西安某办公建筑开窗行为实测分析及能耗模拟研究

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随着全球能源紧张和环境问题的日益严峻,节能减排已成为当今世界各国的基本共识。建筑能耗在社会总能耗中占重要比例,其中的建筑日常运行能耗占极大比例,而建筑室内人员行为又会对建筑日常运行能耗产生重要影响。开窗是一种常见的调节建筑内部环境的人员行为,合理地控制窗户状态,对改善室内空气品质、提升人员热舒适有很大的帮助。但在空调季,过度开窗可能会引进大量室外空气,增加建筑室内的热负荷或冷负荷,造成大量能源浪费。因此,如何深入了解建筑室内人员开窗行为,在保证室内人员舒适的情况下,尽可能地降低建筑空调系统的运行能耗,成为了当今建筑节能领域的重要课题。本研究选取位于中国寒冷地区干旱半干旱地带的西安市某综合办公楼的13间不同类型房间作为研究对象,测试时间为2018年11月16日到2021年11月15日,以实地监测和现场调研相结合的研究方法,实时采集了房间的窗户状态和室内外环境参数等相关数据,获取了建筑室内人员的具体行为习惯信息。根据开窗时长、开/关窗频率以及开窗概率描述开窗行为特征发现:(1)过渡季和供冷季的开窗时长普遍高于采暖季,且办公室的开窗时长显著高于会议室。(2)开窗动作行为主要发生在“到达”和“在室”两个时间段,关窗动作行为则集中发生在“在室”时间段。(3)会议室各季节的逐时开窗概率呈“梯形”变化趋势,两头变化急剧,中间较为平缓。办公室各季节的逐时开窗概率呈“双峰形”变化趋势,两头也变化急剧,但中间会经历一个下降再上升的趋势。(4)新冠疫情对办公室和会议室的开窗行为有重要影响作用。对于办公室,房间的平均开窗时长逐年增加,增强了其室内人员开窗通风换气的习惯性行为;对于会议室,开窗行为先得到加强,之后由于线上会议的普及,会议室的使用率下降,开窗行为急剧减少。根据对会议室和办公室建立2021年不同季节的二元Logistic回归开窗行为模型结果可知,过渡季,影响人员开窗行为的主要因素是室内环境参数(室内温度、室内相对湿度和CO2浓度)。采暖季,影响人员开窗行为的主要因素是室外温度。供冷季,人员开窗行为则受室外环境参数和室内环境参数的综合影响。另外,本研究根据室内人员开窗行为习惯和二元Logistic回归开窗行为模型结果,针对会议室和办公室分别建立了特定的开窗行为模式。最后,本研究将开窗行为模式应用至Energy Plus模拟软件进行能耗模拟。结果表明,房间的空调能耗和开窗通风量均与室内人员开/关窗动作行为和室内外温差紧密相关。当窗户开度较大时,房间空调能耗主要受开窗行为引入的室外新风影响。当窗户开度较小时,房间空调能耗主要受室内人员、设备和照明产生的负荷影响。基于工作时间段房间窗户全为开启状态的开窗行为模式二,工作时间段房间窗户全为关闭状态的开窗行为模式一的能耗节约率最高,而基于开窗行为习惯和逻辑回归开窗行为模型结果建立的模式三和模式四的空调能耗则介于模式一和模式二之间,且各开窗行为模式在采暖季的能耗节约率比供冷季的能耗节约率高21%~34%。
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