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基于复杂系统视角的办公建筑用户用能行为模拟与节能策略研究

基于复杂系统视角的办公建筑用户用能行为模拟与节能策略研究

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作者：张家阳南京林业大学

学位级别：硕士

办公建筑能耗在公共建筑中占比最大,是公共建筑节能重点,由于办公建筑数量和面积的快速增长,同时也加剧了能源消耗,合理利用与有效管控办公建筑运行能耗是国家节能减排战略的重要环节。导致办公建筑能耗产生巨大差异的原因,除了建筑自... 详细信息

办公建筑能耗在公共建筑中占比最大,是公共建筑节能重点,由于办公建筑数量和面积的快速增长,同时也加剧了能源消耗,合理利用与有效管控办公建筑运行能耗是国家节能减排战略的重要环节。导致办公建筑能耗产生巨大差异的原因,除了建筑自身结构和能源系统外,用户用能行为同样是造成这种差异的不可忽视的因素。针对现有研究在用户用能行为对办公建筑的能耗影响、相关用户行为数据获取、用户用能行为仿真模型构建等方面存在的不足,提出以办公建筑用户用能行为作为主要研究对象,基于复杂适应系统理论并通过复杂系统仿真建模方法构建办公建筑用户用能行为及其产生能耗模型,从而针对现有办公建筑设置节能优化场景并提出相应节能策略。首先,本研究定义办公建筑能耗为建筑使用过程中的运行能耗,明确办公建筑中用户用能行为及其产生的建筑能耗系统,是一个典型的复杂适应系统,需要借鉴复杂适应系统理论及其方法,来研究办公建筑内用户用能行为特征以及产生的能源消耗问题。本研究基于大量参数的适应性主体,通过赋予办公建筑系统内用户主体相应的交互规则,建立办公建筑系统内环境、建筑设备与用户主体间的循环反馈和校正,从而凸显办公建筑系统的全局行为。本研究基于“状态的变化”,根据用户自身状态以及控制建筑设备运行状态的改变,将用户用能行为分解为用户移动行为和用户动作行为两类。总结办公建筑用户用能行为特征,包括规律性、随机性、复杂性和动态性。紧接着基于用户实体移动行为的动态过程,提炼办公建筑用户移动行为,定义各种移动行为概率分布函数表达,构建用户移动行为离散事件系统模型。基于问卷调查数据,通过二阶聚类分析,将用户根据不同类型的用能行为划分为绿色型、节约型、普通型和浪费型四类,在Any Logic软件环境中创建用户和设备智能体,并对各类智能体的状态进行参数化映射,构建用户动作行为多智能体模型。通过明确用能行为各主体交互规则,构建DES-MAS(Discrete Event System-Multi Agent System,DES-MAS)模型描述异质性的办公建筑用户用能行为系统。随后,本研究确定办公建筑能耗系统内容边界为包括环境、建筑、设备、用户及其用能行为四个方面,定义系统模型边界为内生变量、随机变量和确定性变量三种,分析办公建筑用户与环境交互构成的照明需求和降温需求两个反馈回路。绘制照明、电脑和空调能耗三个子系统存流量图,并在Any Logic仿真环境中定义系统动力学仿真模型变量要素。将DES-MAS办公建筑用户用能行为模型中自由定义的系统动力学变量和参数,作为驱动办公建筑能耗系统动力学仿真模型存流量状态发生变化的动力,构建完成基于复杂系统仿真的办公建筑多方法集成模型。设置仿真模型的数据导入和转换,其中包括数据层、主体层、配置层和表现层四个层次,通过参数映射,完成现实系统物理层到仿真模型系统层整体结构的搭建。最后,选取南京某高校办公建筑作为案例进行办公建筑用户用能行为复杂系统能耗仿真模拟。将Revit模型导入Any Logic仿真模型中完成模型场景的设置,基于问卷调查和现场观测完成用户用能行为参数设置,确定办公建筑各主体交互规则。选取2022年6月为仿真模拟时间计算案例办公建筑仿真能耗数据,通过对比实测数据,完成模型的合理性和有效性验证。依据系统仿真结果和实际能耗数据,照明和空调能耗在办公建筑能耗中占比超过80%。进一步分析能耗产生原因,发现通过改变用户用能行为,可以有效降低办公建筑能耗。通过分析办公建筑能耗影响因素,从人为因素出发(包括室内环境条件、建筑运行和维护、用户活动和行为),最终从节能设备改造、优化设备运行系统和节能管理工作以及强化组织干预和用户交互三个方面提出办公建筑节能优化策略。

关键词：用户用能行为办公建筑能耗复杂适应系统理论优化仿真模拟节能策略

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