绿色公共建筑热舒适与空调供暖末端运行策略研究

绿色公共建筑热舒适与空调供暖末端运行策略研究

刘静

深圳市房屋安全和工程质量检测鉴定中心

摘要：首先，本文进行了绿色建筑室内客观热环境数据连续采集，得到绿色建筑的实际热环境分布，提出了用以评价绿色建筑室内热环境的指标，即超舒适距离OTC D 与超舒适比例 OTC P ，并比较相同建筑室内热环境在不同城市热舒适标准下的超舒适百分比。

关键词：绿色建筑，室内热舒适，空调供暖末端，运行策略

前言：

我国绿色建筑之所以能够在短短十年的时间内飞速发展，很大程度上得益于

绿色建筑领域相关评价体系的指导推动作用。一般来讲，绿色建筑相关评价标准

主要作用于建筑设计阶段，依据建筑设计形式与配备节能环保技术情况分别进行

评分，进而获得相应绿色建筑星级认证。只有少部分绿色建筑认证体系是基于建

筑的实际性能。然而，建筑的绿色与否仅仅依靠设计意图是不够的，实际运行效

果是最重要的评判标准。

一、绿色建筑室内热环境

绿色建筑区别于常规建筑的最重要特征就是其节能环保舒适的属性，在绿色

建筑发展的这数十年来，各个国家的学者采用多种的研究方法，分别在不同地区

开展了绿色建筑室内热环境研究。

归结起来绿色建筑室内热环境研究方法目前主要有以下两种：1、室内客观

热环境实测调研，采集数据包括建筑室内空气温度、建筑室内空气相对湿度、平

均辐射温度、空气流动速度等；2、主观人员满意度问卷调查，问卷内容涉及人

员基本信息（性别、年龄、衣着）、人员运动状态、热感觉（温度、湿度、吹风感）等多方面。有相当一部分研究均采用了客观环境实测调研与主观满意度问卷

调查相结合的研究方法，得到的研究结论也不尽相同。

在绿色建筑与常规建筑的室内热舒适性对比研究方面，据研究,在10个绿色和 2 个传统建筑中进行了长期现场测量。从室内环境质量，室内空气质量，视觉和声学环境四个方面分析了室内环境质量（IEQ）的主观和客观测量。结果表明，绿色建筑的满意度明显高于传统建筑，绿色建筑的实际性能基本达到了IEQ 的设计目标。最终采取两种典型热舒适模型来对中国不同气候区的居民感受进行评估。对某城市传统建筑与生物气候建筑的能源性能进行比较，并对其进行持续监测。结果表明同传统办公室相比，生态建筑的温度变化更加稳定。据研究，在某城市进行了 12 个绿色和 12 个办公楼的入住后评估(POE)研究，对建筑使用者进行了问卷调研，结果发现绿色建筑在热环境满意度、室内装修满意度、噪音、身体健康等方面表现出更加优越的性能。对一栋绿色大学建筑和两栋传统大学建筑的使用者舒适度和满意度进行调研，调研结果中没有发现任何证据表明绿色建筑更舒适。造成使用者评价差异的原因可能是因为绿色建筑对室内热感受的评价方式更为宽容。调查了在传统和绿色建筑中居住者对不适的反应，发现绿色建筑中的居住者比传统建筑中的居住者更少地进行环境调整，并采用了更多的个人和心理应对机制，尽管他们有更多的渠道来控制建筑，绿色建筑的居住者还是更愿意接受建筑所提供的条件，因此提出绿色建筑不仅是为了节能而设计的，而且还具有鼓励节能行为的功能。进行了某城市绿色建筑与常规建筑的用户满意度调研，他们发现绿色建筑在室内热舒适及人员满意度方面表现没有达到想象中的优秀，绿色建筑使用者的容忍能力更强，并且某城市的部分绿色建筑夏季会表现出过热、过干、过闷的室内热环境。对某地方冬季室内热环境、居住者的衣服热阻及其热感觉进行了比较。

二、空调采暖末端运行调节研究

空调采暖末端设备构造的优化设计是保证设备在出厂时具备良好的热性能，而设备在实际投入使用之后其效果如何除了本身的构造条件，还与实际运行模式有很大关系。良好的运行策略能够使得末端设备发挥出最大的节能与舒适性潜力。国内外已有许多学者在这方面做出研究。据研究，对天花板扩压器在全尺度模型室内所产生的气流模式和热舒适性进行了实验研究，并将其热性能与同一扩压器进行比较。结果表明，使用插入式叶片可以显著降低热不适感和牵伸感，而没有明显的压降和声压水平的变化。据研究，建立了热流密度与温差之间的简化关系，结果表明，在不同的辐射板结构中，热流密度可以进行独立定量研究，总传热系数在一定范围内波动。

针对位于某城市某办公室的毛细管吊顶辐射空调系统进行了数值模拟研究并同时进行了实验室测试。探究不同送风速度对室内温度分布、气流组织、PMV 和 PPD 数值的影响。当送风速度处于 1.75~2m/s 范围区间时，室内热舒适水平最高。测试数据为房间空气稳定后多次测试结果取平均值。测试结果表明温度和流速的实际测试结果分别与其模拟结果的变化规律基本一致，如图1。空气温度的实测结果比模拟结果稍大，其最大误差为8.23%，都在合理范围以内，说明模拟值与实测值吻合较好，同时也说明这种模型模拟的结果是相对准确的。

图1 空气温度模拟值与实测值的比较

图2 空气流速模拟值与实测值的比较

如图2，空气流速的比较结果，空气流速的实验室检测值比模拟的结果稍大，整体的吻合度较好，但是个别数据有较大幅度的波动，最大误差为56.6%，可能是模型未考虑窗户的空气渗透作用，而实际测量时出现渗漏情况。

对辐射空调系统和全空气系统应用情况进行了文献综述，发现有证据表明辐射系统能够提供比全空气系统更好的舒适性。据研究，通过客观测量和主观测量，对辐射采暖系统与对流采暖系统的热舒适性能进行了对比实验。据研究，研究发现，在连续加热条件下，在平均辐射温度(MRT)、室内湿度和噪声问题上，辐射加热系统与对流加热系统没有显著差异。据研究，采用实测和模拟的方法对温湿度独立控制空调系统进行了研究，采用 PHOENICS 软件建立了基于原工程的四种温湿度独立控制空调系统的 PHOENICS能耗模型。最终通过模拟结果得到溶液除湿加辐射吊顶系统性能最优，同时在新风除湿过程中溶液除湿的节能效果更为明显，转轮除湿次之，而冷冻除湿会导致冷水机组效率下降不宜采用。基于实测和模拟数据，结合办公建筑的空调冷负荷特性和用能特点，基于上述模型对变水量、变风量和混合调节三种调节模式的耗电量、负荷变化适应能力等进行了研究，得出不同负荷率区间下的最佳调节方法。据研究，采用实测和模拟的方法对一级泵变流量空调系统进行了研究。基于实验平台实测数据和建筑物-空调系统仿真平台模拟数据确定了冷负荷与气象因素的相关性，以此为基础，以日空调系统总能耗为目标，以冷冻水出水温度、冷冻水回水温度和冷却水流量为控制变量建立了一级泵变流量空调系统的优化模型对不同运行工况下的空调水系统进行运行优化计算，得出冷冻水出水温度和冷却水流量协同优化的方式具有最好的节能效果。据研究，基于对定静压控制、变静压控制和总风量控制性能的理论分析，运用 HVACSIM+仿真软件建立了变风量空调系统的仿真模型，对定静压控制和总风量控制方式下的室内温度变化情况和风机能耗变化情况进行了模拟计算，得到总风量控制方式的节能性能优于定静压控制方式。据研究，采用实验测试和理论模拟两种方法对不同末端对机组能耗、COP 和室内热舒适性的影响进行了研究，得到采用小温差传热风机盘管时，与常规风机盘管末端相比在夏季工况下能耗可以降低 15%，冬季工况可降低20%。据研究，以风机盘管为研究对象，通过对风机盘管进行水量调节和风量调节，可以使风机盘管发挥最大的能效。据研究，针对某办公室的风机盘管加新风系统设计了多工况分区运行方案和高峰负荷时段的调峰措施，并运用DEST 能耗模拟软件对方案进行了模拟分析，得到多工况分区运行全年可节省30.21%的能耗，调峰方案可节省 18.44%的能耗。据研究，以辐射末端复合型空调系统为研究对象，基于历史运行数据，通过数据挖掘方法确定了系统中不同设备的数据挖掘模型和辐射末端复合空调系统建筑传热过程的计算方法，以此为基础建立了辐射末端复合空调系统监督控制算法，对室内温度、相对湿度和总能耗进行多目标优化。据研究，提出了一种结合了高温冷源系统、双温冷源机组、干式风机盘管、辐射末端和独立新风的辐射与对流耦合空调系统形式，建立了不同工况下的运行控制策略。同时利用 DeST 软件对系统的合理性进行了研究，并证明了耦合空调系统相比其他空调系统具有更好地节能性和舒适性。最终通过PHOENICS软件对不同组合方式下的系统室内温度分布进行了数值模拟，得到使用顶板辐射与顶棚安装干式风机盘管的组合形式最佳。据研究，通过系统综合效率分析得到干式风机盘管的适宜供水温度为 15℃左右。据研究，以地板辐射、风机盘管、全空气空调系统和散热器四种末端为研究对象，采用层次分析法建立了以经济性、热舒适性、美观性、可靠性、空间占用和室内声环境为评价指标的住宅供暖末端综合评价模型。采用系统设计计算、对比分析和CFD 数值模拟的方法对传统常用空调系统冬季工况的新风加湿预判设计方法、冷水二级泵变流量运行特性和 FCU 不同新风送风终状态的选择进行了分析研究。据研究，通过理论分析与实验研究相结合的方法发现，毛细管网辐射供暖系统的室内温度分布更均匀且相同舒适度下，毛细管网辐射供暖系统更为节约耗热量。据研究，以空气源热泵空调系统为研究对象，采用实验与仿真相结合的方法开发了空气源热泵冷冻水回水温度最佳设定点预测模型，并基于这个模型提出了空气源热泵冷冻水变回水温度优化控制方法。
三、人员调节行为与末端运行策略优化

《绿色建筑评价标准》中规定了末端的可调节百分比，并以此作为评价指标。

但不同建筑气候区、不同季节人员调节空调供暖末端的行为习惯可能有所不同，

因此在室内热环境主观调研问卷中，将人员对末端的调节与否和设定空调温度的

习惯作为一个单独的考察点。

此外，研究空调采暖末端运行策略的目的是在保证满足人体热舒适要求的前

提下，合理安排空调系统的参数设置，提高系统与末端的节能性。建筑物功能与

所处气候区不同，采用的机组形式以及末端设备种类也有所区别，以往研究针对

末端运行策略的优化设置大多从实验设计层面入手，优化参数与实际运行模式相

比可操作性不高，为了提高运行管理模式优化方法在实际工程中的应用性，首先

需要确定优化变量以及控制变量。

在空调供暖系统中，主机是影响系统设计与运行效果之间差异大小的最大部

件。在某个固定的建筑物中，在一定冷负荷下，对空调系统运行效果影响最大的

因素均与水相关，分别是冷冻水的进出口温度、冷却水的进出口温度、冷冻水与

冷却水的流量。从冷冻水方面看：系统在实际运行的过程中，最常使用的调节方

法是改变冷冻水流量与冷冻水进出水温度。从实际绿色建筑空调系统的运行模式

调研情况来看，大部分建筑都采用调节供回水温度以及机组的启停时间，且调节

依据大多为室外气候条件。因此，选取冷冻水进口温度、冷冻水出口温差与机组

启停时间这三个因素作为优化变量，也与实际调研得到的调节现状相符合。室外

温湿度条件影响实际的空调机组的冷冻水进出口温度，进而影响末端的热性能，

营造出的室内热环境也就有所差别，故本章末端运行策略研究的控制变量为室内

温湿度。

结束语：

本文的的绿色建筑室内热环境与空调采暖末端运行策略优化研究是建立在大量实测数据与主观满意度调研的基础上进行的。室内热环境实测数据覆盖了整个供暖季与供冷季，主观满意度调研充分考虑到建筑气候区与人员心理因素的影响作用，通过对各个国家热舒适相关标准的横向比较，提出了适合我国国情的绿色建筑室内热舒适评价指标，并分析造成主客观满意度差异的原因，给出的结果是客观可信的，能反映出实际的绿色建筑热舒适水平。给出的空调采暖末端运行策略优化是基于实际运行策略调研之上的，并且优化方法可操作性强，能够对未来的研究提供帮助。

参考文献：

[1] 黎凯．建筑节能技术在室内设计中的应用[J]．建材与装饰，2019

[2] 刘海业，公共建筑能耗信息披露制度现状分析研究[J]．建设科技，2015

[3] 陈煜健. 液体除湿空调方式空气中离子污染检测与室内空气品质研究 [D].广州：广州大学，2009.

[4] 王顺林.液体除湿空调室内空气品质的初步研究[D].广州：广州大学，2007.

[5] 刘静. 新风溶液除湿与吊顶冷辐射空调系统舒适性研究[D].广州：广州大学，2007.