綠色建筑空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能影響因素分析及驗證

陳瑋吉

(海南中電工程設(shè)計有限公司， 海南, ?？?570208)

0 引言

綠色建筑是一種通過節(jié)約能量和資源對環(huán)境進(jìn)行保護的建筑理念，也是一種能夠促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展的途徑。綠色建筑空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能方案主要是為了能夠減少人工冷熱源對室溫進(jìn)行控制，該方案在綠色建筑中得到多種方式的應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)中，綠色建筑空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)由于節(jié)能工作不到位，造成了能源的大量浪費。

文獻(xiàn)[1]針對建筑能量與環(huán)境系統(tǒng)的特點，構(gòu)建了建筑能量與室內(nèi)環(huán)境的有限元模型，并通過設(shè)定基準(zhǔn)方案進(jìn)行節(jié)能相關(guān)技術(shù)研究，最后提出不同遮陽方案優(yōu)化設(shè)計方案，雖然在一定程度上實現(xiàn)了建筑能量系統(tǒng)的優(yōu)化，但是該技術(shù)方案比較適應(yīng)青海高寒區(qū)，不具有普遍適應(yīng)性。文獻(xiàn)[2]中介紹了一種通過增加建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)來實現(xiàn)節(jié)能，該技術(shù)方案采用熵權(quán)法來確定指標(biāo)的權(quán)重，并構(gòu)建出綠色建筑節(jié)能設(shè)計方案模糊綜合評價模型，通過驗證，該技術(shù)方案的評價結(jié)果與實際情況基本符合，具有一定的技術(shù)進(jìn)步性，但是該技術(shù)方案可用于評價夏熱冬暖地區(qū)綠色建筑節(jié)能設(shè)計問題，難以實現(xiàn)全季節(jié)性綠色建筑節(jié)能問題。

針對于上述文獻(xiàn)在能耗優(yōu)化設(shè)計方面的缺點，本研究通過對室溫不同影響因素分別設(shè)計不同的解決方案[3]。

1 分析方案設(shè)計

在綠色節(jié)能建筑的研究中，其涉及到建造圖紙優(yōu)化、設(shè)備使用以及能源利用等多個方面。通過分析可以得出建筑室內(nèi)溫度變化的影響因素，總體方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體方案設(shè)計示意圖

由圖1可知，影響室內(nèi)溫度的因素主要可以分成室內(nèi)因素、建筑材料因素以及室外因素等，這三類影響因素在不同季節(jié)影響是不同的。在夏季由于室溫較高，需要建筑材料有較高的導(dǎo)熱效果和通風(fēng)效果，減少對太陽光的吸收；在冬季需要提高建筑材料的保溫效果，減少不必要的散熱，提高對太陽光的吸收作用。其中，對于室內(nèi)因素包含空調(diào)、地暖等通過對室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的設(shè)備以及其他能夠發(fā)熱的設(shè)備[4]；對于建筑材料因素，主要是采用低熱傳導(dǎo)的墻體材料，減少熱量的傳導(dǎo)，達(dá)到隔熱隔冷的效果，設(shè)計安裝合適數(shù)量和種類的門窗，控制熱量的傳導(dǎo)，并能夠合理完成通風(fēng)工作，對于外部墻體的吸光問題，在外部墻體中設(shè)計合適的結(jié)構(gòu)和涂料；對于外部因素主要有太陽對建筑照射產(chǎn)生的升溫作用以及由于外部氣體溫度對于建筑吸熱或?qū)嵩斐山ㄖ?nèi)部的氣體溫度過高或過低的問題。為了分析建筑熱量產(chǎn)生和傳遞的過程，本研究將建筑結(jié)構(gòu)分成室內(nèi)、墻體和室外三部分，其熱量產(chǎn)生和傳遞關(guān)系如圖2所示。

圖2 熱量產(chǎn)生與傳遞關(guān)系圖

由圖2可知，在建筑熱量傳遞過程分析中，其外部墻體受到太陽光照和長波輻射造成墻體升溫，同時墻體的溫度又會與大氣環(huán)境產(chǎn)生對流現(xiàn)象；建筑外墻的溫度對室內(nèi)墻體進(jìn)行熱傳輸；室內(nèi)環(huán)境中各種電器等產(chǎn)熱設(shè)備提高室內(nèi)溫度，空調(diào)對室內(nèi)溫度進(jìn)行控制，并且室內(nèi)氣體進(jìn)行對流使室內(nèi)溫度平均化[5-6]。

上述數(shù)據(jù)信息能夠通過多種方式表示出來，比如空調(diào)發(fā)熱、地暖等。本研究為了研究不同影響因素對建筑整體的能源消耗問題，并通過設(shè)計多種不同的設(shè)計方案在不同的影響因素上不同節(jié)能效果進(jìn)行分析，本研究將總體方案劃分為數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)分析層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層。在數(shù)據(jù)分析層中，構(gòu)建建筑熱量傳導(dǎo)模型、空調(diào)運轉(zhuǎn)模型等其他數(shù)學(xué)模型。通過不同的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)空調(diào)運行分析，下面將詳細(xì)進(jìn)行描述。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1 建筑內(nèi)部因素分析及優(yōu)化

在構(gòu)建該數(shù)據(jù)模型時，充分考慮了空調(diào)和地暖兩種形式熱源，在空調(diào)運行中，其主要的能量消耗為壓縮機的轉(zhuǎn)動，所以空調(diào)的模型可以通過壓縮機的電氣特性表示，其中空調(diào)真實運行功率情況如式(1)：

Pchiller=(Qnom·COPnom·Tempadj)·PLRadj

(1)

將空調(diào)制冷系統(tǒng)分成冷凝機、蒸發(fā)機和壓縮機三個耗能單元并進(jìn)行分析，在式(1)中Qnom表示設(shè)計的該類空調(diào)設(shè)計的額定制冷量，COPnom表示該類空調(diào)所設(shè)計的額定制冷效率，Tempadj表示空調(diào)能夠進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的范圍，PLRadj表示對空調(diào)設(shè)計的額定功率正常運行的修正系數(shù)，ai和bi表示系統(tǒng)的負(fù)荷修正系數(shù)和溫度回歸系數(shù)?？照{(diào)工作狀態(tài)和設(shè)定溫度之間的關(guān)系式如式(2)：

(2)

其中，1表示吸熱作用，0表示放熱作用。室內(nèi)溫度變化特性曲線如圖3所示。

圖3 室溫變化曲線

通過對建筑室內(nèi)溫度測量，使建筑室溫在較小溫度區(qū)間進(jìn)行波動，空調(diào)的壓縮機可以進(jìn)行間歇式工作，在待機狀態(tài)將減小能耗問題。由于該項技術(shù)受到空調(diào)壓縮機功率和建筑內(nèi)部溫度變化情況的影響，其節(jié)能效率在20%～50%左右。

排氣熱量回收技術(shù)通過利用應(yīng)排出室外的氣體熱量對吸進(jìn)來的氣體進(jìn)行預(yù)處理，使該氣體的溫度升高(降低)，以此減小冷熱源的工作時間，降低能耗[7]。本研究針對常見的全熱回收和顯熱回收技術(shù)進(jìn)行研究，并針對不同的回收效率進(jìn)行比較，其測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 排氣熱能回收數(shù)據(jù)

由圖4可知，不同的熱量回收效率下，其全熱回收的節(jié)能效率都比進(jìn)行顯熱回收的高10%左右，并且提高熱能的回收效率可以提高節(jié)能的效率，但是提高熱能回收效率的成本會隨著效率的提高而快速增加，因此需要考慮成本問題，合理選用。

2.2 建筑材料及室外因素分析

建筑熱傳遞模型主要是為了表現(xiàn)建筑內(nèi)外進(jìn)行熱傳遞的過程，本研究采用等效熱參數(shù)建立模型，其建立的建筑內(nèi)外的溫度動態(tài)變化的一階模型如式(3)：

(3)

通過對式(3)進(jìn)行變換可以得出式(4)：

(4)

式(4)為建筑內(nèi)部溫度、建筑外部溫度以及冷熱源吸收或放出的熱量所構(gòu)成的能量守恒等式。通過對建筑熱傳遞模型進(jìn)行分析，本研究在該方面主要在墻體的熱傳導(dǎo)系數(shù)、窗墻比以及遮陽措施這三個方面進(jìn)行研究，分析其對能耗問題的影響。

在建筑建設(shè)中所選取的墻體的熱傳導(dǎo)系數(shù)決定著建筑室內(nèi)溫度對外界溫度的影響關(guān)系，為驗證建筑熱傳導(dǎo)系數(shù)對能耗的影響，本研究所選取的熱傳導(dǎo)系數(shù)(K值)如表1所示。

表1 建筑熱傳導(dǎo)數(shù)據(jù)

控制建筑建設(shè)其他條件不變，改變建筑的熱傳導(dǎo)系數(shù)，模擬分析其能耗問題，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同K值能耗模擬結(jié)果

由圖5可知，本研究通過將基準(zhǔn)方案所選取的K值與增加10%、減小10%、減小40%的K值進(jìn)行比較，其全年總的運行耗能并沒有較大變化。由于提高建筑的K值可以減小冬天對于產(chǎn)熱所消耗的能量，但因為隔熱效果好，所以夏季需要更多的制冷能量消耗；當(dāng)K值減小是其夏季制冷的能耗減小了，但是其冬季需要制熱所需的能耗將會增加，因此需要選取合適的K值能夠同時考慮冬季的保溫和夏季的散熱問題。

在建筑建設(shè)中減小窗戶與墻體面積的比值可以減小在夏季陽光通過窗戶照射進(jìn)房間的熱量，同時由于墻體比例的增加可以減小在冬季散發(fā)出去的熱量。當(dāng)該建筑的窗墻比由70%減小到40%時，該建筑由于室內(nèi)外溫差因素所造成的能量損耗將減小75%，由于窗戶比例的減小，其通過窗口照入室內(nèi)的能量將減小70%。通過不同比例的窗墻比來模擬分析建筑的能耗情況如圖6所示。

圖6 不同窗墻比的模擬結(jié)果

由圖6可知，其他條件不變，當(dāng)該建筑的窗墻比由40%提升到70%時，其中建筑夏季制冷能耗僅有增加不到1%，但是其建筑冬季制熱能耗提升10%以上，因此合理降低建筑的窗墻比可以降低該建筑的全年總運行耗能。因此在對降低窗墻比可以產(chǎn)生節(jié)能效果，尤其是在夏季的可以產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果。

為研究遮陽設(shè)施種類和方法的節(jié)能效果，本研究設(shè)計在建筑各個方向設(shè)計70%的窗墻比，并根據(jù)采用遮陽方式不同分成4組進(jìn)行實驗，其中第1組采用可進(jìn)行調(diào)節(jié)的百葉窗進(jìn)行遮陽，第2組采用水平固定的遮陽板，第3組采用局部固定的橫放百葉窗進(jìn)行遮陽，第4組采用垂直的遮陽板進(jìn)行遮陽，4種遮陽設(shè)計方案數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 遮陽措施數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

由表2可知，本研究設(shè)計的4種設(shè)計方案中都選擇外挑長度為0.6 m，其中遮陽的葉片寬度分別為0.3 m和0.7 m兩種，并通過在建筑的4個方向安裝遮陽設(shè)備，分別模擬全年能耗，其數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖如圖7所示。

圖7 遮陽情況下能耗統(tǒng)計圖

由圖7可知，采用方案1利用可調(diào)節(jié)的百葉窗可以更好地提高節(jié)能效果，通過這種方式其全年由于日照所產(chǎn)生的熱量將減小50%以上，其節(jié)能效果將提升7%以上。

3 試驗結(jié)果與分析

為了研究本研究設(shè)計的節(jié)能方案的效果，對空調(diào)的能耗進(jìn)行評估，并通過將《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2005)中設(shè)計的基準(zhǔn)方案的能耗進(jìn)行比較，分析本研究設(shè)計方案的節(jié)能效果[8]。在本次實驗中所選取的計算機模擬環(huán)境為選用Windows 10作為操作系統(tǒng)平臺，設(shè)置計算機內(nèi)存為32G，Intel Xeon W-2145 CPU 3.70 GHz，本次模擬仿真實驗的軟件選取MATLAB 7.0軟件。

為了分析空調(diào)能耗模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化，本研究利用遺傳算法對空調(diào)能耗模型進(jìn)行處理，該空調(diào)能耗優(yōu)化模型經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化，可以得出每代最優(yōu)化適應(yīng)度圖像如圖8所示[9-10]。

圖8 每代最優(yōu)化適應(yīng)度圖像

在本次優(yōu)化中適應(yīng)度函數(shù)和初始數(shù)據(jù)如式(5)：

(5)

通過式(5)所選擇的適應(yīng)度函數(shù)和初始數(shù)據(jù)可以得出其需要優(yōu)化變量如式(6)：

(6)

經(jīng)過遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)處理，可以得出采用其最大適應(yīng)值為0.384 2，對應(yīng)于此處的空調(diào)能耗為369.48 kW。

通過對上述技術(shù)設(shè)計進(jìn)行分析，把每種節(jié)能設(shè)計綜合的設(shè)計方案與基準(zhǔn)方案進(jìn)行比較，其中本研究優(yōu)化方案采用的措施如表3所示。

本研究通過采用如圖3所選取的節(jié)能設(shè)備與基準(zhǔn)方案進(jìn)行實驗，并統(tǒng)計在每個月份的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖像如圖9所示。

圖9 能耗統(tǒng)計圖像

由圖9可知，通過采用本研究設(shè)計的方案所建設(shè)的綠色建筑其全年可節(jié)約50%以上的能耗。

4 總結(jié)

綠色建筑空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能方案主要是為了能夠減少人工冷熱源對室溫進(jìn)行控制，完成對節(jié)能方案的設(shè)計，本研究把對室溫的影響因素分成室內(nèi)因素、建筑材料因素和室外因素三種，本研究通過對空調(diào)采用間歇式運行模式、熱量回收采用70%全熱回收、墻窗比為0.4并且在南面墻面采用方案1的這樣方案進(jìn)行節(jié)能處理。通過利用上述優(yōu)化所獲的設(shè)計方案，本研究通過將基準(zhǔn)方案和優(yōu)化方案全年的能量消耗進(jìn)行比較，可以得出采用優(yōu)化方案可以減小50%的能量損耗[11]。