建筑能耗的人类行为仿真研究

  1.1 建筑使用方式的不同是我国能耗较低的根本原因 

  我国正处于城市化建设的快速发展期，建筑能耗持续高速增长。据统计，2010 年我国建筑总能耗为 6.77 亿吨标煤，占全国总能耗的 21%；从 1996 年到2010 年，我国建筑总能耗增长近一倍，单位面积建筑能耗增长 17%。如何缓解建筑能耗过快增长，已成为我国建筑节能工作的艰巨任务和重大挑战。然而，横向来看，如果将我国的建筑能耗水平与世界主要国家进行比较，其中横坐标为人均建筑能耗，纵坐标为单位建筑面积的能耗，则无论是单位面积能耗还是人均能耗，我国建筑能耗都显著低于目前发达国家的水平，即使是我国的城镇建筑单位面积能耗，也仅为世界主要发达国家的 1/2∼1/3。这一对比数据表明，与发达国家相比，我国的建筑能耗仍处在相对较低的水平。客观的说，无论从建筑设备系统的能效水平，还是围护结构的保温气密水平而言，我国的节能技术水平都要低于发达国家，那么，是什么原因造成中外建筑能耗水平的巨大差距呢？是什么原因造成这一“高能效、高能耗，低能效、低能耗”的现象呢？为进一步分析其中差别所在，张声远等人对各国建筑能耗数据按住宅用热、住宅用电、公共建筑用电等用能项目进行了逐一深入比较分析，得到的结论是：我国建筑单位面积能耗低的主要原因是由于我国居民生活方式和建筑使用模式与发达国家有所不同而造成的。例如，在我国的住宅和一般公共建筑中，人们通常优先采用自然调节手段满足居住和使用要求，即按“被动优先、主动优化”的原则，空调照明等设备仅在必要的时候启用，往往是“有人时开、无人时关”；而发达国家的同类建筑，则主要依靠空调照明等机械手段满足建筑内部要求，这些系统往往在无人的时候也照常运行。而正是这些建筑中人行为的差异，是造成我国建筑能耗整体水平远低于发达国家的主要原因。

  1.2 不同的人行为导致不同的建筑用能水平
  人的行为对建筑能耗造成的影响，不仅体现在各国的宏观能耗差异之中，也更多、更直接的体现在各个地区的微观案例研究之中，特别是具有个体自主性的住宅或办公建筑中。这种影响涵盖了空调、采暖、照明、电器等各类设备用能方面，在不同国家或地区，都普遍存在。下文列举了几个有代表性的例子，它们表明：建筑中人的行为表现得比“部分时间、部分空间”或“全时间、全空间”这种笼统概括的用能特点更为复杂，在同样的建筑系统形式与气象条件下，由于使用者行为的不同，会导致建筑用能水平的显著不同，其差异程度高达几倍、甚至几十倍，它是造成建筑能耗巨大差别和不均衡分布的一个直接而重要的原因。可以看到，户 N-D7 按 24h 连续采暖，室温基本保持平稳；户 N-D4 只在早晨从起床到离家上班、晚上从回家到睡觉前这两时段启用采暖，其室温也随之出现明显的升降起伏。房间实际温度也有所不同。与户 N-D7、户 N-D4 卧室和客厅都供暖相比，户 K-D9、户 K-D1 分别只对客厅或卧室供暖，而且使用时间也各不相同。这四户全年采暖能耗水平因此也存在巨大差异。郭偲悦等调查了上海居民冬季采暖的使用情况。给出了同一公寓两个卧室空调器的使用情况。两个卧室的空调在卧室有人时才使用，但使用频率却有较大差异，卧室 1 的启用次数和运行时间远远大于卧室 2。这表明两名居住者的采暖习惯有很大不同，对应的采暖电耗也出现 3 倍的差距。

  2.1 人行为研究的边界划分

  人的行为十分复杂，其研究往往涉及众多学科领域。而由于建筑用能与人的行为密切相关，早在 20 世纪 70 年代第一次能源危机后，与建筑节能有关的人行为研究就引起学术界包括社会学、经济学、心理学、生理学、工程学等多个领域的兴趣和重视，并从各自学科角度探寻建筑节能的有效途径。这些研究可按学科背景大致划分为以下三大块。总的来说，不同学科领域由于专业背景的不同，对人行为的研究目的和研究内容都有很大区别，各有侧重；另一方面，由于都涉及人的行为，不同领域的研究之间又有一定的联系，容易纠缠和混淆。区分不同学科领域人行为研究的范畴与边界，搞清楚各自研究什么、不研究什么，对于进一步明确本课题的研究目的和内容，是很有必要的。在多数场合下，人的行为属于社会学、经济学、心理学等人文社科领域所讨论的范畴。通常所说的行为节能，也是在这个范畴下提出的。有关建筑用能的人行为在社会学经济学领域被纳入到能源消费行为的研究分支，其研究目的很明确，就是力图优化能源消费行为与节能激励机制，通过促进“行为节能”来降低社会总体能源消耗。这类研究以家庭（即住宅）能源消费为代表，在美国和欧洲已有较长的历史，随着 20 世纪 70 年代石油危机的发生和燃料价格的上涨而兴起，在 90 年代达到高峰，并一直延续至今。能源消费行为所覆盖的范围和涵义比较宽泛。有的学者认为能源消费行为包括“购买、使用、维护”三个方面：与购买有关的行为包括对节能门窗、家用电器、采暖、通风等设备装置的购买，以及购买中的选择决策过程；与使用有关的行为是指建筑中各种设备装置的日常运行与使用，包括使用的频次、时长、强度等；与维护有关的行为是指建筑设备系统的保养、维修、改造等行为。有的学者按生活领域划分，包含自驾车、储蓄、度假、娱乐活动、外出就餐、购买衣物、家具装修、杂货、住房、保健、教育等方面的节能行为。由于经济社会因素的综合性以及人行为的多样性，有的学者还引入生活方式的概念，对能源消费行为及其影响因素进行整体概括和描述。生活方式通常被定义为人们安排其个人及家庭生活的行为（包括他们的活动、兴趣和观点等），有时也被设定为习惯、价值和态度。在生活方式和能源消费方面具有相似活动、兴趣和观点的人，可归为同一类，并以此区分不同的能源消费行为，生活方式也因此被认为是独一无二的、能够影响和反映能源消费行为的模式。从社会学和经济学的视角，对人们日常能源消费行为最感兴趣的地方是：这些行为受到哪些因素的影响？与自然、经济及社会环境有怎样的联系？如何能够激发和促进各种节能行为？这几方面的研究主要融合了经济学和社会学的两个基本观点：一个是经济学观点，即认为这些行为遵循“理性人”个人利益最大化的假设，主张利用价格、税收、补贴等经济手段进行行为调控；一个是社会学观点，即认为能源消费行为不是单纯的理性经济行为，同时还受到社会结构（包括年龄性别、职业、家庭人口规模、婚姻状态、经济收入、教育水平、文化背景、节能态度与节能意识等因素）的影响，需要从社会心理、宣传教育、社会政策等方面介入和干预。

  3.3  模型方法的案例验证

  4.1 人员动作的数学模型

  4.2 设备对象状态的模拟方法 

  4.3 模型方法的案例验证 

  4.4 本章小结 

  5.1 不同行为模式下的住宅空调能耗分析 

  5.2 办公建筑不同空调系统形式的性能评估 

  5.3 本章小结