謝 慧，宋園園

(北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

建筑節(jié)能是社會(huì)節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)，中國(guó)的建筑能源消費(fèi)總量占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%[1]。建筑中人的用能行為對(duì)建筑物的性能有重要的影響。與用能行為相關(guān)的數(shù)據(jù)經(jīng)常成為建筑模擬結(jié)果具有不確定性的主要來(lái)源。阮方等[2]通過(guò)對(duì)某一住宅建筑能耗進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)未考慮用能行為的能耗模擬結(jié)果與實(shí)際能耗的誤差可達(dá)37.9%。Brounen等[3]調(diào)研了某住宅建筑的用能情況，結(jié)果表明不同住戶的負(fù)荷曲線在時(shí)間上和空間上存在較大差異。

建筑能耗與人的生活方式、舒適度偏好以及與建筑系統(tǒng)的交互作用有關(guān)，固定作息法和簡(jiǎn)單的隨機(jī)模型不能準(zhǔn)確體現(xiàn)出用能行為所導(dǎo)致的能耗差距[4]，研究人員正尋求更先進(jìn)的方法描述建筑中人的用能行為[5]，基于主體的建模的方法為與用能行為相關(guān)的建筑模擬提供了新思路。Azar等[6]從主體建模角度考慮了由于人與環(huán)境的交互而可能導(dǎo)致的用能行為的變化，提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。劉佳靜等[7]通過(guò)主體建模技術(shù)構(gòu)建了人員移動(dòng)行為和動(dòng)作行為模型，量化了用戶行為對(duì)用電設(shè)備的影響。

現(xiàn)探討用能行為和基于主體建模的內(nèi)容，歸納了主體建模應(yīng)用于建筑模擬的研究現(xiàn)狀以及將用能行為模型與建筑模擬耦合的幾種方法，指出該領(lǐng)域的重點(diǎn)與難點(diǎn)，為建筑模擬和建筑運(yùn)行管理研究拓寬思路。

1 用能行為的研究?jī)?nèi)容

用能行為研究可以為建筑設(shè)計(jì)和節(jié)能政策的制定指明方向，而目前的建筑設(shè)計(jì)和建筑運(yùn)營(yíng)往往缺乏對(duì)用能行為的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致建模和分析過(guò)程的過(guò)度簡(jiǎn)化[8]。建筑用能行為具有隨機(jī)性、復(fù)雜性并涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域[9-10]。建筑領(lǐng)域的用能行為研究的框架如圖1所示[11]，人的行為涉及建筑能耗及環(huán)境模擬和建筑設(shè)計(jì)方法。人的行為的影響因素可以分為與心理感知、行為偏好和經(jīng)濟(jì)文化有關(guān)的內(nèi)部因素，以及與氣象條件、室內(nèi)環(huán)境和建筑類型有關(guān)的外部因素[12]。

圖1 建筑領(lǐng)域用能行為研究的框架[11]

隨著對(duì)建筑用能行為的深入研究，與用能行為有關(guān)的相關(guān)參數(shù)可以分為能耗、熱舒適、聲舒適、健康程度和空間規(guī)劃等。人的行為可以分為移動(dòng)行為和動(dòng)作行為[13]。人的移動(dòng)行為具有規(guī)律性、隨機(jī)性和時(shí)間與空間上的自相關(guān)性[14]，相關(guān)模型有固定作息模型[15]和蒙特卡洛模型[16]。人員動(dòng)作行為的基本類型和特點(diǎn)如表1所示，相關(guān)模型有固定作息模型[17]、閾值模型[18]、邏輯回歸模型[19]、基于主體建模(agent-based modeling，ABM)模型[20]等。

表1 人員動(dòng)作行為的基本類型和因素

2 基于主體建模的介紹

基于主體建模技術(shù)采用“自底向上”的建模思路，可以將現(xiàn)實(shí)世界中的對(duì)象抽象為主體(agent)并賦予其固有的屬性和交互規(guī)則，進(jìn)而描述整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化[24]，基于主體建模的三大核心要素是主體、環(huán)境和規(guī)則。主體可具備多重屬性并能自主地處理環(huán)境中所發(fā)生的事件，環(huán)境是不同主體的交互空間，包括地理信息環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)形式的社會(huì)環(huán)境；規(guī)則是主體與主體或環(huán)境之間的交互機(jī)制[25-26]。基于主體建模的方法已被廣泛應(yīng)用于模擬交通[27]、行人運(yùn)動(dòng)[28]和人員疏散[29]等場(chǎng)景。

基于主體建?？梢允褂貌煌膹?fù)雜系統(tǒng)建模軟件工具，如Swarm[30]、Repast[31]、Netlogo[32]和Anylogic[33]等，從開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、運(yùn)行速度和調(diào)度機(jī)制等方面對(duì)相關(guān)建模軟件的對(duì)比如表2所示。

表2 復(fù)雜系統(tǒng)建模軟件對(duì)比

與其他建模技術(shù)相比，基于主體建模方法將微觀主體與宏觀數(shù)學(xué)有效地結(jié)合在一起，可以模擬非線性的、離散的主體之間的交互作用，不僅具有模塊化和靈活性[34-36]，還能體現(xiàn)出主體的自主性和異質(zhì)性，有效解決了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以刻畫(huà)的現(xiàn)實(shí)世界中的不確定性的難題，為能耗模擬和節(jié)能政策的制定提供新的思路。

3 基于主體建模的用能行為研究

基于主體建模的思想在建筑模擬領(lǐng)域適用于與環(huán)境參數(shù)和時(shí)間參數(shù)有關(guān)的驅(qū)動(dòng)行為的研究[37]，以描述不確定的行為因素對(duì)建筑環(huán)境及能耗的影響[38]?；谥黧w建模的用能行為的模擬流程如圖2所示[35]，構(gòu)建人員行為模型和成本函數(shù)可以刻畫(huà)人員感知、思考和行動(dòng)相關(guān)的行為決策，進(jìn)而完成主體之間的學(xué)習(xí)與交互過(guò)程，影響建筑環(huán)境和能耗變化，該變化的結(jié)果會(huì)反饋于人員的行為決策，仿真模型經(jīng)過(guò)多次模擬及校準(zhǔn)驗(yàn)證后，可在一定程度上提高模型的準(zhǔn)確度。

圖2 基于主體建模的用能行為的模擬流程[35]

近年來(lái)，關(guān)于基于主體建模的用能行為研究概述如表3所示。用能行為對(duì)建筑能耗及環(huán)境有著深刻影響，人的行為的屬性涉及多個(gè)學(xué)科，如生理學(xué)[39](對(duì)特定熱環(huán)境的偏好)和心理學(xué)[40-41](對(duì)特定行為的偏好)等；環(huán)境及能耗模擬多依賴于傳統(tǒng)的建筑模擬軟件；而主體與環(huán)境之間的交互往往使用主體行為模型和建筑模擬軟件的耦合來(lái)表述。

基于主體建模的用能行為研究根據(jù)建筑類型可分為辦公建筑和居住建筑，其規(guī)?？蓮膯我环块g擴(kuò)充到群體建筑。借助不同學(xué)科理論知識(shí)和主體建模軟件可以模擬建筑內(nèi)人員的自適應(yīng)行為[39,42-43]、人員用能行為對(duì)建筑能耗及環(huán)境的影響[7,44-47]以及節(jié)能策略對(duì)人員行為和意識(shí)的變化[35,44,48]。

除少數(shù)案例外[47,49-50]，ABM模型一般不會(huì)直接用以表示環(huán)境變化，EnergyPlus和DesignBuilder是ABM模型應(yīng)用最廣泛的建筑模擬軟件，用能行為數(shù)據(jù)的獲取主要是通過(guò)建筑中的人員調(diào)研和訪談的方式，借助直覺(jué)控制理論、DNA理論等對(duì)人的感知和行為進(jìn)行表征，以文本文件形式輸入至建筑模擬軟件中[48]。

4 用能行為模型與建筑模擬的耦合

主體建模軟件和建筑模擬軟件的算法和界面不盡相同，用能行為模型與建筑模擬的方法主要有以下4類。

第一類方法是在建筑模擬軟件中直接定義人員行為時(shí)間表或人員行為模型。例如美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(ASHRAE)為不同類型的建筑提供了時(shí)間表用于建筑設(shè)計(jì)和模擬。部分建筑模擬軟件內(nèi)置了確定性或隨機(jī)模型[55-56]，如DeST軟件中內(nèi)置的人行為模塊[57]，軟件中內(nèi)置的模型包括人員的移動(dòng)模型、設(shè)備控制模型。

第二類方法是將某一模型所得出的結(jié)果輸入到另一模型中實(shí)現(xiàn)兩種模型的耦合仿真。孫禹等[58]將建筑房間信息、設(shè)備運(yùn)行信息以及人員行為規(guī)則信息輸入到主體建模軟件中建立多主體模型來(lái)預(yù)測(cè)人員行為對(duì)建筑能耗的影響。Handi[39]等通過(guò)EnergyPlus和NetLogo軟件模擬不同熱和照明偏好的居住者對(duì)室內(nèi)環(huán)境的自適應(yīng)行為。陳淑琴[34]等將居民劃分為三種類型并定義各類人員的在室規(guī)律和行為規(guī)則建立多主體模型來(lái)模擬居住建筑的空調(diào)隨機(jī)用能行為。孫紅三等[59]利用基于Web的應(yīng)用程序，為每個(gè)主體或空間生成CSV和IDF文件形式的時(shí)間表用于建筑環(huán)境模擬。該程序使用馬爾可夫鏈模型來(lái)模擬建筑物內(nèi)的人員的存在和移動(dòng)，生成可用于建筑環(huán)境和能耗模擬的時(shí)間表捕獲人員行為的復(fù)雜性和多樣性，計(jì)算其對(duì)建筑性能的影響。

第三類方法是通過(guò)編程的方式將用能行為模型連接到建筑模擬軟件的外部模擬器進(jìn)行耦合仿真。Gunay等[60]開(kāi)發(fā)了一個(gè)OpenStudio庫(kù)將人行為模型應(yīng)用到了EnergyPlus中，為人行為在建筑領(lǐng)域的模擬提供了更大的靈活性。Menassa等將DOE-2與Anylogic耦合在一起，模擬辦公建筑中的人員用能行為的反饋機(jī)制對(duì)節(jié)能行為的影響。Lee等[35]和Langevin等[61]借助BCVTB構(gòu)架和MLE+將MATLAB編程的ABM模型與建筑模擬仿真軟件EnergyPlus耦合模擬辦公人員熱舒適和自適應(yīng)行為。用能行為模型與能耗模擬軟件耦合流程如圖3所示[35]。EnergyPlus可以運(yùn)行用戶編寫(xiě)的自定義代碼并覆蓋軟件的計(jì)算，MATLAB與EnergyPlus信息通過(guò)執(zhí)行給定的BCVTB文件進(jìn)行交換，交換的流程為EnergyPlus模擬建筑熱環(huán)境并將其作為信息傳遞到MATLAB中的ABM模型中，以此預(yù)測(cè)各主體的用能行為，并將結(jié)果進(jìn)行匯總傳遞回EnergyPlus中，此過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直到模擬時(shí)間結(jié)束。

圖3 用能行為模型與能耗模擬軟件耦合流程[35]

第四類方法是利用可拓展語(yǔ)言在模塊化組件上實(shí)現(xiàn)用能行為與建筑模擬的協(xié)同仿真[62]。obXML和obFMU是根據(jù)IEA EBC Annex 66開(kāi)發(fā)的人員行為建模工具[63]。obXML作為一種建立在DNAS主體之上的XML形式的人員行為研究可拓展的標(biāo)記語(yǔ)言，可以完成用能行為模型在不同建筑模擬軟件和不同應(yīng)用程序之間的信息交換。obFUM是一個(gè)以FUM形式表示的模塊化組件。用能行為與建筑能耗的模擬的流程主要是通過(guò)obFMU讀取以obXML形式表示的人員行為模塊與建筑模擬軟件實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真。目前該方法可以與EnergyPlus和ESP-r[64]一起使用實(shí)現(xiàn)建筑人員用能行為的建筑能耗模擬，obFUM與EnergyPlus集成的流程如圖4所示[65]。

5 存在的問(wèn)題與展望

5.1 存在的問(wèn)題

(1)過(guò)度簡(jiǎn)化主體行為影響?，F(xiàn)有建筑模擬軟件更重視氣象參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等物理參數(shù)的設(shè)定，降低建筑能耗的主要途徑是改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能或提高建筑內(nèi)用能設(shè)備的效率，用能行為對(duì)建筑環(huán)境及能耗的影響卻被過(guò)度簡(jiǎn)化或忽略[4]。建筑環(huán)境促使室內(nèi)人員調(diào)整自身的用能行為的同時(shí)，室內(nèi)人員的行為也會(huì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生影響。人為了尋求舒適的室內(nèi)環(huán)境會(huì)動(dòng)態(tài)改變自身用能行為，例如門(mén)窗、照明燈具的開(kāi)啟狀態(tài)、衣物的調(diào)整行為以及向建筑管理者報(bào)告有關(guān)不適等[6]。用能行為的研究方法多是構(gòu)建概率模型或者時(shí)間序列模型，忽略了人員行為與環(huán)境、心理、社會(huì)等因素，導(dǎo)致了建筑設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)階段在能源消耗和舒適設(shè)置方面的預(yù)測(cè)差距[66]。

(2)缺乏主體行為的量化性數(shù)據(jù)?；谥黧w建模的用能行為模擬需要基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化校準(zhǔn)和敏感性分析，但在模型構(gòu)建過(guò)程中經(jīng)常缺乏關(guān)于主體及環(huán)境的詳細(xì)信息，因此需要收集涵蓋主體(人口、文化、時(shí)間、年齡、性別)和環(huán)境(建筑類型、氣象條件)相關(guān)的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和建筑能源消耗的大數(shù)據(jù)并建立一系列的假設(shè)。找到具有代表性的樣本并加以推廣對(duì)于行為研究至關(guān)重要，但由于隱私和數(shù)據(jù)保護(hù)問(wèn)題，數(shù)據(jù)采集工作仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)[67]。

室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和人員行為數(shù)據(jù)作為用能行為模型的關(guān)鍵性輸入?yún)?shù)，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)研或安裝傳感器的方式采集往往會(huì)出現(xiàn)“霍桑效應(yīng)”[68]，被測(cè)試人員在意識(shí)到自己被觀察后會(huì)改變或改善自己的行為特征，導(dǎo)致測(cè)量行為與實(shí)際行為產(chǎn)生偏差，影響用能行為模型的準(zhǔn)確性。

(3)缺乏行為模型和建筑模擬的集成性研究。不同建模工具需要同時(shí)運(yùn)行不同程序編碼語(yǔ)言和協(xié)議，但用能行為和建筑能耗模擬的統(tǒng)一的描述標(biāo)準(zhǔn)和通用數(shù)據(jù)接口的研究較少，導(dǎo)致主體建模的軟件和建筑模擬軟件的集成性成為該領(lǐng)域的一大重點(diǎn)與難點(diǎn)。另外，目前將用能行為模型應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)中去的實(shí)際案例較少，設(shè)計(jì)師和建筑管理人員缺少建筑內(nèi)人員的用能行為特征信息，難以利用行為模型對(duì)新建建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)[61]。

5.2 未來(lái)的研究方向

(1)更多跨學(xué)科性質(zhì)的用能行為研究。由于用能行為研究跨多學(xué)科領(lǐng)域，目前仍缺乏統(tǒng)一的語(yǔ)言和方法對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行度量與比較。除建筑類型和人口統(tǒng)計(jì)的相關(guān)變量外，還需全面考慮與人員行為相關(guān)的心理及社會(huì)因素。ABM模型對(duì)于主體及環(huán)境的屬性和交互規(guī)則具有很強(qiáng)的依賴性，人的行為往往離不開(kāi)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)散，尤其是對(duì)于商業(yè)建筑而言，現(xiàn)有研究仍缺少群體行為的關(guān)注，例如了解在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中個(gè)人和群體的動(dòng)機(jī)、滿意度或生產(chǎn)力之間的關(guān)系與影響。由于收集經(jīng)驗(yàn)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的成本較高，有必要對(duì)人的行為進(jìn)行縱向研究，并結(jié)合社會(huì)學(xué)科和經(jīng)濟(jì)學(xué)科利用計(jì)劃行為理論、效用函數(shù)等對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化描述，以更好地了解不同類型的人的決策行為。

(2)更深入的用能行為表述方法。結(jié)合多學(xué)科研發(fā)專門(mén)的仿真建模技術(shù)、仿真工具和案例研究并集成到建筑環(huán)境與能耗模擬軟件中，用以捕捉用能行為的復(fù)雜性和多樣性并計(jì)算其對(duì)建筑性能的影響?？梢跃C合人類感知、習(xí)慣和行為的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)知識(shí)，利用統(tǒng)計(jì)分析程序、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)處理數(shù)據(jù)，從大數(shù)據(jù)流中自動(dòng)提取有效、新穎、潛在有用的行為描述，進(jìn)而賦予主體更高的學(xué)習(xí)能力。

(3)更靈活的行為模型與建筑模擬的集成方法。隨著不同建筑模擬軟件的普及和建筑的幾何性的復(fù)雜程度不斷提升，有必要在主體建模軟件與建筑模擬軟件集成開(kāi)發(fā)的過(guò)程中定義良好的軟件接口和結(jié)構(gòu)來(lái)建立統(tǒng)一的描述框架，提高模擬的靈活性和準(zhǔn)確度，避免聯(lián)合仿真過(guò)程中出現(xiàn)的代碼沖突。在進(jìn)一步的研究中，可以探索能耗模型與用能行為模型之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)對(duì)多個(gè)軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的輸入與導(dǎo)出，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出用戶行為不同所導(dǎo)致的能耗變化并用于成本分析和建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。