基于自然通風與空調聯合調節的混合冷卻系統綜述

謝富豪, 韓 杰, 李越銘, 林 翰, 張國強

(1.桂林電子科技大學 建筑與交通工程學院, 廣西 桂林 541004; 2.廣西路建工程集團有限公司， 南寧 530001；3.湖南大學 土木工程學院, 長沙 410082)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高, 空調已成為生產生活中不可或缺的部分。空調在改善室內熱環境和人體熱舒適的同時產生了許多不容忽視的問題: 一是空調普及使用導致能耗高。 2018年5月, 國際能源署(IEA)預測, 到2050年, 全球約2/3的家庭擁有空調, 空調的數量將從現在的16億臺增加到56億臺, 空調的電力需求預計增長2倍, 新增用電需求相當于當前美國、歐盟和日本發電能力的總和, 空調將成為未來30年電力需求的主要驅動力之一[1]; 2001—2017年, 中國建筑運行能耗總量及其電力消耗量均大幅增長[2]， 而當前建筑運行能耗主要為空調能耗; 二是相對密閉的空調環境導致室內空氣品質惡化, 由此引發的病態建筑綜合征嚴重影響居住者的健康; 三是空調間接消耗的化石能源和直接產生的溫室氣體都將加劇全球變暖。上述情況引起人們對空調使用模式的反思: 是完全使用空調營造人工環境, 還是盡可能使用自然通風? 在自然通風不能滿足時采用空調， 空調使用過程中是否一定與室外隔絕?使用者是空調環境的被動接受者還是主動調節的參與者[3]?

1 混合冷卻系統提出背景

空調最早用于工業, 目的是滿足生產的需要, 20世紀50年代開始用于民用建筑, 目的是滿足人的舒適性要求。通過對比20世紀50年代前后的商業和辦公建筑發現, 在空調產生之前的商業和辦公建筑大都通過開窗通風引入新鮮空氣和增加采光, 但是空調的出現改變了這一傳統運行模式。部分“高檔”的商業和辦公建筑為了節能, 取消窗戶的自然通風功能, 完全依靠空調或機械通風。 據國家統計局數據顯示[4], 2020年我國每百戶居民空調機擁有量為117.7臺, 幾乎每戶家庭都安裝了空調, 有的家庭甚至安裝了多臺空調, 但是由于缺乏相應的規范指導, 何時開/關窗和空調僅憑人的生活習慣或自我感覺。 這兩種空調使用行方式都會因為空調的使用不當導致能源浪費。

自然通風具有不消耗能源、 改善室內空氣品質、 提高熱舒適性等優點, 是一種經濟且節能的通風方式, 但不易調節和控制。對于空調/機械通風而言, 穩定可控是其主要優點, 但是能耗大且人群病態建筑綜合征發生率高[5]。為了充分發揮自然通風和空調或機械通風的優勢, 將自然通風與機械通風相結合的混合通風(hybrid ventilation)及與空調系統相結合的混合冷卻(mixed-mode cooling)應運而生。混合通風以改善室內空氣品質為主要目的, 將自然通風和機械通風相結合[6]。IEAANNEX35對混合通風進行了系統研究, 英國CIBSE出版了關于混合通風設計的手冊[7]。混合冷卻是以節能為主要目的, 當室外溫度低于室內溫度時, 室外風承擔部分或全部空調負荷, 它集成了自然通風不耗能和空調穩定可控的優點。通過混合冷卻和混合通風改善室內環境的建筑通常被稱為混合模式建筑(mixed-mode building), 設計良好的混合模式建筑全年或者全天都能采用自然通風, 僅當自然通風不能滿足需求時用空調補充, 在滿足人體熱舒適條件下減少空調使用時間、 節約成本[8]。人們對混合模式建筑的室內熱環境和空氣質量的滿意度高于其他類型建筑[9]。

混合冷卻的概念最初由Max Fordham和Partners提出并作為一種設計策略不斷修訂[5]。混合模式建筑通常根據其運行策略進行分類: 同時運行、切換運行和分區運行[8], 詳見圖1。混合冷卻模式并不是一項新的建筑運行模式, 在我國和其他一些亞洲國家(日本、泰國、馬來西亞等)也很常見, 如商業或辦公建筑在夏季使用空調, 過渡季節采用自然通風或者白天使用空調, 晚上采用自然通風; 居住建筑有的房間使用空調, 有的房間采用自然通風， 但是這一運行模式被認為是“低檔技術”, 逐漸被建筑師和工程師放棄, 取而代之的是“全時間、全空間”采用空調或機械系統的運行模式。我國高檔辦公建筑、賓館和住宅的數量逐年增加，若以這種全時間、全空間運行模式，空調或機械系統能耗將大幅度提高。因此, 為了降低建筑運行能耗, 有必要加強基于自然通風與空調聯合調節的混合冷卻系統的研究和推廣應用。

圖1 混合冷卻模式分類

2 混合冷卻系統的節能潛力

近年來, 研究者對混合冷卻系統的節能潛力、混合模式建筑熱舒適模型以及控制策略等領域進行了系統研究。混合冷卻系統與傳統的空調模式相比具有較好的節能潛力, 表1對各個國家不同城市混合冷卻系統的節能效率進行了歸納總結。可知, 不同城市、不同氣候類型下的混合冷卻系統的節能效率存在差異, 但是與傳統的空調模式相比總體上可以實現30%以上的節能。 節能數據的差異說明, 對于不同氣候區混合冷卻系統的設計需要當地的氣候和建筑數據作支撐。混合冷卻系統的節能潛力在住宅[19]和工業建筑[20-21]中也得到了證明。

表1 公共建筑混合冷卻系統節能效率

3 混合模式建筑的熱舒適模型

3.1 不同標準的熱舒適模型對比

目前, 用于預測建筑室內人體熱感覺的熱舒適模型主要為PMV模型和適應性模型。ANSI/ASHRAE 55—2017規定適應性熱舒適模型只能用于無機械冷卻系統的自然通風建筑[22]， 我國的《民用建筑室內熱環境評價標準》(GB/T 50785—2012)規定, 對采用人工冷熱源的建筑室內熱濕環境采用PMV模型[23]， 這兩者都意味著混合模式建筑只能被歸類為空調建筑并使用PMV模型來預測人體熱感覺。EN 15251—2007規定, 當混合模式建筑在自然通風的運行狀態下可以使用適應性熱舒適模型[24]。標準中的適應性模型公式對比見表2[25]。

表2 不同標準的熱適應模型對比[25]

標準中將建筑分為機械冷卻和自然通風建筑兩類, 但是混合模式建筑并非完全的空調建筑或完全的自然通風建筑。混合模式建筑需要根據不同季節或時段對空調和自然通風進行聯合調控以改善室內空氣質量和熱舒適, 模式切換的頻繁性和控制策略的復雜性造成的室內熱環境動態變化決定了傳統的適應性模型和PMV模型都不能很好地適用于混合模式建筑。Drake等證明穩態模型不足以描述混合模式建筑的熱舒適條件[26]， 因此標準中的熱舒適模型是否適用于混合模式建筑仍然存在一定的爭議[27]。

3.2 空調和自然通風運行時的單一適應性熱舒適模型

不同地區的混合模式建筑在不同運行模式下的單一適應性熱舒適模型對比如表3所示, 其中西班牙塞利維亞和英國拉夫伯勒2個地區的模型公式較為相似, 斜率相同, 只有截距有差別。分析可知, 兩國同屬歐洲, 冬季時間較長, 夏季溫度不高, 以采暖為主, 人們對溫度變化的敏感性相似, 但是兩國的氣候有差別, 這可能是截距有差別的原因, 模型公式的相似在一定程度上證明了歐洲混合模式建筑適用單一適應性熱舒適模型的觀點。Manu等[28]提出的模型公式在斜率和截距上與歐洲模型存在差別, 其研究數據基于印度5個代表城市的混合模式建筑, 屬于熱帶季風氣候和熱帶沙漠氣候; Barbadilla-Martin等[29]和Luo等[30]的數據分別基于西班牙和英國, 屬于地中海氣候和溫帶海洋性氣候, 氣候不同以及兩個地區的經濟發展水平和文化背景差異導致模型公式斜率的差別, 這也間接反映了不同地區人們對溫度變化敏感性的不同。

表3 單一適應性熱舒適模型對比

從適應性模型公式斜率可以發現, 國內外對溫度變化的敏感性有較大區別[25]。Parkinson等研究發現, 亞洲地區的中性溫度比西方國家高1～2 ℃[31]。當前我國針對混合模式建筑熱舒適模型的研究相對較少, 我國的氣候類型復雜多樣, 文化背景深厚, 混合模式建筑在不同運行模式下的單一適應模型與國外不同, 研究適用于我國混合模式建筑單一適應性熱舒適模型對混合冷卻系統的設計具有深遠意義。

3.3 空調和自然通風運行時的不同適應性熱舒適模型

Rupp等對巴西的混合模式建筑進行研究分析, 發現Manu等[28]和Barbadilla-Martin等[29]所提出的單一適應性熱舒適模型不適用于巴西[32]。部分學者提出, 應針對混合模式建筑不同運行模式使用不同的熱舒適模型。不同地區的混合模式建筑熱舒適模型見表4。當前國內外研究者對混合模式建筑的研究主要集中在氣候宜人的地區, 針對極端氣候地區的研究較少, 適應性熱舒適模型在混合模式建筑中的適用性在不同國家和氣候區都得到了證明。分析可知, 混合模式建筑熱環境的動態變化和室內熱舒適之間存在矛盾, 熱適應性理論表明: 環境發生變化，導致人們產生不適，人們的反應往往會恢復其舒適性。這一矛盾和原則說明， 若人們感到不舒適, 就采取行動提高舒適度[33-34], 且混合模式建筑室內的濕度、溫度、風速、空氣質量等都受到室外環境的影響, 因此穩態熱舒適預測不適用于混合模式建筑。混合模式建筑居住者可以通過生理適應、行為適應、心理適應3種方式來調整適應隨之變化的動態熱環境, 適應性理論能更好地適用于混合模式建筑。

表4 不同地區混合模式建筑的熱舒適模型適用情況

對比模型公式可知, 在自然通風模式下的模型公式存在著較大差異, 在空調模式下的公式斜率數值較小， 其主要原因在于各國的經濟發展水平和文化背景不同, 建筑個體也存在差異: 人們在通風模式下對溫度變化的敏感性存在較大不同, 導致自然通風模式下的模型公式的差異較大; 在空調模式下通常將窗戶關閉使室內與外界隔絕, 室內溫度受室外環境的影響小, 故空調模式下的公式斜率小。由于冬季長時間采暖, 室內環境相對封閉, Deng等針對自然通風結合地板送風系統的混合模式建筑提出冬季應使用PMV模型, 夏季用適應性熱舒適模型[35]。Luo等研究發現, 即使混合模式建筑處于空調運行時段, PMV模型的預測也偏離了實際熱感覺[36]。因此, 即使在冬季關窗使用空調或機械供暖的情況下, PMV模型也不一定適用于混合模式建筑, 混合模式建筑在冬季使用PMV模型的觀點存在爭議。

比較國內外混合模式建筑的熱舒適模型發現: 1)現行規范標準中的熱舒適模型還不能完全適用于混合模式建筑, 傳統的PMV模型在混合模式建筑中的適用性存在較大爭議, 適應性理論在混合模式建筑中的應用得到廣泛認可; 2)針對混合模式建筑在不同運行模式下采用不同的適應性熱舒適模型, 還是在不同運行模式下使用同一適應性熱舒適模型, 或者在空調模式下針對密閉的室內環境構建修正PMV模型, 仍需進一步探索研究; 3)由于不同地區的氣候、文化背景、經濟發展水平存在差異, 針對混合模式建筑所提出的適應性熱舒適模型存在較大區別; 4)我國對混合模式建筑熱舒適模型的研究仍處在個體案例的研究階段, 尤其是極端氣候地區的研究較少, 獲得我國混合模式建筑熱舒適模型需要對不同地區基礎數據庫進行補充完善。

4 混合模式建筑的控制策略

混合模式建筑控制策略的有效性直接決定自然通風在多大程度上替代空調從而實現節能, 居住者行為對建筑能耗的影響取決于控制策略[45]。Psomas等對哥本哈根的一棟住宅建筑進行監測， 研究發現主動和被動通風系統采用人工控制不能保證高質量的室內環境, 窗戶自動控制系統的使用可以顯著降低室內環境過熱風險并保證室內空氣質量[46]。Menassa等針對商業建筑開發了一種混合通風控制系統和運行調試方法, 證明了混合通風建筑在高效的控制系統下能顯著性地節能[47]。可見, 混合模式建筑控制策略的完善和研究具有重要意義。

4.1 控制策略劃分及簡單控制

混合模式建筑的控制系統可以根據自動化程度劃分為完全自動控制、半手動控制和手動控制[48]。目前, 我國的居民住宅采用分體式空調, “間歇性”運行模式, 控制策略處在手動切換階段。居民在沒有科學系統的指導下開/關窗和空調, 混合模式建筑的節能潛力未得到發揮, 甚至會出現能源浪費的情況。Cerri等研究發現, 混合模式教室中的CO2濃度與人們對引入新鮮空氣的認識程度相關, 開/關窗戶操作的指導對于保持健康的室內環境具有重要作用[49]。因此, 有必要制定開窗通風和空調聯合調控的操作手冊以指導人們科學地開/關窗和空調。半手動控制的混合模式建筑通過自動控制系統和居民手動調節聯合控制, 居住者根據系統的信號提示進行開/關窗, 但是人們對于信號的依從性低, 所營造的熱環境及節能效果較差[50]； 而完全自動化的控制模式抑制了居住者的自主性, 因此人工控制和自動控制的相對程度界定是混合模式建筑控制策略開發需要解決的首要問題[8]。

混合模式建筑普遍使用的自動控制策略為固定時間表或者基于簡單的規則。固定時間表控制根據居民上下班作息時間, 在固定的時間點、時間段進行空調和窗戶的自動化控制。基于簡單的規則即使用“if/then”語句, 如: 室外溫度為20～24 ℃時, 窗戶全開; 當室外溫度低于18 ℃時, 啟動機械供熱模式[51]。在四季分明的氣候地區, 簡單的控制策略可以對辦公樓、教學樓等具有規律性、重復性活動的公共建筑實現有效的控制。

4.2 模型預測控制

基于固定時間表和簡單規則的控制策略存在局限性, 缺少針對氣候和建筑特征的優化, 且這種“閾值型”控制需要參數達到某一限值時控制器才進行調節, 而建筑空調系統的傳熱延遲使得建筑環境改變具有大時滯性[52], 不能及時滿足人們的舒適期望。隨著智能控制理論的發展與完善, 針對混合模式建筑控制系統的非線性、不確定性、大時滯等特點, 模型預測控制、模糊控制、人工神經網絡等理論開始應用在混合模式建筑的控制策略中。

通過模型預測控制可以得到基于最小能耗目標的運行策略。當前國內外研究者提出的混合模式建筑的預測控制模型基本是以氣象數據作為輸入, 其輸出為對窗戶、風扇、空調、內墻通風口等進行協調控制, 在保證熱舒適的條件下節約能源, 模型預測控制可以實現良好的控制效果[53-56]。但模型預測控制也存在不足, 對建筑窗戶和空調進行控制的主要目的為滿足人的需求, 模型預測控制的輸入為客觀環境參數, 忽視了人對環境的主觀反饋。當預測控制模型考慮人與建筑的相互作用時, 可以得到更準確的能耗預測， 并實現更好的熱舒適[57]。人們對熱刺激的容忍度存在較大不同, 對氣候的適應性可以使空調系統的使用更加靈活, 從而節能[58]。因此, 混合模式建筑控制系統的設計應充分考慮居住者的主觀感受。

模糊控制理論以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理為理論基礎, 將人們生產生活經驗和專家知識作為控制規則來控制對象[59]。模糊控制理論可以對混合冷卻系統的控制難點(不確定性)進行處理, 并實現較好的人機結合。對于神經網絡理論在混合模式建筑控制策略的應用, Chen等驗證了神經網絡模型在計算速度、預測性能的優越性[60]。但是, 由于影響混合模式建筑控制環境的不確定因素多, 對模糊控制規則和神經網絡訓練提出了要求。在混合模式建筑控制系統中應用傳統的模糊控制框架使得模糊規則數增多, 造成模糊規則庫建立和維護成本高、難度大等問題; 神經網絡模型的可靠性需要通過訓練才可以實現, 隨著控制的精細化發展, 需要考慮隨機擾動成倍增長, 訓練也將成比例增加。因此, 這兩種理論在混合模式建筑控制系統中的實際應用仍存在困難, 需要繼續優化。

綜上所述, 當前對窗戶和空調的聯合調控模式仍處在手動切換階段, 混合模式建筑的自動控制策略主要為“閾值型”控制, 此類型控制未能解決建筑環境改變的大時滯性問題; 相比“閾值型”控制, 模型預測控制的效果更優, 但仍停留在實驗室的仿真模擬階段, 且存在很多局限性, 未能將人的主觀感受考慮其中, 在實際應用中窗戶和空調狀態受到各種不確定因素的影響, 模型的穩定性不能得到保障。

5 結論與展望

混合冷卻系統可以滿足居住者熱舒適并節能, 但是目前的設計指南和標準并不能滿足建筑師和工程師對混合冷卻系統的設計需求。要想從模擬中獲得更精確的結果, 設計出舒適節能的建筑, 首先要解決混合模式建筑的熱舒適評價問題, 其次完善混合模式建筑的控制策略。但是, 由于將自然通風作為與空調系統平等的環境調節手段, 而其預測和評價模型均與單獨的自然通風或者空調系統不同, 決定節能效率的控制策略仍需完善。

(1)與傳統空調模式建筑相比, 混合冷卻系統的節能效率能達到30%以上, 具體節能效率與氣候和建筑特征有關, 節能效率的影響因素需要進一步研究。

(2)適應性熱舒適模型在混合模式建筑中的適用性得到了廣泛證明, 現行標準中的熱舒適模型還不能完全適用于混合模式建筑, 不同地區的混合模式建筑熱舒適模型存在較大差異, 需要繼續補充區域基礎數據庫, 尤其是構建完善適用于我國混合模式建筑的綜合熱舒適評價體系。

(3)我國混合模式建筑的控制大部分都是基于人的感覺, 完全手動控制, 限制了混合冷卻系統的節能潛力。未來的研究應針對完全手動控制的混合模式建筑, 制定指導居民開/關窗和空調的操作手冊, 通過宣傳教育的方式普及節能知識, 優化居民的開/關窗和空調行為， 從而節能。

(4)基于簡單算法規則的“閾值型”控制策略實現簡單但是存在局限性。未來的研究應該在考慮建筑室內熱環境平衡條件下進行優化, 解決建筑環境改變大時滯性造成的人體熱不舒適問題。

(5)模型預測控制、模糊控制、人工神經網絡等理論在混合模式建筑中的應用研究結論多卻雜, 用于實際仍存在困難, 不同的控制策略各有優缺, 仍需繼續完善。針對模型預測控制策略, 應以人為本, 在客觀環境因素驅動控制的條件下充分考慮人的主觀反饋, 同時優化模型, 實現從仿真模擬到實際應用的轉化。

(6)當前對混合冷卻系統的研究主要針對城市的公共建筑, 而公共建筑與住宅的混合冷系統調節存在不同, 農村和城市的經濟發展水平、生活方式不同也會造成人們開/關窗和空調行為的差異, 有必要加強對村鎮混合模式住宅的研究。