民居建筑可再生能源供熱供冷模式復(fù)合節(jié)能方法分析

申建光

（西安市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安710054）

0 引言

民居建筑中供熱供冷模式是建筑能耗的主要一部分［1］， 為了能夠節(jié)省民居建筑能源的使用［2-3］， 需要對(duì)民居建筑可再生能源供熱供冷模式的復(fù)合節(jié)能應(yīng)用實(shí)行詳細(xì)分析。

張朝陽(yáng)等［4］提出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床等待過(guò)程節(jié)能方法研究， 對(duì)整體生產(chǎn)進(jìn)度實(shí)行了有效評(píng)估，并將生產(chǎn)進(jìn)度數(shù)據(jù)用作數(shù)據(jù)輸入， 以此建立出預(yù)測(cè)模型， 利用該模型對(duì)需要等待的時(shí)間預(yù)測(cè)， 根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)機(jī)床的狀態(tài)變換， 達(dá)到降低能耗的目的， 再對(duì)其開展案例分析， 依據(jù)分析結(jié)果獲取能耗對(duì)比結(jié)果， 從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排， 但是評(píng)估效果差， 存在綜合節(jié)能率差的問(wèn)題。 劉堂等［5］提出基于人體熱適應(yīng)的相變蓄熱墻體房間節(jié)能性能評(píng)價(jià)方法， 首先建立了墻體熱容法模型和傳熱模型，并采用有限差分法對(duì)兩種模型的離散方程實(shí)行獲取， 通過(guò)對(duì)節(jié)能貢獻(xiàn)率的求解， 將其應(yīng)用到城市建筑中對(duì)建筑能源的節(jié)能效果實(shí)行評(píng)價(jià)， 從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能方法的研究， 但是評(píng)價(jià)效果不夠完善， 存在節(jié)能性能低的問(wèn)題。 張俊玉等［6］提出CART 決策樹方法在煤電廠節(jié)能降耗中的應(yīng)用方法， 從熱力設(shè)備中獲取煤電廠的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)， 采用CART 決策樹關(guān)聯(lián)規(guī)則方法對(duì)控制不同工況下的煤耗， 提升了煤耗節(jié)能效率， 再以煤電廠歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)為研究對(duì)象， 利用CART 決策樹方法對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)控，將其與傳統(tǒng)方法對(duì)比， 驗(yàn)證了煤耗節(jié)能降低效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)能方法的研究， 但是調(diào)控結(jié)果不明顯， 存在耗能高的問(wèn)題。

為了解決上述方法中存在的問(wèn)題， 提出民居建筑可再生能源供熱供冷模式復(fù)合節(jié)能方法分析。

1 民居建筑能源影響因素分析及能耗負(fù)荷模擬計(jì)算

1.1 民居建筑可再生能源影響因素

民居建筑可再生能源在供應(yīng)時(shí)會(huì)因?yàn)槎喾N因素干擾導(dǎo)致能源在供熱供冷模式下消耗過(guò)多， 其主要原因與民居建筑的外形、 布局、 結(jié)構(gòu)等參數(shù)的組成有著密切關(guān)系。 而內(nèi)部因素則是因?yàn)槿藛T密度、 結(jié)構(gòu)、 設(shè)備照明等， 外界因素為外界氣象條件。

（1） 自身影響

民居建筑物與室外空氣中的接觸的表面積及包圍體積之間的比值就是民居建筑的體形系數(shù)，它與民居建筑的能源消耗有著關(guān)聯(lián)性， 當(dāng)民居建筑物的體形系數(shù)越大時(shí)， 建筑所消耗的能源就越大； 反之則越小， 同時(shí)對(duì)建筑節(jié)能就越有效果。在常規(guī)的民居建筑規(guī)劃期間， 可以利用下述方程表達(dá)式對(duì)民居建筑物的體形系數(shù)計(jì)算， 從而確定民居建筑的底面形狀、 建筑面積、 高度等。 該方程表達(dá)式定義如下：

式中：η描述的是民居建筑體形系數(shù)，F(xiàn)描述的是外表面積，V描述的是建筑體積，a描述的是建筑底面寬，b描述的是底面長(zhǎng)，h描述的是高度。

通過(guò)上述方程表達(dá)式可知， 民居建筑的樓層高度及樓層數(shù)量都會(huì)對(duì)體形系數(shù)造成影響。 層高層數(shù)越多， 與其相對(duì)應(yīng)的體形系數(shù)就會(huì)越小， 民居建筑的可再生能源在供冷供熱模式下也就更加節(jié)能。 一般情況下， 民居建筑建立過(guò)程中需要遵循設(shè)定的建筑高度控制規(guī)定， 具有限制性， 所以各個(gè)民居建筑的層數(shù)變化范圍較小， 根據(jù)常規(guī)調(diào)研及研究即可獲取民居建筑的建筑層高。

（2） 內(nèi)部因素

民居建筑可再生能源中的內(nèi)熱源是影響民居建筑節(jié)能的主要影響因素。 民居建筑可再生能源處于冷負(fù)荷時(shí)， 內(nèi)熱源就會(huì)隨著負(fù)荷的增大而產(chǎn)生變化， 導(dǎo)致建筑內(nèi)部的能源負(fù)荷比重過(guò)大。 而民居建筑可再生能源處于熱負(fù)荷時(shí)， 內(nèi)熱源就會(huì)降低建筑中的負(fù)荷大小， 具體體現(xiàn)在夏季、 冬季的空調(diào)負(fù)荷中。 由此可得， 內(nèi)部因素會(huì)對(duì)民居建筑的負(fù)荷預(yù)測(cè)精度造成影響。

（3） 外界因素

民居建筑室外空氣的溫濕度與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度均體現(xiàn)在室外設(shè)計(jì)參數(shù)中。 民居建筑若主要應(yīng)用動(dòng)態(tài)負(fù)荷， 那么設(shè)計(jì)的室外參數(shù)也是動(dòng)態(tài)的。 民居建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)表現(xiàn)為溫濕度兩方面， 無(wú)論是室外參數(shù)還是室內(nèi)參數(shù)， 都會(huì)對(duì)民居建筑的主要負(fù)荷產(chǎn)生影響， 那么具體的負(fù)荷影響因素如表1所示。

表1 民居建筑可再生能源負(fù)荷消耗影響因素Table 1 influencing factors of renewable energy load consumption in residential buildings

通過(guò)表1 獲取影響能源負(fù)荷消耗的主要因素［7］， 并以此為基礎(chǔ)計(jì)算出民居建筑可再生能源供熱供冷模式下消耗的負(fù)荷。

1.2 供熱供冷模式能耗負(fù)荷計(jì)算

（1） 民居建筑供冷供熱模式下的能耗計(jì)算

為了能夠有效計(jì)算出民居建筑在供冷供熱模式下的可再生能源消耗量， 采用熱平衡法［8］將民居建筑的外表面熱平衡、 內(nèi)表面熱平衡、 整體熱平衡、 空氣熱平衡等相互關(guān)聯(lián)， 以此達(dá)到獲取民居建筑表面溫度及空氣溫度的目的， 從而計(jì)算內(nèi)在負(fù)荷。 那么民居建筑可再生能源的導(dǎo)熱系數(shù)用方程定義如下：

由于方程（2） 的表達(dá)式對(duì)民居建筑的動(dòng)態(tài)傳熱計(jì)算結(jié)果的計(jì)算精度較差， 所以需要對(duì)方程（2） 改進(jìn)， 取得導(dǎo)熱傳遞方程， 定義如下：

式中：標(biāo)記為導(dǎo)熱傳遞，Zo描述的是外部導(dǎo)熱傳遞系數(shù)，Yo標(biāo)記為外表面熱平衡，Yj標(biāo)記為中間導(dǎo)熱傳遞系數(shù)。

方程（3） 既是導(dǎo)熱傳遞方程也是民居建筑可再生能源內(nèi)部熱流量計(jì)算方程表達(dá)式， 而民居建筑可再生能源的外部熱流量如下式定義：

基于以上方程可知， 民居建筑的內(nèi)表面及外表面的溫度和熱流量都與民居建筑的能耗有關(guān)，所以利用熱平衡法取得民居建筑的表面溫度后，將其應(yīng)用到可再生能源供熱供冷模式下的建筑輻射板能耗計(jì)算中， 從而取得民居建筑的輻射板能耗。

（2） 負(fù)荷敏感性分析

民居建筑除了需要計(jì)算可再生能源在供熱供冷模式下的能耗， 還要對(duì)建筑冷熱負(fù)荷展開敏感性分析［9］， 研究建筑的影響因素?cái)?shù)值， 獲取影響因素對(duì)建筑負(fù)荷造成的影響程度， 即敏感性系數(shù)。計(jì)算方式表示如下。

民居建筑的影響因素是對(duì)結(jié)果系數(shù)產(chǎn)生的影響程度， 也被稱作敏感性系數(shù)， 敏感性系數(shù)中主要分為三種系數(shù)， 分別是： 結(jié)果影響程度的系數(shù)，即IC； 系數(shù)變量，ΔIP與ΔOP， 三種系數(shù)變量之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 負(fù)荷敏感性分析關(guān)系圖Fig.1 Load sensitivity analysis diagram

式中：OP1標(biāo)記為參數(shù)輸入變動(dòng)前的影響因素?cái)?shù)值，IP1標(biāo)記為輸出參數(shù)變動(dòng)前的數(shù)值，OP2、IP2分別表示輸入、 輸出參數(shù)變動(dòng)后數(shù)值，O-P、I-P輸入、輸出參數(shù)變動(dòng)前后的平均值。

基于獲取的能耗數(shù)據(jù)及敏感性系數(shù)， 對(duì)民居建筑在不同時(shí)期下的冷負(fù)荷、 熱負(fù)荷、 能耗分析，從中取得民居建筑負(fù)荷與各個(gè)影響因素的數(shù)理關(guān)系， 通過(guò)獲取結(jié)果建立負(fù)荷節(jié)能優(yōu)化模型， 達(dá)到降低建筑負(fù)荷的目的， 實(shí)現(xiàn)負(fù)荷節(jié)能。

2 建立供熱供冷模式下的多周期負(fù)荷節(jié)能優(yōu)化模型

2.1 多周期負(fù)荷節(jié)能定義

建立供熱供冷模式下的多周期負(fù)荷節(jié)能優(yōu)化模型前， 首先需要構(gòu)建一個(gè)民居建筑熱泵機(jī)組運(yùn)行功率計(jì)算模型， 以該模型為基礎(chǔ)確立民居建筑的壓縮機(jī)功耗， 用方程表達(dá)式定義如下：

式中：Pat標(biāo)記為實(shí)際運(yùn)行功率，Qnt標(biāo)記為實(shí)際制冷量，tt標(biāo)記為冷卻水回水溫度，t0標(biāo)記為供冷水供水溫度，n0標(biāo)記為擬合系數(shù)。

2.2 目標(biāo)函數(shù)及求解

將民居建筑全周期的最低運(yùn)行能耗為主， 利用上述構(gòu)建的模型對(duì)建筑中的實(shí)際運(yùn)行特性反應(yīng)，體現(xiàn)出民居建筑熱泵機(jī)組的最佳運(yùn)行狀態(tài)［10］， 取得全周期的實(shí)際最低能耗， 表示為：

式中：minENERGY標(biāo)記為運(yùn)行最小能耗值，T標(biāo)記為運(yùn)行時(shí)間，Pat標(biāo)記為運(yùn)行功率函數(shù)，Yat標(biāo)記為運(yùn)行情況。

2.3 約束條件及求解

以民居建筑設(shè)備運(yùn)行特性及能量守恒原理為主， 構(gòu)建模型數(shù)值上的約束條件。

（1） 建筑設(shè)備約束

式中：QL標(biāo)記為設(shè)備制冷量下限，QU標(biāo)記為設(shè)備制冷量上限，Qnt標(biāo)記為實(shí)際制冷量。

建筑設(shè)備的最大冷負(fù)荷不能高于額定數(shù)值，所以設(shè)定設(shè)備負(fù)荷下限為：0.2Qn≤Qnt≤Qn。式中：Qn標(biāo)記為額定制冷量。

（2） 負(fù)荷約束

民居建筑設(shè)備運(yùn)行時(shí)， 設(shè)備的實(shí)際制冷量總和要符合周期總負(fù)荷， 定義為：∑nQnt≥Dt。式中：Dt標(biāo)記為總負(fù)荷需求。

（3） 運(yùn)行邏輯約束

建立的節(jié)能優(yōu)化模型中，Yat為設(shè)備運(yùn)行邏輯變量， 也是設(shè)備在多時(shí)期運(yùn)行的情況， 因而設(shè)定設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)， 取值為1； 而設(shè)備停止運(yùn)行后， 取值為0。

上述目標(biāo)函數(shù)及約束條件為建立的民居建筑可再生能源供熱供冷模式負(fù)荷節(jié)能優(yōu)化模型， 將民居建筑可再生能源及建筑設(shè)備的初始數(shù)據(jù)輸入到模型中， 其最終輸出結(jié)果就是最佳節(jié)能量， 以此實(shí)現(xiàn)民居建筑負(fù)荷節(jié)能。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證民居建筑可再生能源供熱供冷模式復(fù)合節(jié)能方法分析的整體有效性， 需要對(duì)該方法開展實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試。

采用民居建筑可再生能源供熱供冷模式復(fù)合節(jié)能方法分析（方法1）、 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床等待過(guò)程節(jié)能方法研究（方法2） 和基于人體熱適應(yīng)的相變蓄熱墻體房間節(jié)能性能評(píng)價(jià)方法（方法3） 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

（1） 選取某一民居建筑作為研究對(duì)象， 采用方法1、 方法2 和方法3 對(duì)設(shè)定的民居建筑在不同氣候下進(jìn)行建筑供能節(jié)能率模擬測(cè)試， 根據(jù)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證民居建筑能源節(jié)能效果， 建筑節(jié)能率越高， 說(shuō)明該方法的節(jié)能效果越強(qiáng)， 反之則越差。具體測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 民居建筑本體節(jié)能率對(duì)比測(cè)試Fig.2 Comparison test of energy saving rate of residential buildings

民居建筑外部氣候的變化會(huì)隨著月份的增長(zhǎng)而產(chǎn)生變化， 在不同月份下， 方法1 的民居建筑本體節(jié)能率在30%～50%之間， 它的整體節(jié)能率要高于方法2 和方法3， 可見方法1 的節(jié)能效果強(qiáng)。

以民居建筑本體節(jié)能率為基礎(chǔ)， 利用三種方法對(duì)不同氣候分區(qū)下的民居建筑開展建筑綜合節(jié)能率測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同分區(qū)下的建筑綜合節(jié)能率對(duì)比分析Fig.3 Comparative analysis of the comprehensive energy saving rate of buildings under different zones

從圖3 （a） 中可以看出， 嚴(yán)寒地區(qū)下各個(gè)方法的民居建筑綜合節(jié)能率都處于50%以上， 綜合節(jié)能效果較高。 經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 方法2 和方法3 的綜合節(jié)能率整體差異較小， 但兩種方法與方法1 的差距較大， 可見嚴(yán)寒地區(qū)下方法1 的民居建筑綜合節(jié)能率最佳。

而在夏熱冬暖地區(qū)， 如圖3 （b） 所示， 三種方法的綜合節(jié)能率都有所上升， 與圖3 （a） 相比，三種方法在此氣候下綜合節(jié)能效果均有所上漲。其中效果最明顯的是方法1， 它在夏熱冬暖地區(qū)下綜合節(jié)能效果達(dá)到了80%以上， 而其余方法僅處于60%以上， 由此得知方法1 在任意氣候分區(qū)下的民居建筑綜合節(jié)能率都最高。

綜上所述， 不論是民居建筑本體節(jié)能率還是綜合節(jié)能率， 方法1 的最終節(jié)能效果都是最優(yōu)的。這主要因?yàn)榉椒? 分析了民居建筑能耗影響因素，為后續(xù)的可再生能源供熱供冷模式復(fù)合節(jié)能方法分析奠定了理論基礎(chǔ)， 加強(qiáng)了該方法的整體節(jié)能效果， 達(dá)到了在任意氣候分區(qū)下節(jié)能性能最佳的目的。

（2） 民居可再生能源會(huì)隨著太陽(yáng)能的變化而變化， 設(shè)定以陽(yáng)光不斷推進(jìn)為測(cè)試條件， 采用三種方法對(duì)民居可再生能源實(shí)行采暖能耗測(cè)試和制冷能耗分析， 根據(jù)能量消耗結(jié)果判定三種方法的節(jié)能性能， 能耗越低表明該方法的節(jié)能性能越強(qiáng)。測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。

以南向陽(yáng)光間、 北向緩沖空間為主， 根據(jù)窗墻面積比變化測(cè)試三種方法的采暖能耗。 從圖4（a） 可知， 采暖能耗會(huì)隨著陽(yáng)光的變化而增大，在窗墻面積比增加的情況下， 三種方法所處呈現(xiàn)出的采暖能耗差異性較大。 三種方法中， 方法1的采暖能耗較低， 而方法2 和方法3 在測(cè)試過(guò)程中的整體采暖能耗均高于方法1， 驗(yàn)證了方法1 的能源消耗小， 節(jié)能效果優(yōu)。

以南向陽(yáng)光間、 北向緩沖空間為主， 三種方法在制冷時(shí)產(chǎn)生的能耗要高于采暖時(shí)所消耗的能量。 隨著陽(yáng)光進(jìn)深深度的增加， 三種方法的制冷能耗都有提升， 但方法1 的上升進(jìn)度相較于方法2和方法3 的進(jìn)度較慢， 同時(shí)總體制冷能耗較低，驗(yàn)證了方法1 的節(jié)能性能最好。

4 結(jié)論

民居建筑過(guò)多的能源消耗會(huì)導(dǎo)致我國(guó)能源短缺， 為了解決這種問(wèn)題的發(fā)生， 提出民居建筑可再生能源供熱供冷模式復(fù)合節(jié)能方法分析。 該方法詳細(xì)分析了民居建筑可再生能源影響因素， 并計(jì)算了建筑可再生能源在供熱供冷模式下的能耗及負(fù)荷敏感性分析， 從中獲取影響因素對(duì)民居建筑負(fù)荷造成的影響程度， 基于獲取結(jié)果建立多周期負(fù)荷節(jié)能優(yōu)化模型， 利用該模型實(shí)現(xiàn)民居建筑可再生能源供熱供冷模式復(fù)合節(jié)能， 從而完成節(jié)能方法的分析。 該方法在能源節(jié)能方法中發(fā)揮著重要作用， 在今后節(jié)能方法中有著良好的發(fā)展前景。