严寒地区过渡季办公建筑开窗行为研究

朴咏玫，王春青*，潘 嵩，崔 桐，赵慕君，齐 洁

1吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118 2绿色建筑环境与节能技术 北京市重点实验室,北京 100124 3长安大学 建筑工程学院,西安 710061

研究已表明近乎相同的建筑之间所产生的能耗存在巨大差异[1]，而建筑室内人行为所导致的能源浪费是造成这一差异的主要原因.开窗行为是一种典型的人行为,人们基于对室内热舒适环境的需求会通过控制窗口状态达到自身舒适.相较于其他类型建筑,办公建筑数量多且人员集中,能源消耗巨大.因此,本文通过对办公建筑人员开窗行为的研究,正确引导办公室内人员开窗.

国外对办公建筑的研究起步于1984年,Warren and Parkins[2]持续监测了3个月后发现办公建筑人员开窗行为的主要受室外温度,太阳辐射度和室外风速的影响.6年后,在Fritsch等[3]人发表的文章中表明室外温度与开窗行为关联度最高.随后,Nicol and Humphreys[4]研究结果再次表明室外温度与开窗行为高度关联.Herkel等[5]人在德国对南向的不同类型窗户的21间办公房间做了为期12个月的测试,发现开窗行为与窗户类型有一定关系.研究中发现大窗口的打开频率远高于小窗口,如果窗户被打开,窗户的状态就会保持很长一段时间.

国内起步虽晚,但由于地理和气候条件的多样性将地域划分为五大气候区.寒冷地区学者Song Pan等[6]人对北京某办公建筑进行实时监测发现在不同季节影响开窗行为因素之间存在差异.在夏热冬暖地区，张剑[7]的研究结果表明楼层和窗户朝向对办公建筑人员开窗行为存在显著影响.Nan Li等[8]人在夏热冬冷地区重庆某办公建筑经分析发现室外温度成为影响过渡季开窗的主要因素.本次研究填补了严寒地区典型城市办公建筑的空白,笔者通过对严寒地区某办公建筑展开为期3个月的实时监测,并结合二元逻辑回归理论对监测结果进行研究分析,为提高室内热舒适提供正确引导.

1 测试方法

1.1 建筑概况

本文选取长春市一栋南北朝向的5层办公楼作为测试对象,周围无建筑物遮挡,实测建筑的外观如图1所示.选取3间楼层和室内人数不同、面积和办公性质相同的房间作为研究对象,详见表1.该建筑无空调系统,完全依靠自然通风进行室内环境的调节.

图1 实测建筑外观

表1 实测房间信息

1.2 测试仪器

用于室内环境参数采集的设备包括天建华仪温湿度自记仪(温度、相对湿度)、FA-Q 5空气质量监测仪(PM 2.5 浓度、CO2浓度)小米门窗位移传感器、米家多功能网关;室外环境参数由长春市气象局监控测点提供.仪器安装情况见图2.

测试期间,将温湿度自记仪置及空气质量监测仪放置在干燥通风且无阳光直射的位置,每隔10 min记录一次室内环境情况.将小米门窗传感器安装在窗框处,通过感应附件磁铁判断窗户开关状态,随后通过已与无线网连接的米家多功能网关进行数据上传,实时记录状态变化情况.每周通过与测试仪器匹配的软件将监测的数据导出,设备参数见表 2.

(a)门窗传感器

(b)多功能网关

(c)温湿度自记仪

(d)FA-Q5空气质量监测仪

表2 设备参数

2 结果分析

2.1 非环境参数与开关窗行为

由于办公建筑的特殊性即白天人员活动规律,夜间无人员在室,故将全天监测时间7∶00～19∶00按照办公人员活动特征划分为“到达(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“离开(17∶00～19∶00)”等5个时段,结果如表3所示.

表3 所有房间不同时段开关窗概率

经整理统计数据后,发现该办公楼在监测期间开窗时长(769 h)低于关窗时长(2 188 h),占总时长(2 957 h)的比例分别为26 %，74 %.结合表3分析,所有房间在一天中不同时段开关窗概率分布有巨大差别,整体来看所有房间在7∶00～12∶00期间开窗概呈上升趋势,而在14∶00～19∶00期间关窗概率显著上升,即办公人员习惯于上午时段开窗,而在下午工作直至结束离开普遍习惯关窗导致开窗率降低.

此外,对办公建筑室内人员对窗口控制在不同时段上的偏好统计分析结果如图3所示.

(a)开窗频率

(b)关窗频率

由图3看出,“上午工作”时开窗频率最高为 32.1 %,最低的时段为“离开”即 10.7 %.该结果表明，办公建筑人员并不完全是在刚抵达办公区域后就会习惯性进行开窗通风,而是由于在室期间对室内环境感到不适后选择在“上午工作”期间主动采取开窗行为改善室内热舒适环境提高空气品质;所有房间在“下午工作”时关窗概率频率最高为25.9 %,而“午休”时最低为15.4 %,分析发现大部分办公人员选择午休时保持窗口开启以进行通风换气.经对比发现“下午工作”、“离开”这两个时间段内关窗频率显著高于开窗频率,由此可看出,在该办公建筑中的人员并不是在窗户开启后会持续到下班离开才关闭,而是根据室内热环境舒适度及室外气象条件等综合原因进行关窗.此外,由于严寒地区的气候特征办公建筑人员很少采用夜间通风.

2.2 环境参数与开窗行为

利用统计学原理将环境参数与窗户状态进行关联处理,将满足方差分析条件的参数进行整合.室内二氧化碳浓度及室外风速不满足,因此剔除.以显著性小于0.05作为判别标准筛选出与开窗行为相关的变量,结果如表4所示.表4显示所有环境参数显著性均小于 0.05,即均对开窗行为有显著性影响.

表4 方差分析结果

续表4

室内外温度与开窗行为相关性分析结果如表5所示,整体上开窗概率在一定温度范围内随室内外温度的上升而增加.开窗概率随着室内温度的上升呈单调递增,当室内温度处于 27 ℃～28 ℃区间内开窗概率达到最高值为38.9 %.随着室外温度的增加开窗概率呈现出先降低后上升的趋势,在室外温度大于17 ℃时开窗概率普遍偏高.由此可知，在过渡季室内外温度过高时人们倾向于开窗避免温度上升引起不适.

表5 开窗概率与室内外温度之间的关系

室内外相对湿度与开窗行为相关性分析结果如表6所示,室内相对湿度与开窗概率趋势为先小幅下降随后逐步上升,当大于55 %时达到最大开窗概率49 %.而室外相对湿度与开窗概率呈先上升后下降的趋势,当室外相对湿度在41 %～54 %之间开窗可能性最大.

表6 开窗概率与室内外相对湿度之间的关系

室内外PM 2.5浓度与开窗行为相关性分析结果如表7所示,开窗行为与室外PM 2.5浓度呈负相关,当室外PM 2.5浓度偏高时为避免引入室外的污染源人们普遍选择关窗.当室内PM 2.5浓度大于 23 μg/m3时开窗概率也较高,说明人们对于室内PM 2.5浓度升高所带来的污染并不敏感.

表7 开窗概率与室内外PM 2.5浓度之间的关系

风向与开窗行为相关性分析结果如表8所示,根据气象学将风向划分为如表8所示的16方位,观察其与开窗概率之间分布呈明显趋势,风向处于北及偏北时开窗概率均较高,且处于北时达到最高45.3 %.监测点均设在北侧办公室,由此可知,严寒地区常见的北及偏北风虽易引起体感不适,但人们仍经常开窗通风,通风换气意识良好.

表8 开窗概率与风向之间的关系

太阳辐照度与开窗行为相关性分析结果见表9,太阳辐照度小于610 W/m2开窗概率无明显波动,但当其大于610 W/m2时发生明显升高.该结果表明,太阳辐照度达到一定数值后,才会引起人体热舒适变化.

表9 开窗概率与太阳辐照度之间的关系

2.3 回归分析

运用二元逻辑(Logistic)回归模型对开窗行为及其影响因素进行回归分析,其中窗户状态是结果为0和1的二分类因变量,将与开窗行为有显著性相关的环境参数作为自变量,标准化后的二元逻辑回归的结果如表10所示.

表10中显著性P值为该回归模型的统计概率,显著性水平取0.05,当显著性P值小于0.05,表示该参数对回归模型有统计学意义.由表10可知,所有自变量的显著性P值均小于0.05,表明所选入的自变量均对模型有意义.

表10中回归系数B的大小反映自变量对因变量影响程度的高低.B>0表示自变量对开窗行为(因变量)有正相关影响即自变量对开窗行为的发生有推动作用；B=0表示自变量对开窗行为(因变量)无相关影响即自变量对开窗行为的发生无作用；B<0表示自变量对开窗行为(因变量)有负相关影响即自变量对开窗行为的发生有阻止作用.因此,由表10可知,所有室内环境参数(包括室内温湿度、室内PM 2.5浓度)与室外相对湿度、太阳辐照度对开窗行为有正相关影响,而室外温度、室外PM 2.5浓度和风向则对开窗行为有负相关影响,其中对开窗行为影响最大的是室内温度,其次是太阳辐照度,而室内PM 2.5浓度、室内相对湿度对开窗行为的影响相对较小.

表10中EXP(B)即eB表示相对优势比即自变量增加1个单位后的优势比与增加前的优势比之比,反映自变量增加1个单位对因变量的影响程度,其值越大影响越大.这里的优势比表示开窗行为发生概率与其不发生概率之比.

表10 标准二元逻辑回归结果

3 结论

本文采用实时监测和理论分析相结合的方法,分析严寒地区典型城市-长春市办公建筑过渡季人员在不同时段开关窗偏好及室内外环境参数对开窗行为的影响.经数据统计分析,测试期间办公建筑开窗时数(769 h)远低于关窗时数(2 188 h),而关窗频率最大值(25.2 %)低于开窗频率最大值(40.6 %),该结果反映出办公建筑分时段研究的必要性.研究结果表明,办公人员习惯于“上午工作”时段开窗,关窗行为集中于“下午工作”时段,说明窗口并非持续开启至“离开”,该现象与他人研究结果略有不同.此外,逻辑回归分析结果显示,对开窗行为影响最大的是室内温度,其次为太阳辐照度,而室内PM 2.5浓度与室内相对湿度对开窗行为的发生影响不大.本文研究结论将正确引导严寒地区开窗行为,为自身热舒适调节提供参考依据.