近零能耗居住建筑室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)控仿真研究

孫 楊，李曉晨

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130122)

1 引言

近年來(lái)，隨著全球氣溫變化形式越來(lái)越嚴(yán)峻，傳統(tǒng)化石能源日益匱乏以及社會(huì)環(huán)境壓力越來(lái)越大的情況下。建筑能源消耗和環(huán)境控制問(wèn)題越來(lái)越引起世界各個(gè)國(guó)家的關(guān)注。建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中新型能源的使用以及新概念建筑設(shè)計(jì)思想越來(lái)越被得到各國(guó)建筑設(shè)計(jì)與能源部門和研究學(xué)者的重視。于此同時(shí)，在如何降低能源消耗的同時(shí)，并且提高整個(gè)建筑環(huán)境舒適度的情況下完成整個(gè)建筑的綠色設(shè)計(jì)對(duì)建筑能源和環(huán)境控制系統(tǒng)提出了新的要。在此背景下，NZEBs(近零能耗)建筑設(shè)計(jì)的理念應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)也是世界各國(guó)在建筑設(shè)計(jì)和建筑能源消耗領(lǐng)域技能的一個(gè)極其重要的發(fā)展趨勢(shì)。在進(jìn)行近零能耗建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，NZEBs首先強(qiáng)調(diào)以目標(biāo)建筑的環(huán)境性能指標(biāo)為最終的設(shè)計(jì)導(dǎo)向，同時(shí)NZEBs更加注重整個(gè)建筑在氣候、溫濕環(huán)境、空間環(huán)境、氣流交互等人體居住環(huán)境的適應(yīng)性。在實(shí)現(xiàn)優(yōu)雅舒適的室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控過(guò)程中，NZEBs首先以傳統(tǒng)被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)來(lái)最大程度降低整個(gè)建筑在供暖、空氣交互、空調(diào)、空氣凈化消耗、照明等日用基本需求；其次，NZEBs采用主動(dòng)能源控制技術(shù)最大程度空間條件下來(lái)提高整個(gè)建筑中各個(gè)建筑能源設(shè)備與整個(gè)能源系統(tǒng)的工作效率。在此基礎(chǔ)上，NZEBs系統(tǒng)充分利用光伏、熱能等現(xiàn)代綠色可再生能源，從而達(dá)到整個(gè)建筑系統(tǒng)消耗最少的能源、提供最佳的優(yōu)雅舒適環(huán)境的使用要求。

當(dāng)前，現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，關(guān)于NZEBs建筑設(shè)計(jì)得到了很多學(xué)者的研究。其中，湯晟怡[1]等作者探討了建筑室內(nèi)濕環(huán)境指標(biāo)與建筑新風(fēng)量指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了探討。首先，在進(jìn)行探討兩者之間的關(guān)聯(lián)性時(shí)，文章從建筑室內(nèi)空氣的濕度指標(biāo)這一健康關(guān)聯(lián)因素作為研究的為切入點(diǎn)；其次，文章以溫濕度環(huán)境在30%

綜合可以看出，目前關(guān)于近零能耗建筑研究的過(guò)程中都是基于目前現(xiàn)有的開源軟件進(jìn)行建筑能耗分析，而關(guān)于能量消耗最優(yōu)的情況卻少之甚少；其次，在分析的過(guò)程中研究人員很少對(duì)整個(gè)建筑的能耗模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模等，僅僅是根據(jù)目前的建筑模型進(jìn)行分析。因此，本文提出了一種基于能量消耗最優(yōu)的近零能耗建筑建模與仿真方法。該方法主要從建筑的能量消耗理論建模為切入點(diǎn)，研究以能量消耗最優(yōu)為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法。從而為整個(gè)建筑系統(tǒng)提供更為可靠的理論設(shè)計(jì)模型。

2 建筑模型設(shè)計(jì)

在對(duì)近零能耗室內(nèi)建筑進(jìn)行建模的過(guò)程中，以我國(guó)目前比較典型的商務(wù)辦公室內(nèi)環(huán)境為例進(jìn)行建模。由于本論文主要研究室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)控方案與仿真，因此在建模模擬的過(guò)程中將辦公面積(10m*10m*10m)的立體空間V，中央濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)功率P，室內(nèi)空氣密度ρa(bǔ)ir，室內(nèi)通風(fēng)面積S，室內(nèi)人員密集程度ρpeo等因素作為動(dòng)態(tài)因素進(jìn)行考慮。

為了能夠更好的說(shuō)明本文提出模型的普遍適用性，文章分別對(duì)我國(guó)的不同的氣候區(qū)域的典型城市進(jìn)行仿真，主要包括嚴(yán)寒地區(qū)的哈爾濱、寒冷地區(qū)的北京、四季溫和地區(qū)昆明、夏熱冬冷地區(qū)上海以及夏熱冬暖地區(qū)深圳等地作為主要仿真對(duì)象。

2.1 室內(nèi)建筑濕度計(jì)算原理與建模

結(jié)合上述影響室內(nèi)建筑濕環(huán)境調(diào)控的設(shè)計(jì)因素，構(gòu)建模擬室內(nèi)環(huán)境變化的濕環(huán)境平衡方程如下

(1)

(2)

其中，κ為中央濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)工作功率調(diào)控比例系數(shù)。

(3)

其中，ξ為模型中室內(nèi)人員對(duì)室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)控的比例系數(shù)。

2.2 建筑室內(nèi)濕環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

近零能耗建筑室內(nèi)濕環(huán)境的合適與否直接影響室內(nèi)各種微生物、細(xì)菌滋生程度，從而直接影響室內(nèi)工作人員的健康狀況，建筑室內(nèi)濕環(huán)境過(guò)高、過(guò)低都會(huì)帶來(lái)一定的人員生活將抗風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文結(jié)合當(dāng)前濕環(huán)境與室內(nèi)人員健康、微生物生存環(huán)境等等因素，將近零能耗建筑室內(nèi)濕環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)定義為如下表幾類：

表1 室內(nèi)濕環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

如表1所示，不同室內(nèi)適度環(huán)境對(duì)建筑室內(nèi)人員的影響也不一樣；室內(nèi)rh過(guò)大過(guò)小都會(huì)對(duì)人體帶來(lái)不適感，同時(shí)對(duì)室內(nèi)微生物、細(xì)菌等滋生帶來(lái)?xiàng)l件。當(dāng)建筑室內(nèi)相對(duì)濕環(huán)境過(guò)高時(shí)，夏天會(huì)抑制人體散熱，使人感到十分悶熱、煩躁，冬天則會(huì)加速室內(nèi)熱傳導(dǎo)，使人覺(jué)得陰冷、抑郁等情況，特別是對(duì)于深圳、上海等南方地區(qū)。相反，如果室內(nèi)濕環(huán)境過(guò)低，對(duì)人體影響主要因?yàn)樯虾粑勒衬さ乃执罅可⑹?，人?huì)感到口干、舌燥，甚至咽喉腫痛、聲音嘶啞和鼻出血等，并且人容易患感冒，這些現(xiàn)象在尤其在北方特別嚴(yán)重。因此，良好的室內(nèi)濕環(huán)境不僅可以讓人感到舒適，同時(shí)可以讓人身心愉悅。

3 基于最優(yōu)控制理論的濕調(diào)控建模與仿真

為了使建筑內(nèi)濕環(huán)境保持在一定的濕度范圍內(nèi)，本文提出了基于最優(yōu)控制理論的建筑室內(nèi)濕環(huán)境控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖所示：

圖1 室內(nèi)濕環(huán)境系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

采用最優(yōu)控制理論來(lái)對(duì)建筑室內(nèi)濕環(huán)境進(jìn)行調(diào)控的過(guò)程中，首先定義室內(nèi)濕環(huán)境狀態(tài)變量為X=[xrh，xp，xsw]，室內(nèi)濕環(huán)境系統(tǒng)的調(diào)控的控制輸入為U*=[up，usw]。由于近零能耗建筑室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)控首要考慮的性能指標(biāo)是系統(tǒng)的整體能耗，而整個(gè)系統(tǒng)的能耗主要是由于室內(nèi)中央室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)工作功率的大小up，以及室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境控制率usw。同時(shí)，整個(gè)建筑室內(nèi)濕環(huán)境控制過(guò)程中存在的約束條件為室內(nèi)通風(fēng)開關(guān)面積，以及中央濕環(huán)境控制系統(tǒng)額定功率。將約束條件轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型如下公式

(4)

式(4)中PF表示中央濕環(huán)境控制系統(tǒng)額定功率；Swindow為室內(nèi)濕環(huán)境通風(fēng)控制窗口開關(guān)面積。

因此，定義關(guān)于室內(nèi)濕環(huán)境控制系統(tǒng)能量消耗最小，以及終端濕環(huán)境指標(biāo)誤差最小的指標(biāo)函數(shù)為

(5)

式(5)中，xt0為室內(nèi)濕環(huán)境控制系統(tǒng)初始狀態(tài)，xtf為室內(nèi)濕環(huán)境控制系統(tǒng)濕環(huán)境目標(biāo)終端狀態(tài)。

根據(jù)式(5)，建立關(guān)于J*的Hamiltonian方程為：

(6)

其中，f(x)為系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)；λ為拉個(gè)朗日乘子且λ表達(dá)式為

(7)

將式(5)對(duì)濕環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)變量x求一階偏導(dǎo)可得

(8)

根據(jù)式(8)可以得到系統(tǒng)的最優(yōu)控制輸入為

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

根據(jù)式(5)和式(13)可得

(14)

(15)

式(15)進(jìn)一步可得最優(yōu)控制消耗表達(dá)式為

(16)

4 數(shù)字仿真與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)建模與調(diào)控方法的有效性，本節(jié)論文將采用半物理驗(yàn)證的方式來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整和模擬整個(gè)建筑系統(tǒng)濕環(huán)境調(diào)控。由于現(xiàn)實(shí)找到對(duì)應(yīng)的測(cè)試建筑空間和搭建系統(tǒng)經(jīng)費(fèi)有限。在仿真的過(guò)程中將原來(lái)的室內(nèi)空間體積按照10：1的比例尺進(jìn)行等比例縮小，同時(shí)中央濕環(huán)境的模擬調(diào)控設(shè)備的最大功率為48W，濕環(huán)境交互面積也按照10：1的環(huán)境進(jìn)行等比例縮小，其次測(cè)試空間內(nèi)的人體密度為1?；谝陨霞僭O(shè)，半物理仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖2 半物理仿真結(jié)構(gòu)示意圖

首先在仿真之前，對(duì)系統(tǒng)濕環(huán)境控制傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如下。

圖3 濕環(huán)境控制系統(tǒng)標(biāo)定曲線

在仿真過(guò)程中通過(guò)桌面計(jì)算機(jī)分別給溫濕環(huán)境控制系統(tǒng)發(fā)送不同濕溫環(huán)境指標(biāo)，可以得到如下系統(tǒng)濕溫環(huán)境變化曲線。

圖4 室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)控曲線

圖5 調(diào)控過(guò)程功耗變化曲線

結(jié)合圖4和5可以看出，系統(tǒng)在進(jìn)行濕環(huán)境調(diào)控的過(guò)程中，系統(tǒng)可以迅速完成對(duì)目標(biāo)濕環(huán)境指標(biāo)的跟蹤，并且可以持續(xù)保持穩(wěn)定。其次結(jié)合功耗曲線可以看出，系統(tǒng)在調(diào)控過(guò)程中功耗相對(duì)較大一些，同時(shí)在達(dá)到目標(biāo)濕環(huán)境指標(biāo)后，系統(tǒng)的功耗幾乎降低至0。從側(cè)面反映了系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)能力和低功耗調(diào)節(jié)能力。

5 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前比較典型的近零能耗系統(tǒng)從能耗的角度進(jìn)行了分析和建模。文章以辦公室內(nèi)建筑為研究出發(fā)點(diǎn)，集合人體對(duì)室內(nèi)濕控環(huán)境的感受程度，通過(guò)研究文章細(xì)分并定義了不同條件下的室內(nèi)濕溫環(huán)境指標(biāo)；其次，文章結(jié)合影響室內(nèi)濕環(huán)境因素，對(duì)室內(nèi)濕控環(huán)境進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模；然后，文章結(jié)合最優(yōu)控制理論從能量消耗建立的以能量消耗最優(yōu)的情況下建立的最優(yōu)控制模型，同時(shí)結(jié)合動(dòng)態(tài)規(guī)劃對(duì)系統(tǒng)最優(yōu)控制進(jìn)行求解。最后論文為了驗(yàn)證系統(tǒng)模型的有效性，搭建了對(duì)應(yīng)版的物理仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。通過(guò)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文建立模型的有效性。