生態(tài)建筑的節(jié)能精細(xì)化設(shè)計(jì)

張易文 楊敏 韓磊

摘要：為了減少生態(tài)建筑系統(tǒng)的能源消耗量、提升建筑的空間利用率，從建筑節(jié)水和建筑節(jié)電2個(gè)角度對(duì)生態(tài)建筑空間進(jìn)行精細(xì)化規(guī)劃分析。根據(jù)建筑施工面積和服務(wù)器的CPU大小對(duì)建筑施工用水請(qǐng)求進(jìn)行分配，利用液位傳感器對(duì)建筑用水進(jìn)行控制，構(gòu)建節(jié)水型建筑循環(huán)水系統(tǒng)服務(wù)器耗能模型，完成生態(tài)建筑節(jié)水設(shè)計(jì);利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，以太陽(yáng)能電池組件和光伏發(fā)電逆變器為研究目標(biāo)，計(jì)算電池容量，構(gòu)建光伏發(fā)電逆變器狀態(tài)方程，完成建筑光伏發(fā)電設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑的空間精細(xì)化規(guī)劃。結(jié)果表明，所提方法水能源消耗量為180～400 J，電能源消耗量為180～210 J，生態(tài)建筑空間利用率最高可達(dá)到80%。基于光伏發(fā)電的節(jié)電、節(jié)水精細(xì)化方案降低了能源消耗，提高了空間利用率，擴(kuò)大了建筑空間格局，對(duì)建筑生態(tài)節(jié)能及可持續(xù)發(fā)展研究具有一定的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：節(jié)能技術(shù);生態(tài)建筑;光伏發(fā)電;精細(xì)化;能源消耗

中圖分類號(hào)：TM615文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx04009

Energy-saving refined design of ecological building

ZHANG Yiwen1，YANG Min2，HAN Lei3

（1.Infrastructure Construction Department，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，Jiangsu? 210016，China;2.Architects & Engineers Company Limited， Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210018，China;3.Jiangsu Meicheng Architectural & Planning Design Institute Company Limited，Nanjing，Jiangsu 210018，China）

Abstract：In order to reduce the energy consumption of sustainable ecological building system and improve the utilization rate of building space， the refined planning and analysis of ecological building space were carried out from two aspects of building water saving and building power saving. According to the building construction area and server CPU size， the construction water demand was distributed， then the liquid level sensors were applied to control building water use， and the server energy consumption model of water-saving building circulating water system was constructed. Finally， the water-saving design of sustainable ecological energy-saving building was completed. The solar radiation was converted into electrical energy by using solar photovoltaic power generation technology. Taking solar cell components and photovoltaic power generation inverters as the research objects， the solar cell capacity was calculated， and the state equation of photovoltaic power generation inverter was constructed to complete the building photovoltaic power generation design， thereby the refined spatial planning of the building was achieved. The results show that the water energy consumption of the method is 180～400 J and the electric energy consumption is 180～210 J. The space utilization rate of ecological energy-saving building can reach up to 80%. The proposed refined scheme of power and water saving based on photovoltaic power generation reduces energy consumption， improves space utilization rate， and expands the building space pattern. The results have a certain reference value for the research of building ecological energy-saving and sustainable development.

Keywords：energy-saving technology;ecological building;photovoltaic power generation;refinement;energy consumption

生態(tài)建筑的發(fā)展不僅能帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]，還能夠有力促進(jìn)建筑技術(shù)水平的提高。倡導(dǎo)建筑向綠色生態(tài)方向發(fā)展對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展具有重要意義[2-3]。生態(tài)建筑的空間規(guī)劃設(shè)計(jì)一般都要綜合考慮空間環(huán)境、物理環(huán)境、建筑節(jié)水、建筑節(jié)電等因素[4]。王曉晶等[5]設(shè)計(jì)了保障舒適度的城市建筑電力節(jié)能系統(tǒng)，指出城市建筑用電系統(tǒng)的能耗組成，建立相應(yīng)的能耗指標(biāo)。研究城市建筑舒適度的內(nèi)涵，并分析舒適度隨季節(jié)、天氣、溫度、人流量等因素變化所帶來(lái)的不確定性，在此基礎(chǔ)上，建立熱舒適度、光舒適度和乘梯舒適度指標(biāo)，指出城市建筑節(jié)能優(yōu)化是具有不確定性因素的問(wèn)題，不能以降低用戶舒適滿意度為代價(jià)，并建立以用電系統(tǒng)總能耗最小為目標(biāo)函數(shù)，以舒適度為滿足給定置信度水平的機(jī)會(huì)約束條件優(yōu)化模型，采用改進(jìn)PSO算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，完成城市建筑電力節(jié)能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是該方法的建筑空間利用率較低;倪曉晨等[6]以建筑群空調(diào)水系統(tǒng)為研究對(duì)象，在總結(jié)出設(shè)計(jì)功能和實(shí)際使用模式的偏差，建筑循環(huán)水系統(tǒng)服務(wù)器長(zhǎng)期工頻運(yùn)行的基礎(chǔ)上，分析了節(jié)水技術(shù)和節(jié)能技術(shù)在建筑給排水系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，但該方法可操作性較差;王劭輝[7]提出太陽(yáng)能光伏與建筑一體化技術(shù)，通過(guò)利用太陽(yáng)能資源，介紹了太陽(yáng)能光伏建筑一體化中電池組件設(shè)計(jì)選取的方式，證明其具有清潔、環(huán)保、安全的優(yōu)點(diǎn)，符合綠色建筑的要求，并對(duì)其在建筑中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，以推動(dòng)綠色建筑的發(fā)展。

筆者通過(guò)構(gòu)建節(jié)水型建筑循環(huán)水系統(tǒng)服務(wù)器耗能模型、計(jì)算太陽(yáng)能電池容量和建立光伏發(fā)電逆變器狀態(tài)方程，完成建筑節(jié)水和節(jié)電設(shè)計(jì)，使生態(tài)建筑得到良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，從而增加建筑的空間利用率，提高建筑的整體空間格局。第4期張易文，等： 生態(tài)建筑的節(jié)能精細(xì)化設(shè)計(jì)河北工業(yè)科技第38卷

1生態(tài)建筑空間規(guī)劃

“建筑空間”是一個(gè)相對(duì)動(dòng)態(tài)、開(kāi)放的概念。它不能用精確的數(shù)字對(duì)建筑空間進(jìn)行定義，而是利用新結(jié)構(gòu)體系、新材料、新技術(shù)不斷更新建筑空間，使其空間格局逐漸變大。本文從建筑節(jié)能技術(shù)的角度對(duì)生態(tài)建筑空間進(jìn)行精細(xì)化規(guī)劃分析，重點(diǎn)考慮建筑節(jié)水和建筑節(jié)電問(wèn)題[8-9]。

1.1建筑節(jié)水設(shè)計(jì)

在生態(tài)建筑節(jié)水的設(shè)計(jì)中，耗能大、潛力大、管理難度大是水能資源的顯著特征，以此，構(gòu)建節(jié)水型建筑循環(huán)水系統(tǒng)服務(wù)器耗能模型。利用液位傳感器對(duì)建筑用水進(jìn)行控制，減少輸水管線排布空間，降低用水消耗。通常把節(jié)水型建筑循環(huán)水系統(tǒng)的1臺(tái)服務(wù)器消耗的總能量定義為服務(wù)器功率與時(shí)間的乘積，如式（1）所示。

E=Pt，（1）

式中：E為1臺(tái)服務(wù)器在時(shí)間t內(nèi)消耗的總能量;t為服務(wù)器運(yùn)行的時(shí)間;P為服務(wù)器的功率。物理服務(wù)器消耗的能量主要由靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗組成，靜態(tài)功耗比較穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)功耗主要由物理資源所消耗[10]。

當(dāng)1個(gè)建筑施工用水請(qǐng)求分配到1臺(tái)服務(wù)器上時(shí)，服務(wù)器的CPU利用率會(huì)上升，同時(shí)服務(wù)器的耗能也會(huì)相應(yīng)增加。建筑施工用水請(qǐng)求的分配按照建筑施工面積和服務(wù)器的CPU大小來(lái)分配。當(dāng)建筑施工面積成功分配到服務(wù)器上后，可將增加的CPU利用率形式簡(jiǎn)化為vm/pm。所以，當(dāng)1個(gè)建筑施工面積成功分配后，服務(wù)器增加的能耗定義如式（2）所示。

ΔE=Ee-Es=

（kPmax+（1-k）Pmaxue-

（kPmax+（1-k）Pmaxus））（te-ts）=

（Pmax-kPmax）（ue-us）（te-ts） ，（2）

式中：ΔE為服務(wù)器增加的能耗;Es是服務(wù)器CPU利用率為us時(shí)的服務(wù)器耗能;Ee是服務(wù)器的CPU利用率為ue時(shí)的服務(wù)器耗能;（ue-us）即為vm/pm;te和ts分別為建筑施工執(zhí)行結(jié)束時(shí)間和開(kāi)始時(shí)間;Pmax是服務(wù)器滿負(fù)載時(shí)的最大耗能;k為服務(wù)器空閑時(shí)的耗能與服務(wù)器滿負(fù)載時(shí)耗能的比;u為服務(wù)器CPU的利用率。

1臺(tái)服務(wù)器的能耗包括服務(wù)器上所有建筑施工用水消耗的能耗與服務(wù)器本身消耗的能耗總和。在這里，服務(wù)器本身的耗能Epm和所有建筑施工用水的耗能Evm定義分別由式（3）和式（4）所示。

Epm=kPmax（toff-ton） ，（3）

Evm=∑ni=1ΔEi ，（4）

式中：toff為服務(wù)器關(guān)機(jī)時(shí)間;ton為服務(wù)器開(kāi)機(jī)時(shí)間。

數(shù)據(jù)中心的總耗能Edc定義為

Edc=∑nj=1ΔEi+∑mi=1∑mi=1Epm，i ，（5）

式中：Epm，i為第i個(gè)物理服務(wù)器空閑時(shí)的耗能;∑mi=1∑mi=1Epm，i為第i個(gè)物理服務(wù)器上所有建筑施工用水的耗能總和。

與其他系統(tǒng)資源相比，服務(wù)器的耗能會(huì)隨著負(fù)載的不同而呈現(xiàn)變化，因此CPU的利用率與服務(wù)器的功率有很大關(guān)系。隨著CPU利用率的增長(zhǎng)，服務(wù)器電源消耗也呈線性增長(zhǎng)。因此節(jié)水型建筑循環(huán)水系統(tǒng)服務(wù)器耗能模型的定義如下：

P（u）=kPmax+（1-k）Pmaxu。（6）

綜合上述分析，完成生態(tài)建筑節(jié)水設(shè)計(jì)。

1.2建筑節(jié)電設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能作為新興的再生能源，安全環(huán)保，光伏建筑一體化是應(yīng)用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電的新概念。光伏發(fā)電技術(shù)利用太陽(yáng)能發(fā)電，是可再生能源技術(shù)，利用光伏電池光伏效應(yīng)，把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成電能[11]。生態(tài)建筑表面的光伏發(fā)電系統(tǒng)，能夠成為太陽(yáng)輻射接受面，電能自發(fā)自用，無(wú)需占用額外的土地，減少電力管線排布空間，節(jié)省建筑內(nèi)部空間占地，降低了電力的損耗，極大地提升了建筑空間利用率。光伏發(fā)電精細(xì)化集成整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

經(jīng)過(guò)太陽(yáng)的照射，太陽(yáng)能電池方陣所產(chǎn)生的直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電，在夜間，光伏系統(tǒng)不能產(chǎn)生電能，發(fā)電系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。依據(jù)負(fù)荷分析以及耗電計(jì)算，光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量無(wú)法滿足建筑的用電負(fù)荷，針對(duì)這種情況，以太陽(yáng)能電池組件和光伏發(fā)電逆變器為研究目標(biāo)，對(duì)生態(tài)建筑光伏發(fā)電改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。逆變器等效電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

在圖2中，有8個(gè)功率開(kāi)關(guān)組件T1-T8，實(shí)現(xiàn)逆變器的轉(zhuǎn)換功能，L1-L3是三相橋臂上等效濾波電感，圖中的Ln是增加橋臂上等效濾波電感，C1-C3是三相橋臂上等效濾波電容，R1-R3是光伏逆變器模擬負(fù)載。光伏逆變器的控制框圖如圖3所示。

在光伏逆變器控制模塊設(shè)計(jì)中，以DSP為主控制單元，根據(jù)雙閉環(huán)控制構(gòu)架，處理器選取TI公司的TMS320LF2812。處理器的事件管理模塊包含定時(shí)器、PWM單元、比較器以及捕獲單元。通過(guò)該芯片中4個(gè)ePWM單元，給主電路4個(gè)橋臂提供脈沖輸出，以控制8個(gè)功率器件，利用此芯片檢測(cè)信號(hào)輸出并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

電壓和電流采樣通過(guò)電壓和電流的傳感器實(shí)現(xiàn)。首先確定太陽(yáng)能電池容量。在考慮光伏方陣功率、逆變器轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載容量的條件下，為滿足在陰雨天氣持續(xù)供電的要求，應(yīng)提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流電壓，減少線路損耗，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的生態(tài)建筑空間精細(xì)化規(guī)劃[12-13]，則利用式（7）確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流電壓。

C=TdKWpLU ，（7）

式中：C代表太陽(yáng)能電池容量;Td代表太陽(yáng)能電池自給天數(shù);K代表太陽(yáng)能電池放電效率的修正系數(shù)，一般取值為1.05;Wp代表負(fù)載平均耗電量;L代表太陽(yáng)能電池維修保養(yǎng)率，一般取值為0.8;U代表太陽(yáng)能電池放電深度，一般取值為0.5。

其次，對(duì)光伏發(fā)電逆變器進(jìn)行分析，建立光伏發(fā)電逆變器狀態(tài)方程。通過(guò)對(duì)各個(gè)橋臂占空比進(jìn)行確定，以此提高光伏發(fā)電集成的穩(wěn)定性，則占空比為Dii=A，B，C，n 。得到輸入電壓ud與各個(gè)相的輸出電壓間關(guān)系為

uA=DAud，

uB=DBud，

uC=DCud，

un=Dnud。 （8）

通過(guò)電路的工作原理，A，B，C三相橋臂上輸出的電壓為

uAn=uA-un=L1diAdt+uA-Lndindt，

uBn=uB-un=L2diBdt+uA-Lndindt，

uCn=uC-un=L3diCdt+uA-Lndindt，

iA+iB+iC+in=0， （9）

式中：iA，iB，iC代表A，B，C相的電流;in代表中性點(diǎn)橋臂的電流;un代表第4個(gè)橋臂上的電壓。光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電壓隨著負(fù)載的變化而變化，僅需對(duì)其相應(yīng)橋臂驅(qū)動(dòng)通斷進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定性控制[14-15]。根據(jù)對(duì)A，B，C三相橋臂上輸出的電壓進(jìn)行分析，利用解耦控制法來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器的控制。將4個(gè)橋臂上等效濾波電感當(dāng)作輸入電源內(nèi)部阻抗，根據(jù)引入增量的辦法把中線阻抗值轉(zhuǎn)換為零，將其他的三相阻抗等效成較低的阻抗值。進(jìn)行解耦時(shí)，在A，B，C三相每相串相應(yīng)電壓增量ΔuAn，ΔuBn，ΔuCn，利用求解增量的系數(shù)使unn=0，unn代表中線輸出和參考點(diǎn)之間的電壓。通過(guò)上述得知，解耦目標(biāo)為unn=0。假設(shè)kp，kn，kl 3個(gè)系數(shù)滿足約束條件，那么能夠?qū)崿F(xiàn)三相解耦。其中，解耦之后輸出的三相中，每相阻抗值降為原來(lái)的1/（kp+1），則光伏發(fā)電逆變器狀態(tài)方程為

kl=kn-0.4/kp 。（10）

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池組件和光伏發(fā)電逆變器的設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了連續(xù)陰雨天氣造成的太陽(yáng)能供給不穩(wěn)定性，完成了生態(tài)建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本文通過(guò)對(duì)建筑用水進(jìn)行合理控制，減少了水能源消耗;利用太陽(yáng)能可再生技術(shù)把太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化成電能，減少了對(duì)公共電網(wǎng)的用電量需求，減少了非可再生能源消耗量，無(wú)需占用額外的土地而完成建筑的用電優(yōu)化，積極開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能可再生技術(shù)，節(jié)省了建筑空間占地，有效實(shí)現(xiàn)了生態(tài)建筑空間精細(xì)化規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2仿真分析

為了證明生態(tài)建筑空間精細(xì)化規(guī)劃方法的有效性，利用Matlab仿真工具，在Microsoft Windows XP操作系統(tǒng)，Intel（R）Celeron（R） 2.6 GHz處理器，24 GB內(nèi)存的環(huán)境下搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自于某生態(tài)建筑。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：kp=0.05，在確定零相電感的情況下，kl=2。由式（10）可得kn=0.5。圖4為光伏發(fā)電三相中A相和B相電壓波形圖。

由圖4可知，光伏逆變器輸出的三相中A，B兩相的電壓波形畸變率較小，發(fā)電系統(tǒng)可以平穩(wěn)運(yùn)行，證實(shí)了所提方法具有穩(wěn)定性。

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，驗(yàn)證水能源和電能源的消耗量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲取仿真數(shù)據(jù)，并與文獻(xiàn)[5]方法、文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法的生態(tài)建筑的水能源和電能源消耗量進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5 a）可知，本文方法的生態(tài)建筑水能源消耗量為180～400 J，比文獻(xiàn)[5]方法、文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法的生態(tài)建筑水能源消耗量低。根據(jù)圖5 b）可知，隨著迭代次數(shù)的增長(zhǎng)，本文方法的生態(tài)建筑電能源消耗量為180～210 J，比文獻(xiàn)[5]方法、文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法的生態(tài)建筑電能源消耗量低。說(shuō)明本文方法可以降低生態(tài)建筑能源消耗量。

為了進(jìn)一步證明本文方法的有效性，對(duì)文獻(xiàn)[5]方法、文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法的生態(tài)建筑空間利用率進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，隨著迭代次數(shù)的增長(zhǎng)，本文方法的建筑空間利用率呈現(xiàn)逐漸上升的狀態(tài)，最高可達(dá)到80%，而文獻(xiàn)[5]方法、文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法的建筑空間利用率呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，本文方法的建筑空間利用率比文獻(xiàn)[5]方法、文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法的建筑空間利用率高，且具有較高的穩(wěn)定性，說(shuō)明本文方法可以有效提高建筑整體空間格局。

3結(jié)語(yǔ)

生態(tài)建筑是建筑領(lǐng)域中新的研究熱點(diǎn)，是建筑業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志，也是貫徹國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵問(wèn)題。筆者提出了基于光伏發(fā)電的生態(tài)建筑空間精細(xì)化規(guī)劃方法。

1）以建筑節(jié)水、建筑節(jié)電2項(xiàng)節(jié)能技術(shù)為視角，規(guī)劃分析生態(tài)建筑空間。

2）通過(guò)液位傳感器來(lái)控制建筑用水，根據(jù)建筑面積和服務(wù)器CPU的大小來(lái)分配建筑用水請(qǐng)求，再根據(jù)分配結(jié)果建立節(jié)水型建筑循環(huán)水系統(tǒng)服務(wù)器的能耗模型，完成生態(tài)建筑節(jié)水設(shè)計(jì)，減少排水管排布空間，降低用水量。

3）采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，以太陽(yáng)能電池組件和光伏逆變器為研究對(duì)象，計(jì)算太陽(yáng)能電池容量，建立光伏逆變器狀態(tài)方程，完成生態(tài)建筑節(jié)電設(shè)計(jì)。

在電壓波形穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，以水能源和電能源消耗量為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)能源消耗和建筑空間利用率進(jìn)行考察。結(jié)果顯示：與傳統(tǒng)方法對(duì)比，本研究的生態(tài)建筑水能源消耗和電能源消耗量最低;建筑空間利用率呈現(xiàn)出逐步提高的趨勢(shì)，最高可達(dá)80%，具有更高的穩(wěn)定性。

隨著人們生態(tài)節(jié)能理念的改變和認(rèn)知的不斷深入，對(duì)生態(tài)節(jié)能的研究將會(huì)更加廣泛。本研究具有一定的局限性，在建筑空間規(guī)劃用時(shí)和空間方面還有待進(jìn)一步研究。

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