綠色建筑空調通風系統節能影響因素分析及驗證

陳瑋吉

(海南中電工程設計有限公司， 海南, 海口 570208)

0 引言

綠色建筑是一種通過節約能量和資源對環境進行保護的建筑理念，也是一種能夠促進社會可持續發展的途徑。綠色建筑空調和通風系統節能方案主要是為了能夠減少人工冷熱源對室溫進行控制，該方案在綠色建筑中得到多種方式的應用。現有技術中，綠色建筑空調和通風系統由于節能工作不到位，造成了能源的大量浪費。

文獻[1]針對建筑能量與環境系統的特點，構建了建筑能量與室內環境的有限元模型，并通過設定基準方案進行節能相關技術研究，最后提出不同遮陽方案優化設計方案，雖然在一定程度上實現了建筑能量系統的優化，但是該技術方案比較適應青海高寒區，不具有普遍適應性。文獻[2]中介紹了一種通過增加建筑材料的導熱系數來實現節能，該技術方案采用熵權法來確定指標的權重，并構建出綠色建筑節能設計方案模糊綜合評價模型，通過驗證，該技術方案的評價結果與實際情況基本符合，具有一定的技術進步性，但是該技術方案可用于評價夏熱冬暖地區綠色建筑節能設計問題，難以實現全季節性綠色建筑節能問題。

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

1 分析方案設計

在綠色節能建筑的研究中，其涉及到建造圖紙優化、設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溫度變化的影響因素，總體方案設計如圖1所示。

圖1 總體方案設計示意圖

由圖1可知，影響室內溫度的因素主要可以分成室內因素、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熱效果和通風效果，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，對于室內因素包含空調、地暖等通過對室內溫度進行調節的設備以及其他能夠發熱的設備[4]；對于建筑材料因素，主要是采用低熱傳導的墻體材料，減少熱量的傳導，達到隔熱隔冷的效果，設計安裝合適數量和種類的門窗，控制熱量的傳導，并能夠合理完成通風工作，對于外部墻體的吸光問題，在外部墻體中設計合適的結構和涂料；對于外部因素主要有太陽對建筑照射產生的升溫作用以及由于外部氣體溫度對于建筑吸熱或導熱造成建筑內部的氣體溫度過高或過低的問題。為了分析建筑熱量產生和傳遞的過程，本研究將建筑結構分成室內、墻體和室外三部分，其熱量產生和傳遞關系如圖2所示。

圖2 熱量產生與傳遞關系圖

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境產生對流現象；建筑外墻的溫度對室內墻體進行熱傳輸；室內環境中各種電器等產熱設備提高室內溫度，空調對室內溫度進行控制，并且室內氣體進行對流使室內溫度平均化[5-6]。

上述數據信息能夠通過多種方式表示出來，比如空調發熱、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，并通過設計多種不同的設計方案在不同的影響因素上不同節能效果進行分析，本研究將總體方案劃分為數據管理層、數據分析層和數據應用層。在數據分析層中，構建建筑熱量傳導模型、空調運轉模型等其他數學模型。通過不同的數學模型實現空調運行分析，下面將詳細進行描述。

2 關鍵技術設計

2.1 建筑內部因素分析及優化

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

Pchiller=(Qnom·COPnom·Tempadj)·PLRadj

(1)

將空調制冷系統分成冷凝機、蒸發機和壓縮機三個耗能單元并進行分析，在式(1)中Qnom表示設計的該類空調設計的額定制冷量，COPnom表示該類空調所設計的額定制冷效率，Tempadj表示空調能夠進行溫度調節的范圍，PLRadj表示對空調設計的額定功率正常運行的修正系數，ai和bi表示系統的負荷修正系數和溫度回歸系數。空調工作狀態和設定溫度之間的關系式如式(2)：

(2)

其中，1表示吸熱作用，0表示放熱作用。室內溫度變化特性曲線如圖3所示。

圖3 室溫變化曲線

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

排氣熱量回收技術通過利用應排出室外的氣體熱量對吸進來的氣體進行預處理，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進行研究，并針對不同的回收效率進行比較，其測量結果如圖4所示。

圖4 排氣熱能回收數據

由圖4可知，不同的熱量回收效率下，其全熱回收的節能效率都比進行顯熱回收的高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建筑內外進行熱傳遞的過程，本研究采用等效熱參數建立模型，其建立的建筑內外的溫度動態變化的一階模型如式(3)：

(3)

通過對式(3)進行變換可以得出式(4)：

(4)

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

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

表1 建筑熱傳導數據

控制建筑建設其他條件不變，改變建筑的熱傳導系數，模擬分析其能耗問題，模擬結果如圖5所示。

圖5 不同K值能耗模擬結果

由圖5可知，本研究通過將基準方案所選取的K值與增加10%、減小10%、減小40%的K值進行比較，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出去的熱量。當該建筑的窗墻比由70%減小到40%時，該建筑由于室內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果

由圖6可知，其他條件不變，當該建筑的窗墻比由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生節能效果，尤其是在夏季的可以產生明顯的節能效果。

為研究遮陽設施種類和方法的節能效果，本研究設計在建筑各個方向設計70%的窗墻比，并根據采用遮陽方式不同分成4組進行實驗，其中第1組采用可進行調節的百葉窗進行遮陽，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行遮陽，第4組采用垂直的遮陽板進行遮陽，4種遮陽設計方案數據如表2所示。

表2 遮陽措施數據統計表

由表2可知，本研究設計的4種設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個方向安裝遮陽設備，分別模擬全年能耗，其數據統計圖如圖7所示。

圖7 遮陽情況下能耗統計圖

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

3 試驗結果與分析

為了研究本研究設計的節能方案的效果，對空調的能耗進行評估，并通過將《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2005)中設計的基準方案的能耗進行比較，分析本研究設計方案的節能效果[8]。在本次實驗中所選取的計算機模擬環境為選用Windows 10作為操作系統平臺，設置計算機內存為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。

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

圖8 每代最優化適應度圖像

在本次優化中適應度函數和初始數據如式(5)：

(5)

通過式(5)所選擇的適應度函數和初始數據可以得出其需要優化變量如式(6)：

(6)

經過遺傳算法進行尋優處理，可以得出采用其最大適應值為0.384 2，對應于此處的空調能耗為369.48 kW。

通過對上述技術設計進行分析，把每種節能設計綜合的設計方案與基準方案進行比較，其中本研究優化方案采用的措施如表3所示。

本研究通過采用如圖3所選取的節能設備與基準方案進行實驗，并統計在每個月份的能耗數據進行采集，其采集數據統計圖像如圖9所示。

圖9 能耗統計圖像

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

4 總結

綠色建筑空調和通風系統節能方案主要是為了能夠減少人工冷熱源對室溫進行控制，完成對節能方案的設計，本研究把對室溫的影響因素分成室內因素、建筑材料因素和室外因素三種，本研究通過對空調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的這樣方案進行節能處理。通過利用上述優化所獲的設計方案，本研究通過將基準方案和優化方案全年的能量消耗進行比較，可以得出采用優化方案可以減小50%的能量損耗[11]。