近零能耗居住建筑室內濕環境調控仿真研究

孫 楊，李曉晨

(長春工業大學人文信息學院，吉林 長春 130122)

1 引言

近年來，隨著全球氣溫變化形式越來越嚴峻，傳統化石能源日益匱乏以及社會環境壓力越來越大的情況下。建筑能源消耗和環境控制問題越來越引起世界各個國家的關注。建筑設計的過程中新型能源的使用以及新概念建筑設計思想越來越被得到各國建筑設計與能源部門和研究學者的重視。于此同時，在如何降低能源消耗的同時，并且提高整個建筑環境舒適度的情況下完成整個建筑的綠色設計對建筑能源和環境控制系統提出了新的要。在此背景下，NZEBs(近零能耗)建筑設計的理念應運而生，同時也是世界各國在建筑設計和建筑能源消耗領域技能的一個極其重要的發展趨勢。在進行近零能耗建筑設計的過程中，NZEBs首先強調以目標建筑的環境性能指標為最終的設計導向，同時NZEBs更加注重整個建筑在氣候、溫濕環境、空間環境、氣流交互等人體居住環境的適應性。在實現優雅舒適的室內環境的調控過程中，NZEBs首先以傳統被動式建筑設計理念為基礎來最大程度降低整個建筑在供暖、空氣交互、空調、空氣凈化消耗、照明等日用基本需求；其次，NZEBs采用主動能源控制技術最大程度空間條件下來提高整個建筑中各個建筑能源設備與整個能源系統的工作效率。在此基礎上，NZEBs系統充分利用光伏、熱能等現代綠色可再生能源，從而達到整個建筑系統消耗最少的能源、提供最佳的優雅舒適環境的使用要求。

當前，現代社會經濟的快速發展，關于NZEBs建筑設計得到了很多學者的研究。其中，湯晟怡[1]等作者探討了建筑室內濕環境指標與建筑新風量指標之間的關聯性進行了探討。首先，在進行探討兩者之間的關聯性時，文章從建筑室內空氣的濕度指標這一健康關聯因素作為研究的為切入點；其次，文章以溫濕度環境在30%

綜合可以看出，目前關于近零能耗建筑研究的過程中都是基于目前現有的開源軟件進行建筑能耗分析，而關于能量消耗最優的情況卻少之甚少；其次，在分析的過程中研究人員很少對整個建筑的能耗模型進行數學建模等，僅僅是根據目前的建筑模型進行分析。因此，本文提出了一種基于能量消耗最優的近零能耗建筑建模與仿真方法。該方法主要從建筑的能量消耗理論建模為切入點，研究以能量消耗最優為目標的設計方法。從而為整個建筑系統提供更為可靠的理論設計模型。

2 建筑模型設計

在對近零能耗室內建筑進行建模的過程中，以我國目前比較典型的商務辦公室內環境為例進行建模。由于本論文主要研究室內濕環境調控方案與仿真，因此在建模模擬的過程中將辦公面積(10m*10m*10m)的立體空間V，中央濕環境調控系統功率P，室內空氣密度ρair，室內通風面積S，室內人員密集程度ρpeo等因素作為動態因素進行考慮。

為了能夠更好的說明本文提出模型的普遍適用性，文章分別對我國的不同的氣候區域的典型城市進行仿真，主要包括嚴寒地區的哈爾濱、寒冷地區的北京、四季溫和地區昆明、夏熱冬冷地區上海以及夏熱冬暖地區深圳等地作為主要仿真對象。

2.1 室內建筑濕度計算原理與建模

結合上述影響室內建筑濕環境調控的設計因素，構建模擬室內環境變化的濕環境平衡方程如下

(1)

(2)

其中，κ為中央濕環境調控系統工作功率調控比例系數。

(3)

其中，ξ為模型中室內人員對室內濕環境調控的比例系數。

2.2 建筑室內濕環境風險評判標準

近零能耗建筑室內濕環境的合適與否直接影響室內各種微生物、細菌滋生程度，從而直接影響室內工作人員的健康狀況，建筑室內濕環境過高、過低都會帶來一定的人員生活將抗風險。因此，本文結合當前濕環境與室內人員健康、微生物生存環境等等因素，將近零能耗建筑室內濕環境風險評判標準定義為如下表幾類：

表1 室內濕環境標準

如表1所示，不同室內適度環境對建筑室內人員的影響也不一樣；室內rh過大過小都會對人體帶來不適感，同時對室內微生物、細菌等滋生帶來條件。當建筑室內相對濕環境過高時，夏天會抑制人體散熱，使人感到十分悶熱、煩躁，冬天則會加速室內熱傳導，使人覺得陰冷、抑郁等情況，特別是對于深圳、上海等南方地區。相反，如果室內濕環境過低，對人體影響主要因為上呼吸道粘膜的水分大量散失，人會感到口干、舌燥，甚至咽喉腫痛、聲音嘶啞和鼻出血等，并且人容易患感冒，這些現象在尤其在北方特別嚴重。因此，良好的室內濕環境不僅可以讓人感到舒適，同時可以讓人身心愉悅。

3 基于最優控制理論的濕調控建模與仿真

為了使建筑內濕環境保持在一定的濕度范圍內，本文提出了基于最優控制理論的建筑室內濕環境控制系統，整個系統的控制結構如圖所示：

圖1 室內濕環境系統控制結構圖

采用最優控制理論來對建筑室內濕環境進行調控的過程中，首先定義室內濕環境狀態變量為X=[xrh，xp，xsw]，室內濕環境系統的調控的控制輸入為U*=[up，usw]。由于近零能耗建筑室內濕環境調控首要考慮的性能指標是系統的整體能耗，而整個系統的能耗主要是由于室內中央室內濕環境調控系統工作功率的大小up，以及室內通風環境控制率usw。同時，整個建筑室內濕環境控制過程中存在的約束條件為室內通風開關面積，以及中央濕環境控制系統額定功率。將約束條件轉換為數學模型如下公式

(4)

式(4)中PF表示中央濕環境控制系統額定功率；Swindow為室內濕環境通風控制窗口開關面積。

因此，定義關于室內濕環境控制系統能量消耗最小，以及終端濕環境指標誤差最小的指標函數為

(5)

式(5)中，xt0為室內濕環境控制系統初始狀態，xtf為室內濕環境控制系統濕環境目標終端狀態。

根據式(5)，建立關于J*的Hamiltonian方程為：

(6)

其中，f(x)為系統狀態函數；λ為拉個朗日乘子且λ表達式為

(7)

將式(5)對濕環境系統狀態變量x求一階偏導可得

(8)

根據式(8)可以得到系統的最優控制輸入為

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

根據式(5)和式(13)可得

(14)

(15)

式(15)進一步可得最優控制消耗表達式為

(16)

4 數字仿真與驗證

為了驗證整個系統建模與調控方法的有效性，本節論文將采用半物理驗證的方式來實時調整和模擬整個建筑系統濕環境調控。由于現實找到對應的測試建筑空間和搭建系統經費有限。在仿真的過程中將原來的室內空間體積按照10：1的比例尺進行等比例縮小，同時中央濕環境的模擬調控設備的最大功率為48W，濕環境交互面積也按照10：1的環境進行等比例縮小，其次測試空間內的人體密度為1。基于以上假設，半物理仿真平臺結構如下圖所示：

圖2 半物理仿真結構示意圖

首先在仿真之前，對系統濕環境控制傳感器進行標定，標定結果如下。

圖3 濕環境控制系統標定曲線

在仿真過程中通過桌面計算機分別給溫濕環境控制系統發送不同濕溫環境指標，可以得到如下系統濕溫環境變化曲線。

圖4 室內濕環境調控曲線

圖5 調控過程功耗變化曲線

結合圖4和5可以看出，系統在進行濕環境調控的過程中，系統可以迅速完成對目標濕環境指標的跟蹤，并且可以持續保持穩定。其次結合功耗曲線可以看出，系統在調控過程中功耗相對較大一些，同時在達到目標濕環境指標后，系統的功耗幾乎降低至0。從側面反映了系統的快速調節能力和低功耗調節能力。

5 結論

本文針對當前比較典型的近零能耗系統從能耗的角度進行了分析和建模。文章以辦公室內建筑為研究出發點，集合人體對室內濕控環境的感受程度，通過研究文章細分并定義了不同條件下的室內濕溫環境指標；其次，文章結合影響室內濕環境因素，對室內濕控環境進行了數學建模；然后，文章結合最優控制理論從能量消耗建立的以能量消耗最優的情況下建立的最優控制模型，同時結合動態規劃對系統最優控制進行求解。最后論文為了驗證系統模型的有效性，搭建了對應版的物理仿真驗證系統，同時進行了實際測試。通過測試結果驗證了本文建立模型的有效性。