guī)則[5].其中，閾值模型[6]、統(tǒng)計(jì)性模型[7]和隨機(jī)模型[8]著重討論了空調(diào)使用行為的環(huán)境相關(guān)性，局限于空調(diào)使用行為對單個(gè)環(huán)境影響因素的反映，不關(guān)注行為與事件和時(shí)間的相關(guān)性；隱馬爾科夫模型（HMM）則描述了在室行為的時(shí)間關(guān)聯(lián)性[9-10].條件觸發(fā)模型[11-12]討論了行為與環(huán)境、事件、時(shí)間等多個(gè)因素的相關(guān)性，關(guān)注人員移動行為、人員用能行為以及室內(nèi)環(huán)境等多方面的參數(shù)，由于觸發(fā)條件復(fù)雜，該模型的建立對數(shù)據(jù)獲取的數(shù)量以及質(zhì)量都有較高要求，更適用于功能布局豐富、人員空間移動頻繁、設(shè)備種類多樣且行為觸發(fā)條件復(fù)雜的住宅建筑.

本文所關(guān)注的辦公建筑相對于住宅建筑而言，具有功能構(gòu)成單純、人員主要移動空間局限以及人員用能行為單一的特征，條件觸發(fā)模型用于描述辦公建筑的空調(diào)使用行為時(shí)其實(shí)用價(jià)值有限.因此，本文通過降低數(shù)據(jù)獲取的難度來擴(kuò)大樣本量，旨在建立一套簡單可行的空調(diào)使用行為定量化模擬方法，為辦公建筑能耗的準(zhǔn)確模擬提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而有利于基于建筑運(yùn)行的實(shí)際特征探究合理有效的建筑性能優(yōu)化策略.

1 研究方法

本文基于對辦公建筑室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)以及空調(diào)使用行為的長期實(shí)測，通過對逐日空調(diào)開啟情況以及空調(diào)開啟時(shí)長的統(tǒng)計(jì)分析，劃分供冷、供熱工況下不同的空調(diào)使用特征階段，同一階段具有相似的空調(diào)使用行為特征以及室內(nèi)外環(huán)境特征.根據(jù)辦公建筑空調(diào)運(yùn)行時(shí)間的分布特征，將空調(diào)使用行為分類為若干種典型的空調(diào)運(yùn)行模式.對不同類型辦公室，利用聚類分析法，進(jìn)一步提煉出各個(gè)空調(diào)使用特征階段每一空調(diào)運(yùn)行模式下的典型空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表及其發(fā)生概率，從而將空調(diào)隨機(jī)使用行為特征進(jìn)行量化描述.在此基礎(chǔ)上，使用蒙特卡洛方法，針對不同功能的辦公室，生成全年空調(diào)隨機(jī)運(yùn)行序列.

本文以夏熱冬冷氣候區(qū)某一典型高?？蒲修k公建筑作為研究案例，通過劃分空調(diào)使用特征階段、分析空調(diào)使用特征、定量化描述空調(diào)使用行為，最終生成全年空調(diào)隨機(jī)運(yùn)行序列，并以空調(diào)使用時(shí)長作為校核參數(shù)，將模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證本文提出的空調(diào)隨機(jī)使用行為定量化描述方法的合理性.

1.1 空調(diào)使用特征階段的劃分方法

基于文獻(xiàn)調(diào)研及案例建筑實(shí)測結(jié)果，室外氣候環(huán)境對于空調(diào)使用行為具有顯著影響.隨著全年室外氣候的季節(jié)性變化，空調(diào)使用行為具有顯著的階段性特征，不同階段空調(diào)運(yùn)行模式也存在差異，這些差異在宏觀上主要表現(xiàn)為日空調(diào)開啟概率及日平均空調(diào)開啟時(shí)長的差別.基于這兩項(xiàng)參數(shù)，本文對空調(diào)使用特征階段進(jìn)行劃分，對具有相似室外氣候特征及空調(diào)使用行為特征的時(shí)期進(jìn)行統(tǒng)一研究，避免部分月份氣候變化劇烈及樣本數(shù)量有限對統(tǒng)計(jì)特征的準(zhǔn)確性產(chǎn)生的不利影響.

為方便研究，每個(gè)月被分為上、中、下旬3 個(gè)階段.分別使用式（1）和（2）算出各階段所有樣本房間的日空調(diào)開啟概率及日平均空調(diào)開啟時(shí)長.

式中：m=1，2，…，12，表示月份；i=1，2，3，表示上、中、下旬；Pm，i為m 月份i 階段，日空調(diào)開啟的概率；Nm，i為m 月份i 階段，空調(diào)狀態(tài)的實(shí)測日數(shù)；nm，i為m月份i 階段，空調(diào)開啟的實(shí)測日數(shù).

式中：m、i、Nm，i意義同上；Lm，i為m 月份i 階段，日平均空調(diào)開啟時(shí)長；lm，i，k為m 月份i 階段第k 日，空調(diào)開啟時(shí)長.

通過比較分析樣本房間日空調(diào)開啟概率及日平均空調(diào)開啟時(shí)長隨全年室外平均氣溫變化的情況，對空調(diào)使用特征進(jìn)行階段性劃分，使得每個(gè)特征階段具有相似的室外氣候以及空調(diào)使用行為特征.

1.2 空調(diào)運(yùn)行模式的定量化描述方法

本文以每個(gè)樣本房間在每個(gè)實(shí)測日的逐時(shí)空調(diào)開啟時(shí)長分布Ti作為一個(gè)數(shù)據(jù)樣本：Ti={li，1，li，2，…，li，t，…，li，24}，li，t為第i 天的第t 個(gè)小時(shí)的空調(diào)開啟小時(shí)數(shù).

為了對空調(diào)使用行為的特征進(jìn)行分類研究，本文使用數(shù)據(jù)分析軟件IBM SPSS Statistics 19.0 作為執(zhí)行平臺，分別將供冷、供熱工況下的空調(diào)1 d 內(nèi)逐時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)測數(shù)據(jù)樣本Ti批量輸入到軟件中，對所有Ti的24 個(gè)變量進(jìn)行k-means 聚類，通過聚類分析將兩種工況下的日空調(diào)使用行為概括為若干種典型空調(diào)運(yùn)行模式，每種模式下的數(shù)據(jù)樣本都具有相似的空調(diào)運(yùn)行時(shí)間分布特征.

根據(jù)各功能類型房間在不同特征階段的空調(diào)運(yùn)行模式分布，再度使用k-means 聚類分析法提煉出不同特征階段各個(gè)模式下的若干種典型空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表（Schedule）及其發(fā)生概率，作為定量化描述空調(diào)使用行為的基礎(chǔ)單元.

最終聚類分析結(jié)果應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定、收斂且不再隨迭代次數(shù)的增加發(fā)生變化.迭代次數(shù)在100 次以內(nèi)足以達(dá)到收斂，因此本文將最大迭代次數(shù)設(shè)定為100，結(jié)果表明可以取得較好的聚類效果.根據(jù)數(shù)據(jù)集包含數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量及數(shù)據(jù)集可壓縮性來確定簇?cái)?shù)k，使k 的取值滿足如下條件：k 個(gè)分類相互之間具有顯著的差異性；簇?cái)?shù)為k+1 時(shí)，存在2 個(gè)分類具有重合的特征.

但與國內(nèi)外水運(yùn)先進(jìn)地區(qū)相比，廣西在現(xiàn)代航運(yùn)服務(wù)業(yè)發(fā)展方面仍然存在不足，直接影響到廣西區(qū)域經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定、健康發(fā)展，引起了社會各界的廣泛關(guān)注。主要表現(xiàn)為：航運(yùn)服務(wù)產(chǎn)業(yè)集中度不高，功能區(qū)域劃分不明確；航運(yùn)服務(wù)水平較低，功能不完善；船員服務(wù)不夠規(guī)范，航運(yùn)人才資源匱乏；航運(yùn)服務(wù)產(chǎn)業(yè)整體功能不強(qiáng)，船用品市場不夠規(guī)范；航運(yùn)金融體系發(fā)展滯后，航運(yùn)金融產(chǎn)品創(chuàng)新不足。

1.3 空調(diào)隨機(jī)運(yùn)行序列的生成方法

統(tǒng)計(jì)實(shí)測數(shù)據(jù)樣本Ti={li，1，li，2，…，li，t，…，li，24}，若數(shù)據(jù)樣本中所有的li，t都為0，則表示該日不使用空調(diào)，否則該日為空調(diào)開啟日.使用式（3）計(jì)算不同功能類型房間在各個(gè)特征階段的日空調(diào)開啟概率.

式中：Pj為j 特征階段，日空調(diào)開啟的概率；Nj為j 特征階段，空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)測日數(shù)；nj為j 特征階段，實(shí)測日中空調(diào)開啟的日數(shù).

基于階段性日空調(diào)開啟概率，以及各階段的典型空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表（Schedule）及其發(fā)生概率，使用蒙特卡洛方法，根據(jù)如下步驟對全年的空調(diào)使用行為進(jìn)行逐日決策：

1）設(shè)定參數(shù)D 表示一年中的第D 日，初始值設(shè)定為1，對應(yīng)日期1 月1 日，以此類推，D=365 時(shí)對應(yīng)日期12 月31 日.

2）判斷第D 日所處的空調(diào)使用特征階段，載入該階段對應(yīng)的日空調(diào)開啟概率Pj，生成隨機(jī)數(shù)R1∈[0，1]：若R1＞Pj，則第D 日空調(diào)不使用，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表輸出為全天關(guān)閉，并執(zhí)行下一日的決策流程，即D=D+1，執(zhí)行步驟4）；否則第D 日為空調(diào)開啟日，執(zhí)行步驟3）.

3）讀取該特征階段所有空調(diào)運(yùn)行模式下的n 個(gè)典型全天空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表，每個(gè)典型時(shí)間表所對應(yīng)的發(fā)生概率為P1，P2，…，Pn，且；根據(jù)圖1 所示的執(zhí)行過程生成隨機(jī)數(shù)R2∈（0，1]，根據(jù)R2的落點(diǎn)所處的分布區(qū)間，決策出第D 日的空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表并輸出，進(jìn)入下一日的決策流程，即D=D+1，執(zhí)行步驟4）.

圖1 蒙特卡洛方法決策空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表的執(zhí)行過程Fig.1 The generation of running schedule of air conditioner decided by Monte Carlo method

4）判斷D 是否滿足D ＞365：若滿足則序列生成執(zhí)行完畢，否則回到步驟2）.

1.4 案例數(shù)據(jù)獲取方法

本文選取杭州市某一典型高校科研辦公建筑作為研究案例，該建筑建于1982 年，為4 層磚混結(jié)構(gòu)單一板式建筑，建筑面積3 012.16 m2.與當(dāng)?shù)乇姸嘟ㄖ粯?，室?nèi)人員主要根據(jù)自身需求，通過主動控制分體式空調(diào)來營造各個(gè)房間的室內(nèi)熱濕環(huán)境.

該建筑共有80 個(gè)房間，主要包括教師、學(xué)生辦公室兩種類型的房間.根據(jù)功能形式、面積大小、人員密度、使用頻率等，選取2 個(gè)典型教師辦公室和5個(gè)典型學(xué)生辦公室，同類型房間具有相近的人員密度：學(xué)生辦公室約為5～6 m2/person，教師辦公室的人均面積則約為學(xué)生辦公室的3～4 倍.布置測點(diǎn)并長期放置溫濕度自記儀監(jiān)測室內(nèi)熱濕環(huán)境，安裝智能電量測量儀記錄實(shí)時(shí)空調(diào)功率及能耗.實(shí)測旨在完整記錄各個(gè)樣本房間在一年中各個(gè)季節(jié)的室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)和空調(diào)運(yùn)行情況，由于實(shí)際操作過程中個(gè)別房間存在數(shù)據(jù)缺失情況，實(shí)測從2016 年7 月持續(xù)到2018 年12 月，以補(bǔ)全一年中所有氣象條件下的數(shù)據(jù)，具體信息及實(shí)測參數(shù)見表1.每月定期前往現(xiàn)場對測試儀器進(jìn)行電量及故障檢查并導(dǎo)出實(shí)測參數(shù).數(shù)據(jù)處理過程中，以10 min 為步長對空調(diào)電耗、功率數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納處理：若測得一個(gè)步長內(nèi)空調(diào)電耗及功率近似于0，則該時(shí)間段內(nèi)空調(diào)不使用；反之空調(diào)電耗及功率發(fā)生劇烈變化則該時(shí)間段內(nèi)空調(diào)使用.

表1 樣本房間的具體信息及實(shí)測參數(shù)Tab.1 Specific information and measured parameters of the sample rooms

2 案例建筑空調(diào)運(yùn)行模式分析

2.1 空調(diào)使用特征階段劃分

根據(jù)1.1 節(jié)所述方法，分別使用式（1）和（2）計(jì)算全年各時(shí)期樣本房間的日空調(diào)開啟概率以及日平均空調(diào)開啟時(shí)長，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制圖表如圖2 所示.

排除春節(jié)假日的影響，日空調(diào)開啟概率與日空調(diào)平均開啟時(shí)長的全年分布趨勢表現(xiàn)出顯著的一致性，室外日氣溫的全年變化與空調(diào)使用行為存在明顯的相關(guān)性.結(jié)合圖2 所示日空調(diào)開啟概率及日平均空調(diào)開啟時(shí)長的變化趨勢，根據(jù)空調(diào)使用頻率不同，將全年劃分為如表2 所示的空調(diào)使用特征階段.嚴(yán)冬、盛夏階段空調(diào)使用頻率高且空調(diào)使用特征變化趨勢平穩(wěn)；初冬冬末、初夏夏末階段空調(diào)使用概率較高且空調(diào)使用特征變化趨勢顯著；秋末春初、春末秋初階段空調(diào)使用概率較低且空調(diào)使用特征變化趨勢劇烈.

圖2 實(shí)測樣本房間空調(diào)使用特征的全年分布Fig.2 Annual distribution of measured usage characteristics of air conditioners in sample rooms

4 月下旬至10 月中旬期間為空調(diào)供冷時(shí)期，根據(jù)室外氣象參數(shù)的特征及各功能類型房間的空調(diào)使用頻率及開啟時(shí)長特征，將供冷時(shí)期劃分為盛夏、初夏夏末、春末秋初3 個(gè)階段；11 月上旬至4 月上旬期間為空調(diào)供熱時(shí)期，同理將供熱時(shí)期劃分為嚴(yán)冬、初冬冬末、秋末春初3 個(gè)階段；4 月中旬與10 月下旬為過渡時(shí)期，該階段可認(rèn)為空調(diào)不使用.各個(gè)空調(diào)使用特征階段具有相似的室內(nèi)外環(huán)境特征.本文將以表2劃分的空調(diào)使用特征階段作為依據(jù)，研究各功能類型房間室內(nèi)人員空調(diào)使用行為的階段性特征.

表2 典型空調(diào)使用特征階段劃分Tab.2 Typical operating periods of heating/cooling seasons

2.2 典型空調(diào)運(yùn)行模式分析

使用式（3）計(jì)算不同功能類型房間的階段性空調(diào)開啟概率Pj見表3.不同特征階段空調(diào)使用頻率不同：供冷工況下，空調(diào)使用頻率與室外溫度正相關(guān)，盛夏階段日空調(diào)開啟概率高于初夏夏末階段并遠(yuǎn)高于春末秋初階段；供熱工況下，空調(diào)使用頻率與室外溫度負(fù)相關(guān)，嚴(yán)冬階段日空調(diào)開啟概率高于初冬冬末階段并遠(yuǎn)高于秋末春初階段；各類房間在供冷工況下的空調(diào)使用概率高于供熱工況下的空調(diào)使用概率.不同功能類型房間的空調(diào)使用頻率也存在顯著差異，學(xué)生辦公室的空調(diào)整體使用頻率顯著高于教師辦公室.

表3 各階段的日空調(diào)開啟概率統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of daily air-conditioning on probability at each period

根據(jù)1.2 節(jié)所述研究方法，根據(jù)空調(diào)運(yùn)行時(shí)間的分布特征，將供冷、供熱工況下的日空調(diào)使用行為概括為6 種具有代表性、典型性以及相互之間差異性的空調(diào)運(yùn)行模式.供冷、供熱工況下，各個(gè)典型模式的逐時(shí)空調(diào)運(yùn)行特征如圖3 所示.

圖3 典型空調(diào)運(yùn)行模式下的空調(diào)逐時(shí)開啟概率Fig.3 Hourly operating probability in typical running modes of air conditioners

本文將案例建筑的6 種典型的空調(diào)運(yùn)行模式，分別用A、B、C、D、E、F 表示.A 模式為“早→午模式”，空調(diào)在上午時(shí)段開啟、下午時(shí)段關(guān)閉，高峰運(yùn)行時(shí)段為9：00—18：00；B 模式為“早→晚模式”，空調(diào)在上午時(shí)段開啟、夜晚時(shí)段關(guān)閉，高峰運(yùn)行時(shí)段為9：00—22：00；C 模式為“午→晚模式”，空調(diào)在下午時(shí)段開啟、夜晚時(shí)段關(guān)閉，高峰運(yùn)行時(shí)段在供冷工況下為14：00—21：00、在供熱工況下為16：00—23：00；D 模式為“全天候模式”，空調(diào)全天持續(xù)運(yùn)行或長時(shí)間保持運(yùn)行狀態(tài)；E 模式為“通宵模式”，空調(diào)開啟動作通常發(fā)生在前一日，高峰運(yùn)行時(shí)段為0：00—7：00，7：00 后空調(diào)開啟概率逐時(shí)下降；F 模式為“間歇模式”，空調(diào)單次運(yùn)行時(shí)間較短，且在一天中的分布無顯著的規(guī)律性.

在上述空調(diào)運(yùn)行模式中，A～E 模式主要描述了連續(xù)的空調(diào)使用狀態(tài)，與室內(nèi)人員長時(shí)間在室的作息行為具有較高的一致性，反映了空調(diào)使用行為的事件相關(guān)性.F 模式描述了間歇式的空調(diào)使用狀態(tài)，一方面呼應(yīng)了室內(nèi)人員短時(shí)間在室的作息行為，另一方面也表現(xiàn)出室內(nèi)人員長時(shí)間在室過程中適應(yīng)和調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境的主觀能動性，反映了空調(diào)使用行為的環(huán)境相關(guān)性.

2.3 不同使用階段的空調(diào)運(yùn)行模式分布

基于2.1 節(jié)對空調(diào)使用特征階段的劃分，供冷、供熱工況下，不同功能類型房間在不同階段的空調(diào)運(yùn)行模式分布如圖4 所示.各個(gè)功能類型房間在不同特征階段，空調(diào)運(yùn)行模式的分布有顯著的差異.

圖4 典型空調(diào)運(yùn)行模式在不同階段的分布Fig.4 Distribution of typical running modes of air conditioners at different periods

對于學(xué)生辦公室，供冷工況下室外溫度越高以及供熱工況下室外溫度越低的情況下，學(xué)生辦公室的空調(diào)典型運(yùn)行模式中表示從上午持續(xù)運(yùn)行到夜晚的B 模式的占比越高，即全天空調(diào)運(yùn)行與室內(nèi)人員作息同步，規(guī)律性更為顯著；反之則F 模式的占比越高，即全天空調(diào)運(yùn)行的隨機(jī)性更為顯著.對于教師辦公室，在各個(gè)特征階段，間歇式的空調(diào)運(yùn)行模式F 都占據(jù)了更大的比重，符合該類房間室內(nèi)人員在室時(shí)間不規(guī)律的特征.

3 案例建筑全年空調(diào)運(yùn)行序列的生成

3.1 全天空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表的提煉

通過第2 節(jié)的分析研究，本文對案例建筑中不同功能類型房間的空調(diào)運(yùn)行模式進(jìn)行了分類.為了將實(shí)際的空調(diào)使用行為反饋到建筑能耗模擬的過程中，為建筑性能優(yōu)化提供計(jì)算基礎(chǔ)，需要定量化地描述不同行為主體所主導(dǎo)的空調(diào)運(yùn)行方式，模擬得到符合實(shí)際行為特征的全年空調(diào)運(yùn)行序列.

對于圖3 所示的空調(diào)逐時(shí)開啟概率，若使用蒙特卡洛方法對單獨(dú)某一日的逐時(shí)空調(diào)開啟狀態(tài)進(jìn)行模擬，則需要逐時(shí)取[0，1]之間滿足均勻分布的隨機(jī)數(shù)并與該小時(shí)的空調(diào)開啟概率進(jìn)行對比，共計(jì)執(zhí)行24 次決策.由于每次決策的過程都獨(dú)立進(jìn)行、與相鄰的時(shí)間段無關(guān)，由此生成的序列結(jié)果可能破壞部分時(shí)段空調(diào)狀態(tài)的持續(xù)性，不符合實(shí)際使用情況（例如，實(shí)際某個(gè)時(shí)間段是連續(xù)運(yùn)行的，但模擬結(jié)果并不連續(xù)運(yùn)行）.而每種空調(diào)運(yùn)行模式都涵蓋了多個(gè)空調(diào)使用的起止時(shí)間點(diǎn)，因此用單一運(yùn)行時(shí)間表描述該模式下的空調(diào)使用行為不能充分體現(xiàn)其隨機(jī)的特征.為了如實(shí)反映實(shí)際空調(diào)使用行為的多樣性、隨機(jī)性以及在部分時(shí)段的持續(xù)性特征，本文根據(jù)1.2 節(jié)所述方法，采用k 均值聚類分析法提煉不同模式下典型的空調(diào)全天運(yùn)行時(shí)間表，作為全年空調(diào)運(yùn)行序列的構(gòu)成單元，以案例建筑為例，分別提煉學(xué)生辦公室、教師辦公室各空調(diào)使用特征階段的典型空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表及其發(fā)生概率，如圖5、圖6 所示.

3.2 模擬序列結(jié)果校核

使用1.3 節(jié)所述方法，分別生成案例建筑學(xué)生和教師辦公室的全年空調(diào)運(yùn)行序列，描述全年空調(diào)逐日使用行為.圖7 表示執(zhí)行一次決策流程后，各功能類型房間的全年空調(diào)使用行為模擬結(jié)果.

為驗(yàn)證本文所述空調(diào)運(yùn)行序列生成方法的合理性，選取空調(diào)開啟時(shí)長作為校核參數(shù)，分別統(tǒng)計(jì)實(shí)測所得各功能類型房間在空調(diào)供冷、供暖工況下的年平均開啟時(shí)長，并與模擬結(jié)果進(jìn)行校核.為了避免單次隨機(jī)計(jì)算過程可能導(dǎo)致的誤差，對各功能類型房間的年空調(diào)使用行為分別執(zhí)行20 次模擬，對20 次結(jié)果的平均值進(jìn)行誤差分析，見表4.

圖5 學(xué)生辦公室典型全天空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表提煉Fig.5 Typical daily operation schedules of air conditioners for academic offices

圖6 教師辦公室典型全天空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表提煉Fig.6 Typical daily operation schedules of air conditioners for teachers’offices

圖7 各功能類型房間全年空調(diào)使用行為序列模擬結(jié)果Fig.7 Simulated operation sequence of usage behavior of air conditioners in various types of rooms all year round

通過對比實(shí)測和模擬的空調(diào)開啟時(shí)長數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果產(chǎn)生的誤差水平低，驗(yàn)證了空調(diào)運(yùn)行序列生成方法的合理性.模擬所得序列充分表現(xiàn)出各功能類型房間空調(diào)使用的階段性特征，同時(shí)也呈現(xiàn)出空調(diào)使用行為的多樣性和隨機(jī)性，反映了案例建筑的實(shí)際空調(diào)使用行為特征.

表4 實(shí)測和模擬序列的空調(diào)開啟時(shí)長對比Tab.4 Comparison between measured and simulated operation time of air conditioners

4 結(jié)論

本文根據(jù)循證設(shè)計(jì)理論，以案例建筑為研究對象，建立了一套符合建筑室內(nèi)人員實(shí)際行為特征的空調(diào)使用行為模擬方法.

由于室外氣候的季節(jié)性變化顯著影響建筑室內(nèi)空調(diào)使用行為，本文將全年劃分為不同的空調(diào)使用特征階段，各個(gè)空調(diào)使用特征階段具有相似的室內(nèi)外環(huán)境特征及人員行為特征.

根據(jù)供冷、供熱工況下空調(diào)運(yùn)行時(shí)間的分布特征，本文對空調(diào)運(yùn)行的時(shí)間分布特征進(jìn)行了分類概括，獲得6 種典型的空調(diào)運(yùn)行模式，不同功能類型房間在不同特征階段的空調(diào)運(yùn)行模式分布具有顯著的差異性.

為了定量化描述空調(diào)使用行為，使用聚類分析法提煉出不同功能類型房間在各特征階段的典型全天空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表及其發(fā)生概率的分布，最后通過蒙特卡洛方法的應(yīng)用，模擬獲得全年空調(diào)運(yùn)行序列并校核驗(yàn)證該方法的合理性.

在后續(xù)的研究中，將使用建筑能耗模擬軟件邏輯語言，對模擬所得全年空調(diào)運(yùn)行序列進(jìn)行描述，可以將空調(diào)使用行為作為輸入?yún)?shù)反饋到EnergyPlus等軟件的建筑能耗模擬的過程中，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性.針對不同類型的建筑，基于實(shí)際建筑運(yùn)行特征的建筑能耗模擬，對于建筑性能優(yōu)化措施的正確選擇具有重要的意義.