绿色建筑空调通风系统节能影响因素分析及验证

陈玮吉

(海南中电工程设计有限公司， 海南, 海口 570208)

0 引言

绿色建筑是一种通过节约能量和资源对环境进行保护的建筑理念，也是一种能够促进社会可持续发展的途径。绿色建筑空调和通风系统节能方案主要是为了能够减少人工冷热源对室温进行控制，该方案在绿色建筑中得到多种方式的应用。现有技术中，绿色建筑空调和通风系统由于节能工作不到位，造成了能源的大量浪费。

文献[1]针对建筑能量与环境系统的特点，构建了建筑能量与室内环境的有限元模型，并通过设定基准方案进行节能相关技术研究，最后提出不同遮阳方案优化设计方案，虽然在一定程度上实现了建筑能量系统的优化，但是该技术方案比较适应青海高寒区，不具有普遍适应性。文献[2]中介绍了一种通过增加建筑材料的导热系数来实现节能，该技术方案采用熵权法来确定指标的权重，并构建出绿色建筑节能设计方案模糊综合评价模型，通过验证，该技术方案的评价结果与实际情况基本符合，具有一定的技术进步性，但是该技术方案可用于评价夏热冬暖地区绿色建筑节能设计问题，难以实现全季节性绿色建筑节能问题。

针对于上述文献在能耗优化设计方面的缺点，本研究通过对室温不同影响因素分别设计不同的解决方案[3]。

1 分析方案设计

在绿色节能建筑的研究中，其涉及到建造图纸优化、设备使用以及能源利用等多个方面。通过分析可以得出建筑室内温度变化的影响因素，总体方案设计如图1所示。

图1 总体方案设计示意图

由图1可知，影响室内温度的因素主要可以分成室内因素、建筑材料因素以及室外因素等，这三类影响因素在不同季节影响是不同的。在夏季由于室温较高，需要建筑材料有较高的导热效果和通风效果，减少对太阳光的吸收；在冬季需要提高建筑材料的保温效果，减少不必要的散热，提高对太阳光的吸收作用。其中，对于室内因素包含空调、地暖等通过对室内温度进行调节的设备以及其他能够发热的设备[4]；对于建筑材料因素，主要是采用低热传导的墙体材料，减少热量的传导，达到隔热隔冷的效果，设计安装合适数量和种类的门窗，控制热量的传导，并能够合理完成通风工作，对于外部墙体的吸光问题，在外部墙体中设计合适的结构和涂料；对于外部因素主要有太阳对建筑照射产生的升温作用以及由于外部气体温度对于建筑吸热或导热造成建筑内部的气体温度过高或过低的问题。为了分析建筑热量产生和传递的过程，本研究将建筑结构分成室内、墙体和室外三部分，其热量产生和传递关系如图2所示。

图2 热量产生与传递关系图

由图2可知，在建筑热量传递过程分析中，其外部墙体受到太阳光照和长波辐射造成墙体升温，同时墙体的温度又会与大气环境产生对流现象；建筑外墙的温度对室内墙体进行热传输；室内环境中各种电器等产热设备提高室内温度，空调对室内温度进行控制，并且室内气体进行对流使室内温度平均化[5-6]。

上述数据信息能够通过多种方式表示出来，比如空调发热、地暖等。本研究为了研究不同影响因素对建筑整体的能源消耗问题，并通过设计多种不同的设计方案在不同的影响因素上不同节能效果进行分析，本研究将总体方案划分为数据管理层、数据分析层和数据应用层。在数据分析层中，构建建筑热量传导模型、空调运转模型等其他数学模型。通过不同的数学模型实现空调运行分析，下面将详细进行描述。

2 关键技术设计

2.1 建筑内部因素分析及优化

在构建该数据模型时，充分考虑了空调和地暖两种形式热源，在空调运行中，其主要的能量消耗为压缩机的转动，所以空调的模型可以通过压缩机的电气特性表示，其中空调真实运行功率情况如式(1)：

Pchiller=(Qnom·COPnom·Tempadj)·PLRadj

(1)

将空调制冷系统分成冷凝机、蒸发机和压缩机三个耗能单元并进行分析，在式(1)中Qnom表示设计的该类空调设计的额定制冷量，COPnom表示该类空调所设计的额定制冷效率，Tempadj表示空调能够进行温度调节的范围，PLRadj表示对空调设计的额定功率正常运行的修正系数，ai和bi表示系统的负荷修正系数和温度回归系数。空调工作状态和设定温度之间的关系式如式(2)：

(2)

其中，1表示吸热作用，0表示放热作用。室内温度变化特性曲线如图3所示。

图3 室温变化曲线

通过对建筑室内温度测量，使建筑室温在较小温度区间进行波动，空调的压缩机可以进行间歇式工作，在待机状态将减小能耗问题。由于该项技术受到空调压缩机功率和建筑内部温度变化情况的影响，其节能效率在20%～50%左右。

排气热量回收技术通过利用应排出室外的气体热量对吸进来的气体进行预处理，使该气体的温度升高(降低)，以此减小冷热源的工作时间，降低能耗[7]。本研究针对常见的全热回收和显热回收技术进行研究，并针对不同的回收效率进行比较，其测量结果如图4所示。

图4 排气热能回收数据

由图4可知，不同的热量回收效率下，其全热回收的节能效率都比进行显热回收的高10%左右，并且提高热能的回收效率可以提高节能的效率，但是提高热能回收效率的成本会随着效率的提高而快速增加，因此需要考虑成本问题，合理选用。

2.2 建筑材料及室外因素分析

建筑热传递模型主要是为了表现建筑内外进行热传递的过程，本研究采用等效热参数建立模型，其建立的建筑内外的温度动态变化的一阶模型如式(3)：

(3)

通过对式(3)进行变换可以得出式(4)：

(4)

式(4)为建筑内部温度、建筑外部温度以及冷热源吸收或放出的热量所构成的能量守恒等式。通过对建筑热传递模型进行分析，本研究在该方面主要在墙体的热传导系数、窗墙比以及遮阳措施这三个方面进行研究，分析其对能耗问题的影响。

在建筑建设中所选取的墙体的热传导系数决定着建筑室内温度对外界温度的影响关系，为验证建筑热传导系数对能耗的影响，本研究所选取的热传导系数(K值)如表1所示。

表1 建筑热传导数据

控制建筑建设其他条件不变，改变建筑的热传导系数，模拟分析其能耗问题，模拟结果如图5所示。

图5 不同K值能耗模拟结果

由图5可知，本研究通过将基准方案所选取的K值与增加10%、减小10%、减小40%的K值进行比较，其全年总的运行耗能并没有较大变化。由于提高建筑的K值可以减小冬天对于产热所消耗的能量，但因为隔热效果好，所以夏季需要更多的制冷能量消耗；当K值减小是其夏季制冷的能耗减小了，但是其冬季需要制热所需的能耗将会增加，因此需要选取合适的K值能够同时考虑冬季的保温和夏季的散热问题。

在建筑建设中减小窗户与墙体面积的比值可以减小在夏季阳光通过窗户照射进房间的热量，同时由于墙体比例的增加可以减小在冬季散发出去的热量。当该建筑的窗墙比由70%减小到40%时，该建筑由于室内外温差因素所造成的能量损耗将减小75%，由于窗户比例的减小，其通过窗口照入室内的能量将减小70%。通过不同比例的窗墙比来模拟分析建筑的能耗情况如图6所示。

图6 不同窗墙比的模拟结果

由图6可知，其他条件不变，当该建筑的窗墙比由40%提升到70%时，其中建筑夏季制冷能耗仅有增加不到1%，但是其建筑冬季制热能耗提升10%以上，因此合理降低建筑的窗墙比可以降低该建筑的全年总运行耗能。因此在对降低窗墙比可以产生节能效果，尤其是在夏季的可以产生明显的节能效果。

为研究遮阳设施种类和方法的节能效果，本研究设计在建筑各个方向设计70%的窗墙比，并根据采用遮阳方式不同分成4组进行实验，其中第1组采用可进行调节的百叶窗进行遮阳，第2组采用水平固定的遮阳板，第3组采用局部固定的横放百叶窗进行遮阳，第4组采用垂直的遮阳板进行遮阳，4种遮阳设计方案数据如表2所示。

表2 遮阳措施数据统计表

由表2可知，本研究设计的4种设计方案中都选择外挑长度为0.6 m，其中遮阳的叶片宽度分别为0.3 m和0.7 m两种，并通过在建筑的4个方向安装遮阳设备，分别模拟全年能耗，其数据统计图如图7所示。

图7 遮阳情况下能耗统计图

由图7可知，采用方案1利用可调节的百叶窗可以更好地提高节能效果，通过这种方式其全年由于日照所产生的热量将减小50%以上，其节能效果将提升7%以上。

3 试验结果与分析

为了研究本研究设计的节能方案的效果，对空调的能耗进行评估，并通过将《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)中设计的基准方案的能耗进行比较，分析本研究设计方案的节能效果[8]。在本次实验中所选取的计算机模拟环境为选用Windows 10作为操作系统平台，设置计算机内存为32G，Intel Xeon W-2145 CPU 3.70 GHz，本次模拟仿真实验的软件选取MATLAB 7.0软件。

为了分析空调能耗模型，并对其进行优化，本研究利用遗传算法对空调能耗模型进行处理，该空调能耗优化模型经过遗传算法优化，可以得出每代最优化适应度图像如图8所示[9-10]。

图8 每代最优化适应度图像

在本次优化中适应度函数和初始数据如式(5)：

(5)

通过式(5)所选择的适应度函数和初始数据可以得出其需要优化变量如式(6)：

(6)

经过遗传算法进行寻优处理，可以得出采用其最大适应值为0.384 2，对应于此处的空调能耗为369.48 kW。

通过对上述技术设计进行分析，把每种节能设计综合的设计方案与基准方案进行比较，其中本研究优化方案采用的措施如表3所示。

本研究通过采用如图3所选取的节能设备与基准方案进行实验，并统计在每个月份的能耗数据进行采集，其采集数据统计图像如图9所示。

图9 能耗统计图像

由图9可知，通过采用本研究设计的方案所建设的绿色建筑其全年可节约50%以上的能耗。

4 总结

绿色建筑空调和通风系统节能方案主要是为了能够减少人工冷热源对室温进行控制，完成对节能方案的设计，本研究把对室温的影响因素分成室内因素、建筑材料因素和室外因素三种，本研究通过对空调采用间歇式运行模式、热量回收采用70%全热回收、墙窗比为0.4并且在南面墙面采用方案1的这样方案进行节能处理。通过利用上述优化所获的设计方案，本研究通过将基准方案和优化方案全年的能量消耗进行比较，可以得出采用优化方案可以减小50%的能量损耗[11]。