長沙地區混合通風住宅老年人空調使用行為

李念平 韓陽麗 何穎東 彭晉卿 賈繼康

摘? ?要：為研究混合通風建筑內人員的空調使用行為對建筑能耗的影響，對夏熱冬冷地區以老年人為主的住宅空調系統及室內環境進行為期一年的連續監測，收集了氣象參數、空調使用率、開啟時間、室內的設定溫度等數據. 分析表明：夏季和冬季在客廳、餐廳以及主臥開啟空調的時間均有所不同. 在夏季，客廳與餐廳的設定溫度較為集中，主要為26～28 ℃，主臥的室內設定溫度主要為25～29 ℃，三者設定溫度的峰值均在27.5 ℃左右;在冬季，各房間的室內設定溫度相差不大，頻率最高的溫度為20.5 ℃. 夏季住宅內老年人日間室外耐受溫度約為31 ℃，夜間約為26 ℃;而冬季住宅內老年人日間室外耐受溫度約為12 ℃，夜間耐受溫度約為8 ℃. 同時建立了空調開啟率與環境溫度之間的邏輯回歸模型、空調開啟時間以及室內溫度正態分布模型，為研究混合通風住宅建筑空調使用行為提供參考.

關鍵詞：混合通風;空調使用行為;模型;老年人

中圖分類號：TU241.8? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Air-conditioning Use Behaviors of Elderly

in Mixed-mode Residential Buildings in Changsha

LI Nianping?，HAN Yangli，HE Yingdong，PENG Jinqing，JIA Jikang

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China ）

Abstract：Air-conditioning use behaviors of the people in mixed-mode buildings have a significant impact on building energy. A one-year field investigation was conducted in mixed-mode residential buildings mainly on the elderly in the Hot Summer and Cold Winter Region. Climate parameters， air-conditioning usage rates， turning-on time， and indoor set-point temperatures were continuously monitored and recorded. The results show that the periods of the elderly using air conditioners in the living rooms， dining rooms， and bedrooms were different in summer and winter. In summer， the indoor set-point temperatures of living rooms and dining rooms were both mostly within 26～28°C， and? those of bedrooms mainly varied within 25～29°C. The most frequent set-point temperature of the three rooms was 27.5°C. In the winter， the indoor set-point temperatures of all rooms were similar， and the most frequently selected one was 20.5°C. In summer， the outdoor tolerance temperatures of the elderly were about 31°C and 26°C in the daytime and night， respectively. In winter， the outdoor tolerance temperature of the elderly was about 12 °C and 8°C in the daytime and night， respectively. Besides， this study established the logistic regression models between air-conditioning use rates and outdoor temperatures， normal-distributed models of air-conditioning use rates over time， as well as the models of indoor set-point temperature distribution. This study provides a reference for researches on air-conditioning use behaviors in mixed-mode residential buildings.

Key words：mixed-mode;air-conditioning use behavior;models;older people

建筑能耗被認為是世界第三大能源消耗部分. 建筑能耗不僅與氣象參數、圍護結構等有關，而且與室內人員行為有關. 相關研究表明，影響建筑能耗最重要的因素之一為建筑室內人員行為[1]. 目前的建筑能耗模擬軟件采用固定室內溫度和固定作息的方式，從而導致模擬結果與實際值有較大的差值. 因此研究室內人員空調使用行為對于準確分析建筑空調能耗具有重要意義.

國內外學者對建筑室內人員行為進行了大量研究. 李俊鴿[2]對中國夏熱冬冷地區住宅建筑的用戶行為進行了調查，發現夏季空調狀態的室內溫度在27.5～29.5 ℃溫度段的頻率最高，約占總量的40%;采暖室內溫度分布頻率在18 ℃時最高，約占30%. 張才俊[3]通過對廣州22臺使用中的房間空調器進行測試，發現用戶開啟空調器的概率隨著平均室外空氣溫度升高而增加，當平均室外溫度從27 ℃提升到32 ℃時，用戶開啟空調器進行降溫的意愿顯著增加，當室外平均空氣溫度達到33 ℃時，用戶開啟空調的概率將達到94.95%. 虞洋等[4]對中國杭州某辦公建筑開展了夏季空調使用行為測試，并采用邏輯回歸構建出夏季空調開啟率預測模型，得出測試房間空調開啟室外耐受溫度為32.0 ℃. Tanimoto等[5]在2000年夏季日本的Fukuoka收集了5個家庭住宅和3個單元房的現場實測數據，得出空調使用頻率與室內外溫度之間的關系，并將該關系轉化為狀態轉移概率函數. Hwang等[6]通過對臺灣居住建筑中的老年人進行調研發現，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 ℃. 為了保護老年人，世界衛生組織在20世紀提出了關于冬季可接受的內部溫度的指導意見，即所有房間的室內溫度為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居住建筑老年人空調使用行為. 通過對長沙市某以老年人為居住主體的住宅建筑進行現場測量，分析了混合通風住宅中的熱環境、老年人的空調使用行為，并建立了相關模型. 本研究為未來以老年人為主的住宅建筑舒適環境的營造提供參考.

1? ?方? ?法

1.1? ?建筑信息及通風特征

本文中被研究的建筑位于長沙市區，該地區屬于夏熱冬冷地區. 該小區采用熱源塔熱泵空調系統為住戶提供冷熱空調供應及全年生活熱水. 小區內均為16層的高層住宅樓，每套住房內均有可自由開啟的外窗. 小區的實景圖及典型住房的平面圖如圖1所示. 被測試的每戶住有老年夫妻二人，平均年齡高于60歲. 每套房內空調系統的開啟、關閉以及室內溫度的設定由住戶自行控制.

混合通風可充分利用室外氣候條件來滿足室內熱舒適，改善室內空氣品質并達到節能的目的. 本文所選住戶均采用典型的自然通風與機械通風交替運行的混合通風模式. 本文中的混合通風對空調使用的影響體現在老年人在特定的房間、固定的時段開啟空調，其他房間則采取自然通風;并且室內設定溫度隨室外溫度變化，即室外環境影響空調使用行為.

1.2? ?測量參數

在本研究中，現場連續測試了冬夏兩季室內的空氣溫度、濕度、風機盤管末端的電量，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戶住戶的數據，冬季（2018年12月1號至2019年2月28號）收集了12戶住戶的數據. 室內的溫濕度傳感器安裝在墻上，距離地面約1.5 m，餐廳、客廳及每個臥室各一個，用以監測室內溫濕度;智能插座型電量表安裝在風機盤管末端，用以監測末端開啟情況及電量，智能插座與傳感器監測的數據被實時無線傳輸到云數據庫，再傳輸至計算機和手機，可進行實時監測，并可在電腦端導出. 室外溫濕度用放置在室外的小型氣象環境監測站來收集，室外溫濕度的傳感器被存儲在設備內，由電腦導出. 所有數據收集時間間隔為5 min. 儀器具體信息見表1.

1.3? ?數據分析

首先通過測量系統收集數據，然后去除異常值，接著對數據進行初步分析并建立相關模型. 采用邏輯回歸的方法建立了冬夏兩季空調開啟率隨室外溫度變化的數學模型，模型形式見式（1）[8]. 由于同一時間，住戶同時開啟兩個房間的空調的概率較小，因此某時刻只要有一個房間的空調開啟，即認為該戶在使用空調，并將50%空調使用率對應的室外溫度定義為耐受溫度. 其次建立了冬夏兩季室內空調設定溫度與室外空氣溫度之間的模型;并對空調的開啟時間和設定溫度分別建立了相應的正態分布模型[9]，見式（2）. 對于前者，縱坐標頻率表示該小時內，所有住戶空調開啟動作所出現的次數占總次數的百分比;對于后者，縱坐標頻率表示在該設定溫度下，所有住戶室內溫度處于該溫度范圍內的次數占總次數的百分比. 由于本研究中的住戶基本全天在家，因此對數據分時段處理. 且由于主臥、客廳、餐廳的使用行為不盡相同，因此對不同房間的設定溫度與空調開啟時間分別處理.

2? ?結? ?果

2.1? ?室外溫濕度

圖2顯示了冬夏兩季室外空氣溫度和相對濕度. 夏季室外溫濕度均隨晝夜呈現周期性變化，其中主要溫度區間為25～37 ℃，在14：00左右室外相對濕度約為60%，在夜間室外相對濕度通常高于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，室外濕度多數超過80%.

2.2? ?空調使用率與室外溫度之間的關系

由于白天和夜晚空調使用率有所不同，因此將一天分為白天（7：00—18：00）和夜間（19：00—次日6：00）分別進行分析，如圖 3和圖4所示. 從圖中可看出空調開啟頻率與室外溫度高度相關：在夏季隨著室外溫度的升高而增加，在冬季則規律相反. 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 ℃，邏輯回歸模型參數見表2.

2.3? ?空調設定溫度與室外溫度之間的關系

2.3.1? ?夏季空調設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空調設定溫度之間的關系（邏輯回歸關系，見式（3））. 從圖中可看出，當室外溫度約為22 ℃時，室內設定溫度約為24.5 ℃;當室外空氣溫度為40 ℃時，室內空調設定溫度約為28 ℃. 隨著室外溫度繼續升高，室內設定溫度繼續上升但漸趨平緩.

式中：Ts1為室內空調設定溫度;t1為室外空氣溫度.

2.3.2? ?冬季空調設定溫度與室外空氣溫度

圖6所示為冬季室內空調設定溫度與室外空氣溫度的關系（見式（4））. 從圖中可看出，隨著室外溫度的升高，室內設定溫度會逐漸上升，但上升的趨勢逐漸平緩，最后趨近于21 ℃，且在室外溫度為2 ℃時，室內設定溫度最低，約為17.5 ℃，比最大值低4 ℃左右.

式中：Ts2為冬季室內設定溫度;t2為冬季室外空氣溫度.

2.4? ?夏季各房間空調使用行為

2.4.1? ?夏季主臥空調開啟時間

夏季主臥空調開啟時刻如圖7所示. 從圖中可看出，主臥空調的開啟時間主要在11：00—13：00，19：00—23：00，且在8：00時也有一個較小的高峰，其中白天在11：30—13：30的空調開啟頻率最高. 在19：00時，開啟頻率明顯高于18：00，在19：30—23：30時達到較大值，之后明顯下降.

2.4.2? ?夏季客廳空調開啟時間

從圖8中可看出，客廳空調的開啟時間主要在8：00—12：00，18：00—20：00. 在7：00時，客廳的空調開啟頻率有明顯上升，在12：00之后空調開啟頻率明顯下降;在12：30—15：30客廳的空調開啟頻率一直處于很低的狀態，在16：00時開始上升，并在19：00達到峰值，之后空調開啟頻率逐漸降低.

2.4.3? ?夏季餐廳空調開啟時間

從圖9中可看出，餐廳空調的開啟時間主要集中在3個時間段，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左右達到最高值. 同時對餐廳空調開啟期間客廳空調運行狀況進行分析發現，在夏季餐廳空調開啟期間，客廳空調開啟的概率為38%.

用正態分布對以上各個房間各個時間段空調的開啟時間頻率擬合的結果見表3.

2.4.4? ?夏季空調設定溫度與時間的關系

用正態分布對夏季空調開啟期間的室內空氣溫度進行擬合，結果見表4. 從圖10中可看出，夏季主臥的室內設定溫度集中在24.5 ～ 30 ℃，跨度較大，從正態分布的μ值中可看出，室內設定溫度頻率最高的值約為27 ℃. 客廳和餐廳的設定溫度較為集中，主要在26 ～ 29 ℃，從正態分布的μ值中可看出，室內設定溫度頻率最高的值均為27.5 ℃左右.

2.5? ?冬季各房間空調使用行為

2.5.1? ?冬季主臥空調開啟時間

從圖11中可看出，冬季主臥空調的開啟時間主要在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住戶有較高的空調使用頻率.

2.5.2? ?冬季客廳與餐廳空調開啟時間

冬季客廳和餐廳空調的開啟時間基本相同，主要集中在6：30—8：30以及17：30—18：30，如圖12和圖13所示. 同時對餐廳空調開啟期間客廳空調運行狀況進行分析發現，在冬季餐廳空調開啟期間，客廳空調開啟的概率為76%. 從圖12和圖13中可看出，早上空調開啟的頻率明顯高于傍晚17：30-18：30空調的開啟頻率，且與主臥相比，早上客廳與餐廳的空調開啟時間高峰稍微延遲，而在傍晚主臥的空調開啟時間高峰與客廳和餐廳相比較晚.

用正態分布對以上冬季各個房間各個時間段的開啟時間頻率擬合的結果見表5. 從表5中可看出μ值即代表空調開啟時間頻率分布的峰值，與曲線圖的峰值相對應，從R2可看出，該模型具有較好的擬合性.

2.5.3? ?冬季空調設定溫度

冬季空調開啟期間的室內空氣溫度分布擬合結果見表6. 圖14中，冬季室內設定溫度主要為17～22 ℃，基本高于16 ℃. 從正態分布的μ值中可看出室內設定溫度頻率最高的值均在20.5 ℃左右，高于標準的室內設定溫度20 ℃.

3? ?討? ?論

Song等[10]在2016年5月至11月中國天津地區通過現場測試得出住宅建筑50%空調使用率對應的室外溫度為32.5 ℃，而在本文中夏季在白天50%空調使用率對應的室外溫度在31 ℃左右，夜間50%空調使用率對應的室外溫度約為26 ℃，這是因為長沙地區夏季多雨，相對濕度較大.

洪霄偉等[11]通過統計8戶中國廣州某高校的教師住宅，發現夏季客廳的空調開啟時間主要在12：00—13：00和18：00—22：00，臥室空調的空調開啟時間主要在21：00—24：00，午休時間13：00時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啟頻率，這是由于老年人長時間在家，因此空調開啟頻率在時間上分布更為均勻.

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，夏季老年人室內空調設定溫度主要在25～29 ℃，峰值出現在約27.5 ℃;冬季室內約70%的時間室內設定溫度高于19 ℃，且峰值出現在20.5 ℃左右，與劉雪麒的研究相一致，均說明老年人對偏熱環境的耐受性較高，對偏冷環境的耐受性較低.

大量的研究表明[13-15]，由于老年人生理和心理的獨特性，使得他們對室內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境，且會更加頻繁地操作空調系統. Hamza和Gilroy[16]的研究指出，老年人普遍在家中度過大量的時間，例如，65歲的老年人據說在家中度過85%的時間，85歲及以上的老年人在家中度過超過95%的時間，這與本研究中的結論一致，故本文研究結果并不適用于其他人群，但為研究其他人群的空調使用行為提供了借鑒.

4? ?結? ?論

通過對以老年人為主體的混合通風住宅建筑空調使用行為進行現場調研，得到如下結論：

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，相對濕度較大，基本在80%以上.

2）夏季白天主臥空調的開啟時間主要為11：30

—13：30和19：30—23：30;客廳空調白天的開啟時間主要在8：00—12：00和18：00—20：00;餐廳在三餐時間有一個開啟的高峰. 冬季客廳和餐廳空調的開啟時間基本相同，主要在6：30—8：30和17：30—18：30，主臥空調的開啟時間主要在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，室內設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，室內設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）夏季主臥空調的室內設定溫度范圍較大，但

頻率最高的設定溫度在27 ℃左右，客廳和餐廳的溫度設定值主要在26～29 ℃;冬季各房間室內溫度設定值的跨度差別不大，頻率最大值在20.5 ℃左右.

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