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        節能建筑動態設計方法的探討

        • 作者:
        • 中國暖通空調網
        • 發布時間:
        • 2021-07-07

        云和明1 李萌1 吉亞萍1郭訓虎1 呂東嵐2  謝曉娜1
        1. 山東建筑大學熱能學院;2. 山東安泰智能工程有限公司

               【摘  要】本文首先闡述當前節能建筑設計中存在的問題和不足,提出動態設計的理念及方法是可有效解決節能建筑設計中的關鍵問題。動態設計方法的核心是通過先進的數值計算方法,準確掌握建筑動態的冷熱負荷,進而基于CFD和動態模擬軟件對空調房間和空調系統進行模擬仿真,并基于熱舒適和能源系統優化方法對設計方案進行優化,確??照{房間的所需冷熱負荷“即用即付”,同時保證空調房間熱舒適條件下的耗能最小。

               【關鍵詞】動態設計;節能建筑;數值計算;熱舒適

        一 節能建筑的概念

               溫室效應加劇、臭氧層破壞、水資源危機,土地沙漠化等現象表明,人們所直接賴以生存的自然資源狀況呈指數惡化的趨勢。自上世紀60年代以來,出現不少基于生態學原理的建筑理論、方法與實踐,已經逐漸形成了一種獨特的、區別于普遍流行的“國際式”建筑定式的建筑理念,如生態建筑、綠色建筑、可持續發展建筑、節能建筑。

               節能建筑是探討以滿足建筑熱環境和保護人居環境為目的,通過建筑設計手段及改善建筑圍護結構的熱工性能,充分利用非常規能源,使建筑達到可持續發展的應用研究科學。

               近幾十年來,特別是1973年爆發石油危機以來,西方發達國家的建筑節能內容一直在不斷更新,主要經歷了三個階段,最初強調“建筑節能”(energy saving in buildings);不久又強調“在建筑中保持能源”(enery conservation in buildings),即減少建筑中能量的散失;進入上世紀90年代,重點為“提高建筑中的能源利用效率”(enery efficiency in buildings),即以主動性、積極性地節省能源消耗、提高其利用效率。如今歐洲已經出現了極為“嚴格”的零能耗住宅標準(Zero heating standard)、零CO2排放標準(Zero CO2 standard)和能源自給標準(Autonomous standard),并且已有少數達到上述節能標準的居住建筑投入使用。

               我國建筑界對第三層次的節能概念有較一致的看法,即在建筑中合理地使用和有效地利用能源,不斷提高能源的利用效率。

        二 傳統的節能建筑設計中的不足

               目前,我國正積極倡導節約能源,可持續發展。建設節能型建筑已被建設部納入今后城市建設的重點發展方向,相關的指引、標準和法規也相繼出臺,節能建筑設計已成為今后建筑設計的重要組成部分。

               在建筑規劃階段設計人考慮的往往是容積率、日照間距、空間形態、以及建筑與周邊環境協調等問題,而很少從節能的角度來指導設計,節能設計只有在單體方案設計階段才有所重視,從而產生了許多單體設計難以解決的問題。所以,提倡建筑節能首先應該重視規劃節能。當前根據節能設計標準設計其適用性和條件又不是很確切,導致設計中無法準確掌握建筑的實際能耗情況,以至于節能設計不準確。

               在節能建筑空調設計階段,傳統設計往往根據當地氣候條件,而采用不保證5天的最大冷、熱負荷來進行空調設備的選型和系統方案確定,不能準確把握空調房間的瞬時所需的冷、熱負荷,從而導致系統主機選擇過大從而導致其全年運行在絕大數時間不能全負荷運行,能源效率低,從而導致不節能。而在系統方案確定時,往往根據經驗,粗略的對比不同方案的優缺點和投資經濟型分析,來確定最終方案,而方案的實際運行效果、節能與否、匹配性如何都缺乏有效依據支撐,往往導致系統整體設計不佳,從而能源浪費嚴重且空調實際效果差。

               房間的氣流組織及最終的溫濕度分布是最終影響房間空調效果的重要因素,而根據規范和節能標準很難對實際運行的氣流組織的溫度、濕度、速度分布準確計算,從而導致房間的溫濕度分布不合理,熱舒適差。

        三 節能建筑動態設計的理念

               節能建筑動態設計是基于人體舒適性前提下設計和控制室內環境空調參數,在室外氣象條件實際變動條件下,借助于空調動態仿真軟件,實現在主動節能技術和被動節能技術作用下,空調的實際需要的冷熱負荷同空調提供相一致,以達到特定空調系統的用能及運行優化。

        對于空調房間的實際氣流組織和空調運行效果,可通過基于CFD(計算流體動力學)軟件和動態模擬軟件對其模擬仿真,并同建筑及空調設計相結合,根據模擬結果調整設計方案,直至空調設計的方案的空調模擬效果滿足熱舒適,從而有效確??照{的實際空調效果。

               通過空調的動態仿真軟件和CFD軟件相結合,對空調房間進行基于熱舒適的動態仿真,獲取空調房間的瞬時冷、熱負荷,并通過空調自控技術對空調進行控制運行,以期實現空調效果和泵與風機同實際管路聯合運行的優化,從而保證實際運行的效果同設計最大程度保持一致,以真正實現基于熱舒適條件下的空調節能設計效果。

        四 節能建筑動態設計的研究內容

               節能建筑動態設計框架如圖1所示,首先根據模擬平臺中的動態復合計算軟件對所要設計的節能建筑進行動態負荷計算,進而根據負荷進行空調方案的初步設計,包括冷熱源選型及系統方案的初步確定。而后根據所設計的方案,利用系統模擬軟件對整個空調系統進行動態模擬,以確定系統的運行和節能效果,并反饋給設計,直至設計運行和節能效果滿足要求為止,從而實現了計算機模擬輔助節能設計方案的優化,同時模擬還可以輔助進行自控方案的優化,以簡化控制環節和步驟,保證可靠運行同時實現節能運行。模擬平臺由不同種類的模擬軟件和程序組合而成的計算機軟、硬件模擬平臺,根據模擬平臺中的CFD軟件,還可以對房間氣流組織的熱舒適和節能效果進行模擬,從而能夠保證人熱舒適條件下而系統的運行能耗最低。根據模擬平臺還可以根據實際系統搭建虛擬的仿真系統,利用現場實際傳輸的數據而模擬運算,進而輸出結果可輔助節能診斷,進而提出可行有效的能源改造方案。經過不斷的積累,根據不同工程種類及項目的不同要求,經過實際運行和改進,最終形成優秀案例庫,為以后進行節能建筑的設計方案優化提供寶貴的經驗參考和節約了寶貴時間。


        圖1 節能建筑動態設計框架

               1、節能建筑動態負荷的計算

               傳統的冷熱負荷計算方法是根據當地的氣象資料,主要包括冬夏季的室外計算溫度、計算日平均溫度、日較差;而熱天和最冷時刻即對出現概率很小的一部分或低溫時間不與保證。通常將室內參數控制在某個狀態點為室內設計參數,然后根據房間的功能給出一個設計日的冷熱負荷。整個設計過程通常認為空調連續運行,不考慮歷史影響(如蓄冷或蓄熱的影響)。

               但傳統的設計方法存在很多問題,不能夠準確反映建筑物實際使用和能耗的狀況。例如像學校建筑物在最冷和最熱的時候不投入使用,其節假日和工作日的室內發熱量不同,實際應有一個合理的取值范圍;為了節能,公共建筑和住宅空調大多為間歇運行,而采用分戶熱計量的采暖也趨向間歇運行;為了準確設計新型的可再生能源,如地源熱泵、冰蓄冷、水蓄冷或蓄熱、相變材料蓄冷或蓄熱等均需要準確計算空調房間或建筑物的全年逐時負荷;而過渡季節需要空調的特殊功能建筑,例如游泳池的負荷計算就不同于普通住宅和辦公建筑,負荷計算方法需要準確把握全年的逐時負荷才能保證實際效果能滿足設計要求。

               動態設計負荷計算在傳統計算所需資料的基礎上,重點掌握室外典型年的氣象參數,主要包括焓值極高年、溫度極高年、溫度極低年、輻射極高年和輻射極低年的資料,將室內控制在某個狀態點上,根據舒適性空調還是工藝性空調合理設計室內設計空調參數,并根據房間功能,給出全年工作日、節假日的數據,綜合考慮空調系統全年啟停規律及蓄冷蓄熱狀況,輸出全年空調房間或建筑物的逐時負荷,從而可檢驗空調的全年運行效果,為合理的選擇空調設計及系統方案設計打下良好基礎。

        動態負荷的計算可以利用國內外的一些商業軟件,如Dest, Energyplus, VE, Doe, Equest等。

               2、基于動態負荷的空調設計

               根據不同的技術而有不同的設計方法,像地板輻射末端、置換通風、地源熱泵、水蓄冷、冰蓄冷、游泳池的設計等,要根據不同的空調形式和使用特點和運行規律,合理選擇冷熱源設備,確定系統運行及自動控制方案,以保證系統安全、可靠、節能運行。

               3、空調模擬平臺的搭建

               空調模擬平臺如圖2所示,其功能是對空調房間進行動態負荷進行模擬計算,對系統的運行效果進行模擬,同時對系統的能耗和熱舒適效果進行模擬顯示,具有故障診斷、節能優化分析、實時動態仿真、實時監測、自動控制、數據處理、數據存儲調用等功能。因此空調模擬平臺可以是由各種計算軟件或程序組成的軟件平臺,也可以是由數據采集、傳輸轉換設備、計算軟件和計算機組成的軟、硬件半混合仿真平臺。軟件平臺一般包括動態負荷模擬軟件、CFD(計算流體動力學)軟件、動態模擬軟件、數據顯示轉換軟件等


        圖2 空調模擬平臺的功能

               4、系統自動控制和運行

               對空調系統進行自動控制和節能運行是樓宇自動化系統的一部分,是運用自動控制手段實現空調系統的運行優化和邏輯控制,其自動控制的判據一般為基于熱舒適的指標或熱力學優化指標。因此利用先進的計算模擬軟件可實現自動控制方案的優化,并根據先進的能源優化理論和空調熱舒適理論為系統合理、節能、舒適的運行提供解決問題的手段和依據。

               5、數值模擬輔助設計和運行

               通過模擬平臺對動態負荷、系統的運行效果、氣流組織的舒適性效果進行模擬,模擬結果可有效指導設計方案的進一步優化,從而使設計在規劃階段使得建筑物不但滿足采光、聲學要求,而且通風良好,溫度適宜具有極好地室外微氣候環境,進而根據節能要求,設計選用良好的保溫墻體和門窗類型,并根據初步設計方案進行實際能耗模擬,根據模擬結果再進一步修改完善直至滿足節能效果為止。然后根據整個空調系統的動態模擬結果優化系統設備選型和運行、控制策略;同時模擬結果還有助于發現能耗較大的環節或工藝不合理的環節,從而有助于節能診斷,并進一步提出合理有效的節能改造方案。

        五 結論

               當然,節能建筑設計是一個復雜的系統工程,涉及方方面面的問題。上文所提及的動態設計所解決的問題只是其中的一部分,它們往往通過傳統的設計方法不能很好的解決,這會造成許多的設計漏洞,使建筑物能耗增加。所以,筆者專門提出動態設計的方法來解決傳統設計所不能解決的難題,基于這種方法而探討其有效性和正確性,在此只是拋磚引玉,希望同行們能多加指正,集思廣益,共同探討節能建筑設計的新方法。在今后的設計中多研究、多嘗試、多積累、多總結,在有限的條件下將建筑功能與藝術和技術更好地結合,使建筑設計的各個方面都能體現節能的原則,努力創造低成本、高效率的節能建筑。 

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               備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期(第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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