基于自然通风与空调联合调节的混合冷却系统综述

谢富豪, 韩 杰, 李越铭, 林 翰, 张国强

(1.桂林电子科技大学 建筑与交通工程学院, 广西 桂林 541004; 2.广西路建工程集团有限公司， 南宁 530001；3.湖南大学 土木工程学院, 长沙 410082)

0 引 言

随着人们生活水平的提高, 空调已成为生产生活中不可或缺的部分。空调在改善室内热环境和人体热舒适的同时产生了许多不容忽视的问题: 一是空调普及使用导致能耗高。 2018年5月, 国际能源署(IEA)预测, 到2050年, 全球约2/3的家庭拥有空调, 空调的数量将从现在的16亿台增加到56亿台, 空调的电力需求预计增长2倍, 新增用电需求相当于当前美国、欧盟和日本发电能力的总和, 空调将成为未来30年电力需求的主要驱动力之一[1]; 2001—2017年, 中国建筑运行能耗总量及其电力消耗量均大幅增长[2]， 而当前建筑运行能耗主要为空调能耗; 二是相对密闭的空调环境导致室内空气品质恶化, 由此引发的病态建筑综合征严重影响居住者的健康; 三是空调间接消耗的化石能源和直接产生的温室气体都将加剧全球变暖。上述情况引起人们对空调使用模式的反思: 是完全使用空调营造人工环境, 还是尽可能使用自然通风? 在自然通风不能满足时采用空调， 空调使用过程中是否一定与室外隔绝?使用者是空调环境的被动接受者还是主动调节的参与者[3]?

1 混合冷却系统提出背景

空调最早用于工业, 目的是满足生产的需要, 20世纪50年代开始用于民用建筑, 目的是满足人的舒适性要求。通过对比20世纪50年代前后的商业和办公建筑发现, 在空调产生之前的商业和办公建筑大都通过开窗通风引入新鲜空气和增加采光, 但是空调的出现改变了这一传统运行模式。部分“高档”的商业和办公建筑为了节能, 取消窗户的自然通风功能, 完全依靠空调或机械通风。 据国家统计局数据显示[4], 2020年我国每百户居民空调机拥有量为117.7台, 几乎每户家庭都安装了空调, 有的家庭甚至安装了多台空调, 但是由于缺乏相应的规范指导, 何时开/关窗和空调仅凭人的生活习惯或自我感觉。 这两种空调使用行方式都会因为空调的使用不当导致能源浪费。

自然通风具有不消耗能源、 改善室内空气品质、 提高热舒适性等优点, 是一种经济且节能的通风方式, 但不易调节和控制。对于空调/机械通风而言, 稳定可控是其主要优点, 但是能耗大且人群病态建筑综合征发生率高[5]。为了充分发挥自然通风和空调或机械通风的优势, 将自然通风与机械通风相结合的混合通风(hybrid ventilation)及与空调系统相结合的混合冷却(mixed-mode cooling)应运而生。混合通风以改善室内空气品质为主要目的, 将自然通风和机械通风相结合[6]。IEAANNEX35对混合通风进行了系统研究, 英国CIBSE出版了关于混合通风设计的手册[7]。混合冷却是以节能为主要目的, 当室外温度低于室内温度时, 室外风承担部分或全部空调负荷, 它集成了自然通风不耗能和空调稳定可控的优点。通过混合冷却和混合通风改善室内环境的建筑通常被称为混合模式建筑(mixed-mode building), 设计良好的混合模式建筑全年或者全天都能采用自然通风, 仅当自然通风不能满足需求时用空调补充, 在满足人体热舒适条件下减少空调使用时间、 节约成本[8]。人们对混合模式建筑的室内热环境和空气质量的满意度高于其他类型建筑[9]。

混合冷却的概念最初由Max Fordham和Partners提出并作为一种设计策略不断修订[5]。混合模式建筑通常根据其运行策略进行分类: 同时运行、切换运行和分区运行[8], 详见图1。混合冷却模式并不是一项新的建筑运行模式, 在我国和其他一些亚洲国家(日本、泰国、马来西亚等)也很常见, 如商业或办公建筑在夏季使用空调, 过渡季节采用自然通风或者白天使用空调, 晚上采用自然通风; 居住建筑有的房间使用空调, 有的房间采用自然通风， 但是这一运行模式被认为是“低档技术”, 逐渐被建筑师和工程师放弃, 取而代之的是“全时间、全空间”采用空调或机械系统的运行模式。我国高档办公建筑、宾馆和住宅的数量逐年增加，若以这种全时间、全空间运行模式，空调或机械系统能耗将大幅度提高。因此, 为了降低建筑运行能耗, 有必要加强基于自然通风与空调联合调节的混合冷却系统的研究和推广应用。

图1 混合冷却模式分类

2 混合冷却系统的节能潜力

近年来, 研究者对混合冷却系统的节能潜力、混合模式建筑热舒适模型以及控制策略等领域进行了系统研究。混合冷却系统与传统的空调模式相比具有较好的节能潜力, 表1对各个国家不同城市混合冷却系统的节能效率进行了归纳总结。可知, 不同城市、不同气候类型下的混合冷却系统的节能效率存在差异, 但是与传统的空调模式相比总体上可以实现30%以上的节能。 节能数据的差异说明, 对于不同气候区混合冷却系统的设计需要当地的气候和建筑数据作支撑。混合冷却系统的节能潜力在住宅[19]和工业建筑[20-21]中也得到了证明。

表1 公共建筑混合冷却系统节能效率

3 混合模式建筑的热舒适模型

3.1 不同标准的热舒适模型对比

目前, 用于预测建筑室内人体热感觉的热舒适模型主要为PMV模型和适应性模型。ANSI/ASHRAE 55—2017规定适应性热舒适模型只能用于无机械冷却系统的自然通风建筑[22]， 我国的《民用建筑室内热环境评价标准》(GB/T 50785—2012)规定, 对采用人工冷热源的建筑室内热湿环境采用PMV模型[23]， 这两者都意味着混合模式建筑只能被归类为空调建筑并使用PMV模型来预测人体热感觉。EN 15251—2007规定, 当混合模式建筑在自然通风的运行状态下可以使用适应性热舒适模型[24]。标准中的适应性模型公式对比见表2[25]。

表2 不同标准的热适应模型对比[25]

标准中将建筑分为机械冷却和自然通风建筑两类, 但是混合模式建筑并非完全的空调建筑或完全的自然通风建筑。混合模式建筑需要根据不同季节或时段对空调和自然通风进行联合调控以改善室内空气质量和热舒适, 模式切换的频繁性和控制策略的复杂性造成的室内热环境动态变化决定了传统的适应性模型和PMV模型都不能很好地适用于混合模式建筑。Drake等证明稳态模型不足以描述混合模式建筑的热舒适条件[26]， 因此标准中的热舒适模型是否适用于混合模式建筑仍然存在一定的争议[27]。

3.2 空调和自然通风运行时的单一适应性热舒适模型

不同地区的混合模式建筑在不同运行模式下的单一适应性热舒适模型对比如表3所示, 其中西班牙塞利维亚和英国拉夫伯勒2个地区的模型公式较为相似, 斜率相同, 只有截距有差别。分析可知, 两国同属欧洲, 冬季时间较长, 夏季温度不高, 以采暖为主, 人们对温度变化的敏感性相似, 但是两国的气候有差别, 这可能是截距有差别的原因, 模型公式的相似在一定程度上证明了欧洲混合模式建筑适用单一适应性热舒适模型的观点。Manu等[28]提出的模型公式在斜率和截距上与欧洲模型存在差别, 其研究数据基于印度5个代表城市的混合模式建筑, 属于热带季风气候和热带沙漠气候; Barbadilla-Martin等[29]和Luo等[30]的数据分别基于西班牙和英国, 属于地中海气候和温带海洋性气候, 气候不同以及两个地区的经济发展水平和文化背景差异导致模型公式斜率的差别, 这也间接反映了不同地区人们对温度变化敏感性的不同。

表3 单一适应性热舒适模型对比

从适应性模型公式斜率可以发现, 国内外对温度变化的敏感性有较大区别[25]。Parkinson等研究发现, 亚洲地区的中性温度比西方国家高1～2 ℃[31]。当前我国针对混合模式建筑热舒适模型的研究相对较少, 我国的气候类型复杂多样, 文化背景深厚, 混合模式建筑在不同运行模式下的单一适应模型与国外不同, 研究适用于我国混合模式建筑单一适应性热舒适模型对混合冷却系统的设计具有深远意义。

3.3 空调和自然通风运行时的不同适应性热舒适模型

Rupp等对巴西的混合模式建筑进行研究分析, 发现Manu等[28]和Barbadilla-Martin等[29]所提出的单一适应性热舒适模型不适用于巴西[32]。部分学者提出, 应针对混合模式建筑不同运行模式使用不同的热舒适模型。不同地区的混合模式建筑热舒适模型见表4。当前国内外研究者对混合模式建筑的研究主要集中在气候宜人的地区, 针对极端气候地区的研究较少, 适应性热舒适模型在混合模式建筑中的适用性在不同国家和气候区都得到了证明。分析可知, 混合模式建筑热环境的动态变化和室内热舒适之间存在矛盾, 热适应性理论表明: 环境发生变化，导致人们产生不适，人们的反应往往会恢复其舒适性。这一矛盾和原则说明， 若人们感到不舒适, 就采取行动提高舒适度[33-34], 且混合模式建筑室内的湿度、温度、风速、空气质量等都受到室外环境的影响, 因此稳态热舒适预测不适用于混合模式建筑。混合模式建筑居住者可以通过生理适应、行为适应、心理适应3种方式来调整适应随之变化的动态热环境, 适应性理论能更好地适用于混合模式建筑。

表4 不同地区混合模式建筑的热舒适模型适用情况

对比模型公式可知, 在自然通风模式下的模型公式存在着较大差异, 在空调模式下的公式斜率数值较小， 其主要原因在于各国的经济发展水平和文化背景不同, 建筑个体也存在差异: 人们在通风模式下对温度变化的敏感性存在较大不同, 导致自然通风模式下的模型公式的差异较大; 在空调模式下通常将窗户关闭使室内与外界隔绝, 室内温度受室外环境的影响小, 故空调模式下的公式斜率小。由于冬季长时间采暖, 室内环境相对封闭, Deng等针对自然通风结合地板送风系统的混合模式建筑提出冬季应使用PMV模型, 夏季用适应性热舒适模型[35]。Luo等研究发现, 即使混合模式建筑处于空调运行时段, PMV模型的预测也偏离了实际热感觉[36]。因此, 即使在冬季关窗使用空调或机械供暖的情况下, PMV模型也不一定适用于混合模式建筑, 混合模式建筑在冬季使用PMV模型的观点存在争议。

比较国内外混合模式建筑的热舒适模型发现: 1)现行规范标准中的热舒适模型还不能完全适用于混合模式建筑, 传统的PMV模型在混合模式建筑中的适用性存在较大争议, 适应性理论在混合模式建筑中的应用得到广泛认可; 2)针对混合模式建筑在不同运行模式下采用不同的适应性热舒适模型, 还是在不同运行模式下使用同一适应性热舒适模型, 或者在空调模式下针对密闭的室内环境构建修正PMV模型, 仍需进一步探索研究; 3)由于不同地区的气候、文化背景、经济发展水平存在差异, 针对混合模式建筑所提出的适应性热舒适模型存在较大区别; 4)我国对混合模式建筑热舒适模型的研究仍处在个体案例的研究阶段, 尤其是极端气候地区的研究较少, 获得我国混合模式建筑热舒适模型需要对不同地区基础数据库进行补充完善。

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决定自然通风在多大程度上替代空调从而实现节能, 居住者行为对建筑能耗的影响取决于控制策略[45]。Psomas等对哥本哈根的一栋住宅建筑进行监测， 研究发现主动和被动通风系统采用人工控制不能保证高质量的室内环境, 窗户自动控制系统的使用可以显著降低室内环境过热风险并保证室内空气质量[46]。Menassa等针对商业建筑开发了一种混合通风控制系统和运行调试方法, 证明了混合通风建筑在高效的控制系统下能显著性地节能[47]。可见, 混合模式建筑控制策略的完善和研究具有重要意义。

4.1 控制策略划分及简单控制

混合模式建筑的控制系统可以根据自动化程度划分为完全自动控制、半手动控制和手动控制[48]。目前, 我国的居民住宅采用分体式空调, “间歇性”运行模式, 控制策略处在手动切换阶段。居民在没有科学系统的指导下开/关窗和空调, 混合模式建筑的节能潜力未得到发挥, 甚至会出现能源浪费的情况。Cerri等研究发现, 混合模式教室中的CO2浓度与人们对引入新鲜空气的认识程度相关, 开/关窗户操作的指导对于保持健康的室内环境具有重要作用[49]。因此, 有必要制定开窗通风和空调联合调控的操作手册以指导人们科学地开/关窗和空调。半手动控制的混合模式建筑通过自动控制系统和居民手动调节联合控制, 居住者根据系统的信号提示进行开/关窗, 但是人们对于信号的依从性低, 所营造的热环境及节能效果较差[50]； 而完全自动化的控制模式抑制了居住者的自主性, 因此人工控制和自动控制的相对程度界定是混合模式建筑控制策略开发需要解决的首要问题[8]。

混合模式建筑普遍使用的自动控制策略为固定时间表或者基于简单的规则。固定时间表控制根据居民上下班作息时间, 在固定的时间点、时间段进行空调和窗户的自动化控制。基于简单的规则即使用“if/then”语句, 如: 室外温度为20～24 ℃时, 窗户全开; 当室外温度低于18 ℃时, 启动机械供热模式[51]。在四季分明的气候地区, 简单的控制策略可以对办公楼、教学楼等具有规律性、重复性活动的公共建筑实现有效的控制。

4.2 模型预测控制

基于固定时间表和简单规则的控制策略存在局限性, 缺少针对气候和建筑特征的优化, 且这种“阈值型”控制需要参数达到某一限值时控制器才进行调节, 而建筑空调系统的传热延迟使得建筑环境改变具有大时滞性[52], 不能及时满足人们的舒适期望。随着智能控制理论的发展与完善, 针对混合模式建筑控制系统的非线性、不确定性、大时滞等特点, 模型预测控制、模糊控制、人工神经网络等理论开始应用在混合模式建筑的控制策略中。

通过模型预测控制可以得到基于最小能耗目标的运行策略。当前国内外研究者提出的混合模式建筑的预测控制模型基本是以气象数据作为输入, 其输出为对窗户、风扇、空调、内墙通风口等进行协调控制, 在保证热舒适的条件下节约能源, 模型预测控制可以实现良好的控制效果[53-56]。但模型预测控制也存在不足, 对建筑窗户和空调进行控制的主要目的为满足人的需求, 模型预测控制的输入为客观环境参数, 忽视了人对环境的主观反馈。当预测控制模型考虑人与建筑的相互作用时, 可以得到更准确的能耗预测， 并实现更好的热舒适[57]。人们对热刺激的容忍度存在较大不同, 对气候的适应性可以使空调系统的使用更加灵活, 从而节能[58]。因此, 混合模式建筑控制系统的设计应充分考虑居住者的主观感受。

模糊控制理论以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理为理论基础, 将人们生产生活经验和专家知识作为控制规则来控制对象[59]。模糊控制理论可以对混合冷却系统的控制难点(不确定性)进行处理, 并实现较好的人机结合。对于神经网络理论在混合模式建筑控制策略的应用, Chen等验证了神经网络模型在计算速度、预测性能的优越性[60]。但是, 由于影响混合模式建筑控制环境的不确定因素多, 对模糊控制规则和神经网络训练提出了要求。在混合模式建筑控制系统中应用传统的模糊控制框架使得模糊规则数增多, 造成模糊规则库建立和维护成本高、难度大等问题; 神经网络模型的可靠性需要通过训练才可以实现, 随着控制的精细化发展, 需要考虑随机扰动成倍增长, 训练也将成比例增加。因此, 这两种理论在混合模式建筑控制系统中的实际应用仍存在困难, 需要继续优化。

综上所述, 当前对窗户和空调的联合调控模式仍处在手动切换阶段, 混合模式建筑的自动控制策略主要为“阈值型”控制, 此类型控制未能解决建筑环境改变的大时滞性问题; 相比“阈值型”控制, 模型预测控制的效果更优, 但仍停留在实验室的仿真模拟阶段, 且存在很多局限性, 未能将人的主观感受考虑其中, 在实际应用中窗户和空调状态受到各种不确定因素的影响, 模型的稳定性不能得到保障。

5 结论与展望

混合冷却系统可以满足居住者热舒适并节能, 但是目前的设计指南和标准并不能满足建筑师和工程师对混合冷却系统的设计需求。要想从模拟中获得更精确的结果, 设计出舒适节能的建筑, 首先要解决混合模式建筑的热舒适评价问题, 其次完善混合模式建筑的控制策略。但是, 由于将自然通风作为与空调系统平等的环境调节手段, 而其预测和评价模型均与单独的自然通风或者空调系统不同, 决定节能效率的控制策略仍需完善。

(1)与传统空调模式建筑相比, 混合冷却系统的节能效率能达到30%以上, 具体节能效率与气候和建筑特征有关, 节能效率的影响因素需要进一步研究。

(2)适应性热舒适模型在混合模式建筑中的适用性得到了广泛证明, 现行标准中的热舒适模型还不能完全适用于混合模式建筑, 不同地区的混合模式建筑热舒适模型存在较大差异, 需要继续补充区域基础数据库, 尤其是构建完善适用于我国混合模式建筑的综合热舒适评价体系。

(3)我国混合模式建筑的控制大部分都是基于人的感觉, 完全手动控制, 限制了混合冷却系统的节能潜力。未来的研究应针对完全手动控制的混合模式建筑, 制定指导居民开/关窗和空调的操作手册, 通过宣传教育的方式普及节能知识, 优化居民的开/关窗和空调行为， 从而节能。

(4)基于简单算法规则的“阈值型”控制策略实现简单但是存在局限性。未来的研究应该在考虑建筑室内热环境平衡条件下进行优化, 解决建筑环境改变大时滞性造成的人体热不舒适问题。

(5)模型预测控制、模糊控制、人工神经网络等理论在混合模式建筑中的应用研究结论多却杂, 用于实际仍存在困难, 不同的控制策略各有优缺, 仍需继续完善。针对模型预测控制策略, 应以人为本, 在客观环境因素驱动控制的条件下充分考虑人的主观反馈, 同时优化模型, 实现从仿真模拟到实际应用的转化。

(6)当前对混合冷却系统的研究主要针对城市的公共建筑, 而公共建筑与住宅的混合冷系统调节存在不同, 农村和城市的经济发展水平、生活方式不同也会造成人们开/关窗和空调行为的差异, 有必要加强对村镇混合模式住宅的研究。