建筑暖通設計及系統優化措施研究

袁于單

（貴州茅臺酒廠（集團）置業投資發展有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

目前，我國在社會經濟領域取得了顯著成績，經濟蓬勃發展，科學技術轉型也在不斷升級，在經濟和科技的雙重作用下，建筑行業迎來了巨大的發展機遇，也逐漸成為影響國民經濟發展的支柱產業[1]。隨著城市化進程的不斷推進和城鎮建設腳步的不斷加深，人們的物質生活和精神追求不斷提高，對建筑的實用性和舒適性的要求也在不斷提高[2]。在建筑工程的大系統中，建筑暖通是十分重要的一個環節，也是決定使用者舒適程度的關鍵因素，同時建筑暖通也是建筑使用期間能源消耗的最主要環節[3]。該文主要引入舒適度指標，并采用皮爾遜指數法進行衡量，在滿足人體舒適度需求的前提下，優化建筑暖通系統設計，以達到節約能耗并提高舒適度的目的，研究內容如下。

1 研究方法

1.1 舒適度指數

基于人體熱特征，通過人體的散熱機制來解決RC 熱網絡的生物生理學偏微分方程如公式（1）所示，在MATLAB中通過有限體積數值法即可求解公式（1）。

式中：r為人體各范圍半徑，是溫度變化的唯一維度；MR為靜代謝率；ρ1為人體內部密度，kg/m3；k1為人體內部導熱率；V1為人體內部體積，m3；ρ2、k2、V2分別為人體外部密度、導熱率以及體積等參數，其單位同上述；c3為血液在恒壓下的熱容；T1為人體內層溫度，℃；T2為皮膚溫度，℃。

其中有關人體參數及范圍見表1。

表1 人體熱特征

舒適度指標[4-5]是利用公式（1）計算所得人體生理參數確定室內溫度和相對濕度的動態管理方案，舒適度的皮爾遜指數如公式（2）所示。

式中：M為新陳代謝，W/kg；W為人體活動，W/kg；Pva為空氣壓力，kg/m2；Tin為人體內部溫度，℃；Fcl為衣物的視角系數；Tmr為平均輻射點溫度，℃；hcl為衣物傳熱系數，W/（m2·K）。

皮爾遜指數為表示舒適度而采用的DISC 相關性如公式（3）所示。

式中：T3為皮膚溫度最小值，℃；Qev1為汗液蒸發熱功率，W；Qev1為需要蒸汗液蒸發熱功率，W；Qevmax為最大汗液蒸發熱功率，W；Qevd為汗液蒸發散失熱功率，W。

在KSU 模型中，冷環境中的熱感指數TSV取決于εvc，而在暖環境中，則取決于εWSW，其表示如公式（4）所示。

式中：εWSW、εvc分別為散熱和升溫時的熱輻射系數。

根據皮爾遜指數所示，TSV值在-1~1，人體感受到的舒適度最佳。

1.2 計算模型簡介

準確設計暖通空調系統對建筑工程來說是十分必要的，而建立空調環境的溫度和濕度設定點是進行精細化能量控制的第一步[7]。該文即從居民舒適度角度出發，建立考慮人體感受的動態調整溫度和濕度的設定點，從而達到優化建筑暖通設計，節省建筑能耗的目的。計算流程圖如圖1 所示。整個系統的工作模式為先通過改變室內空氣溫度和相對濕度，確定所有可能組合產生的舒適指數值。然后在第一優化步驟的下游評估最大化熱舒適性的組合，最后確定使能耗最小化的唯一組合。控制方案基于系統打開時監測區域內人員的生理參數（體表溫度和心跳）和運行期間建筑物的熱物理參數（例如平均輻射溫度、墻壁溫度的平均值）。

圖1 計算流程圖

計算模型的原理是在計算過程中，一旦在典型的時間步長內確定了要在房間內設置的參數的最佳組合，房間內的居住者在感受到室內溫濕度變化后，開始與由對流和輻射熱交換決定的周圍環境進行熱交互，因此他所暴露的熱瞬變導致個體達到表面溫度（在下一個時間步驟的開始，與上一個不同）。因此，改變居住者的生理特征，特別是體表溫度，就必須設置與先前不同的室內空氣溫度，以滿足居住者的舒適度需求。

1.3 模型建立

為驗證舒適度指標在建筑暖通設計中的應用和對暖通系統的優化效果，該文采用MATLAB 建立試驗場，對上述模型進行分析。模擬單個辦公空間的能量消耗情況，該房間長8.0m，寬6.0m，高2.7m，窗戶面積為12m2，建筑物整體面積為48m2，體積為129.6m3。模型中所有墻體均與外界接壤，僅南側有單個窗戶。模擬組件參數見表2。該模型主要用于驗證舒適度指標在建筑暖通設計和節能措施優化中的應用情況，其中舒適度指標主要從人體以及環境中獲取，但在實際模擬工作中的相關數據由人為提供。

表2 模型建材參數表

模擬過程中，主要模擬從早9 點至下午5 點，室內燈具和其他電器的能耗分別為6W/m2和350W，暖通系統打開時，其余荷載即被設定為恒定值，假設辦公室人員心率HR為70B/min，初始皮膚溫度為33.7°C，衣物阻力lcl分別為1.01clo 和0.5clo，其余參數的設置均按照相關要求和實際情況進行布置。

2 計算結果分析

本節包括模擬結果及其在空間加熱和冷卻需求、熱舒適性評估以及個體熱調節響應方面的研究結果分析，模擬計算了2 個特定的每周間隔（1 月的第1 周和8 月的第1 周），以明確室內空氣溫度、相對濕度和居住者的舒適度指標的變化規律。

2.1 舒適度分析

熱負荷和能耗的計算結果如圖2 所示，其中圖2（a）為1 月份第1 周，圖2（b）為8 月份第1 周。該文中的舒適度指標主要是通過公式（2）~公式（4）所示相關性系數進行評價的。如圖2 所示，該文所得計算結果中，2 個時段的舒適度指標均在-0.5~0.5，計算過程中舒適度的相關性在可接受范圍內。

圖2 人員舒適度變化曲線

2.2 溫度變化分析

對建筑能耗和舒適度進行分析的主要目的是比較供暖和制冷的能耗量和建筑暖通系統的最優狀態。熱負荷和能耗的計算結果如圖3 所示，其中圖3（a）為1 月份第1周，圖3（b）為8 月份第1 周。在冬季一周中，由于天氣變化的特點，某些日子有供暖和制冷的共同需求，從圖3（a）可以看到，需要大量熱能進行空間加熱能夠在冬季最大限度地提高熱舒適度，減少身體散熱。因此，為了滿足該條件，建筑暖通系統控制器在減少人體表面和周圍空氣之間的溫度差方面具有很好的作用。圖3（b）為夏季取樣周，研究結果表明，夏季時熱負荷和能耗存在部分位置低于采用動態控制方案獲得的值，其原因在于夏季人體可通過排汗現象散發體內熱量，流汗過程會增強居民熱的感覺，進而導致流汗現象更明顯，此時人體需要更低的環境溫度，為保持令人滿意的溫濕度條件，需要加強設備運行效果。

圖3 熱負荷和能耗曲線

2.3 能耗分析

為明確建筑暖通設備的能耗量，該文分別設置變溫1℃、2℃和3℃，對每年和每月的能耗量進行計算，計算結果見表3。研究表明，該方案分別在變溫1℃、2℃和3℃條件下將全年溫濕度變化條件范圍降低了49%、57%和52%。值得注意的是，在所選案例中主要的冷卻需求中，最常出現的溫度為27℃、28℃和29℃，分別用于第一、第二和第三方案。所獲得的結果表明，在制冷季節的相關時間內，控制室內空氣溫度（設定值）大于26℃，能使能耗更低。與相關研究中的案例相比，第一種方案中與供暖相關的年能耗量是研究案例的116%，第二種方案高出32%，第三種方案高出62%。關于冷卻需求，所提出方案的能耗更接近參考案例的能耗。特別是第一種方案的消耗量減少了5%，第二種和第三種方案分別增加了16%和2%。

表3 各方案的年度能源分析

3 結論

該文從舒適度相關系數角度入手，研究考慮人體舒適性的建筑暖通系統的優化措施，所得主要結論如下：1）將舒適度相關系數與建筑暖通設計相結合，提出將皮爾遜指數（PMV）用于衡量暖通設計過程中人體的舒適度，根據皮爾遜指數所示，TSV值在-1~1，人體感受到的舒適度最佳。2）通過MATLAB 建立數學模型，對所提出的分析方法進行計算，分析說明該分析方法在分析人體舒適度、室內溫、濕度變化以及統計建筑暖通系統能耗等方面具有一定的優勢。研究結果對今后建筑暖通設計工作的開展具有一定的借鑒意義。