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1、學(xué)術(shù)會(huì)議論文編號(hào):程瑞，王馨，張寅平(清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京，100084)(Tel: 010-6277251& Emai1: zhangypmai1. tsinghua. edu. cn) 摘要：合理的夜間通風(fēng)是利用自然冷源降低建筑能耗的冇效于段，同時(shí)能夠提離室內(nèi)熱舒適。然而， 已有研究多是基于貝體案例的模擬分析，缺乏對(duì)繪優(yōu)節(jié)能通風(fēng)換氣研究的普適性方法。本研究基于非 線性優(yōu)化的反問題思路，以最小化模擬周期內(nèi)空調(diào)設(shè)備及風(fēng)機(jī)電耗總量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，提出種 主動(dòng)式建筑理想節(jié)能機(jī)械通風(fēng)策略的確定方法。計(jì)算表明，優(yōu)化后，北京夏季典型日和極端日總能耗 分別減小22%和33%,典型日峰值冷負(fù)荷減少20.2、9%,制冷設(shè)備開啟時(shí)間減少約9小時(shí)。 關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能；機(jī)械通風(fēng)；反問題；1引言合適的機(jī)械通風(fēng)被認(rèn)為是減少夏季空調(diào)能耗的冇效方法Z-O如何確定某一地區(qū)的 理想通風(fēng)換氣策略，對(duì)于優(yōu)化通風(fēng)方式，減少空調(diào)能耗有著十分重要的意義。文獻(xiàn)中対通風(fēng)策略的研究主要分為以下兩類：(1)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行通風(fēng)策略的選擇及 研處。如Lai CM通過實(shí)驗(yàn)研究了卅于住宅和工廠通風(fēng)的渦輪式風(fēng)機(jī)的效率，并進(jìn)行了 相關(guān)因素的敏感性分析1。這一類研究的不足之處在于其僅能針對(duì)某一類特定形式的系 統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)論的普適性不強(qiáng)。(2)通過數(shù)值模擬，比較不同的通風(fēng)方案履終通過對(duì) 比得種較為節(jié)能的通風(fēng)方案。Reddy T A等人通過數(shù)值模擬的3、方法，研究了終端回 熱式變風(fēng)量系統(tǒng)的不同室外通風(fēng)策略，并分析了不同策略下的能耗，進(jìn)而提出了一些能 夠冇效節(jié)省能耗的通風(fēng)策略12J o然而，這一類方法只能夠通過冇限次的試算和模擬, 得出在已有方案屮札I對(duì)較優(yōu)的通風(fēng)策略，無(wú)法得到某一地區(qū)建筑的最優(yōu)節(jié)能通風(fēng)策略。 從已有的文獻(xiàn)研究中可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)對(duì)于節(jié)能通風(fēng)策略的研究中，關(guān)于理想節(jié)能通風(fēng)的 概念研究不足，特別是對(duì)于夏季的主動(dòng)式建筑，究竟何種通風(fēng)方式才能夠使得風(fēng)機(jī)少制 冷的總能耗最小，已有研究中鮮有涉及。針對(duì)上述傳統(tǒng)研究中的不足，木文捉出了一種呈于反問題思路的理想節(jié)能通風(fēng)策略 計(jì)算方法，為某一特定地區(qū)選擇夏季最為節(jié)能的夜間通風(fēng)控制策略提供一種新途徑與4、新 思路。2研究方法 2.1問題描述対于具有制冷設(shè)備的理想主動(dòng)式建筑，當(dāng)室內(nèi)綜合溫度T迄，C,高于制冷設(shè)備的 開啟溫度Tset , C時(shí)，制冷設(shè)備就會(huì)啟動(dòng)，7時(shí)刻所需的即時(shí)制冷量qcoo哋，W,通 過對(duì)室內(nèi)空氣即時(shí)制冷，將綜合溫度控制于舒適區(qū)內(nèi)，室內(nèi)空氣綜合溫度的計(jì)算公 式如下：基金資助：國(guó)際科技合作項(xiàng)目(NO.2010DFA64240, NO.2010DFA62410)kr + hc其中，h為輻射換熱系數(shù),W m2oC_1he為対流換熱系數(shù)，Wm-C1； ta為環(huán)境空氣溫度，C； J為平均輻射溫度，C。(2)制冷設(shè)備的制冷能效比EER(Energy Efficiency Ratio)=制冷量5、/制冷消耗功率，W/W。 因此，若已知每天的制冷總量Qcoo呱，J，那么每天制冷設(shè)備所消耗的電能Needing, J, 町以表示為：N cooling = Qcooling/EER為簡(jiǎn)化分析和計(jì)算，將一天劃分為N個(gè)通風(fēng)策略控制段。在每個(gè)通風(fēng)策略段Z內(nèi), 逐時(shí)通風(fēng)換氣次數(shù)是一個(gè)常量。為了度量機(jī)械通風(fēng)所產(chǎn)牛的能源消耗，認(rèn)為滿足夜間通 風(fēng)換氣次數(shù)所需風(fēng)量是山一額定功率為Pfan，W;風(fēng)量為V伽,H?/S,的變風(fēng)量風(fēng)扇所 提供的。那么，每天風(fēng)扇所消耗的電能Nlan, J,可以表示為：24 (3)“亓護(hù) CH(i)“ZW，2,.,N)Vr為房間體積,n?, ACH(i)*VR為每小時(shí)通風(fēng)換氣總體積，nA6、 ACH(i)* VRAfan*Pf,n 為當(dāng)風(fēng)量為ACH(i)時(shí)每小時(shí)內(nèi)的變風(fēng)雖:風(fēng)扇的風(fēng)機(jī)電耗，Jo所以，每天制冷與機(jī)械通 風(fēng)所消耗的總電能Ni込1，J，可以表示為：NTotal =Ncoo!ing +Nfan =Qcooling /EER+Nfan(4)當(dāng)墻體物性參數(shù)，制冷設(shè)備開啟溫度等其它因素確定時(shí)，制冷能耗與風(fēng)機(jī)能耗的總量就 僅是每小時(shí)的通風(fēng)換氣次數(shù)ACH(r)的函數(shù)。因此，以制冷能耗和風(fēng)機(jī)能耗總量作為優(yōu) 化冃標(biāo)，以逐時(shí)通風(fēng)換氣次數(shù)ACH(r)作為優(yōu)化變量，當(dāng)總能耗最小時(shí)，即可得出某一 地區(qū)的理想節(jié)能ACH(r)的分布形式，從而可得出某一地區(qū)最為節(jié)能的理想節(jié)能通風(fēng)策略。優(yōu)化方法使用序7、列二次規(guī)劃方法(Sequential Quadratic Programming , SQP)|3|O2.2雙板房間簡(jiǎn)化模型為了簡(jiǎn)化問題的分析過程，通過使用雙板房間簡(jiǎn)化模型對(duì)真實(shí)房間模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。 真實(shí)房間的主要特征包括：?jiǎn)蚊娉贤鈮腿鎯?nèi)墻；南向窗戶；機(jī)械通風(fēng)；室內(nèi)熱源。“雙板”簡(jiǎn)化模型作了以卜假設(shè)：根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否與室外環(huán)境直接接觸將圍護(hù)結(jié)構(gòu) 歸結(jié)為兩塊板：外墻板和內(nèi)墻板；室內(nèi)熱源歸為一個(gè)恒定值E；室內(nèi)空氣充分混合 滿足集總參數(shù)條件；忽略地板向下漏熱；所有通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)能可被熱質(zhì) 體吸收。雙板模型的具體傳熱過程描述可參見文獻(xiàn)3。3實(shí)例分析3. 1建筑參數(shù)研究對(duì)象房間為北京某多層辦8、公樓中朝南的一間，具體建筑參數(shù)如表1所示。制冷 設(shè)備的制冷能效比EER按一普通家用空調(diào)的能效比進(jìn)行確定，取為3。由于辦公室晚間房間尺寸 三而內(nèi)墻 樓板南向外墻外窗內(nèi)熱擾重外空r溫度一總太陽(yáng)輻射403530252015105(P)慳理800 12:00 1600 20:00900800(P)憫啰rH$M7O06O05O04O0SO020010000:00403530252010室外空氣湛度 總太陽(yáng)輜射90080070060050040030000004 002001000800 1200 16:00 2000 0 008捌（時(shí)）無(wú)人工作，使用一自動(dòng)控制的變風(fēng)量風(fēng)機(jī)進(jìn)行夜間機(jī)械通風(fēng)蓄冷，風(fēng)機(jī)額定性9、能參數(shù)如 下：轉(zhuǎn)速一1120rpm,效率一65%,功率一005 kW,全壓一120 Pa,流速一920n?/h。表1房間基木參數(shù)表5.7m(深)X 36m(寬)X 32m(咼)0.2m的混凝土空心砌塊，體積熱容為0.84 MJ/(m叱)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.41 W/(nfC)0.2m的鋼筋混凝土。體積熱容為2.3M(m叱)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.81 W/(mC) 厚度為0.25m,包括了外層0.07m厚的保溫聚苯板和內(nèi)層0.18m厚的鋼筋混凝土，其中, 聚苯板的體積熱容為().048 MJ/(n?C),導(dǎo)熱系數(shù)為0.047 W/(mC)普通雙層中空玻璃窗,窗墻比為0.3,傳熱系數(shù)為3W/(m2 C),夏10、季遮陽(yáng)系數(shù)：0.44 采用動(dòng)態(tài)變化的內(nèi)熱擾，其均值為10.6 W/m2為了分析不同氣象參數(shù)對(duì)于優(yōu)化結(jié)果的彩響，研究選取了北京夏季典型F1和極端H 兩天的氣象參數(shù)使用本文所提出的反問題方法進(jìn)行分析，氣象參數(shù)來(lái)白屮國(guó)建筑熱環(huán) 境分析專用氣象數(shù)據(jù)集，其室外空氣溫度及總太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)如圖1所示。(a)北京夏季典型口氣彖參數(shù)(b)北京夏季極端口氣象參數(shù)圖1北京夏季典型日及極端日氣象參數(shù)3. 2計(jì)算結(jié)果及分析3.2.1最優(yōu)節(jié)能機(jī)械通風(fēng)策略使用如前所述的反問題方法，可以優(yōu)化得出北京夏季典型口及極端口兩天的最優(yōu)節(jié) 能機(jī)械通風(fēng)換氣策略，如圖2所示，從中可得出：(1)最優(yōu)通風(fēng)換氣次數(shù)不是一個(gè)定值， 應(yīng)當(dāng)隨著室外氣象11、環(huán)境的不同進(jìn)行優(yōu)化控制；(2)對(duì)于所分析的工況，最人節(jié)能通風(fēng)換 氣次數(shù)約為10.5 h當(dāng)通風(fēng)換氣次數(shù)人于10.5 h1之后，增加通風(fēng)次數(shù)將會(huì)導(dǎo)致總能耗 增大。圖3基于經(jīng)濟(jì)學(xué)屮的邊際理論對(duì)最優(yōu)通風(fēng)換氣次數(shù)的確定進(jìn)行了解釋。增加一單 dN位的ACH,其所帶來(lái)的邊際成木(Marginal Cost)是風(fēng)機(jī)電耗的增加，= 磊，所帶 來(lái)的邊際收益(Marginal Revenue)為制冷設(shè)備耗電量的減少，MR = 如皿。且邊際成 dACH木隨著ACH的增加而遞增(風(fēng)機(jī)電耗與流最成三次方關(guān)系)，邊際收益隨著ACH的增 加而遞減(由于受到墻體蓄冷能力的限制，隨著ACH的增加，墻體的邊際蓄冷量遞減)。 顯然，12、當(dāng)邊際收益等于邊際成本時(shí)，對(duì)應(yīng)的通風(fēng)換氣次數(shù)即為給定工況卜的最優(yōu)通風(fēng)換 氣次數(shù)。典型日極諧日匸X逐必r徐哎唱圖2模擬日理想節(jié)能機(jī)械通風(fēng)策略3. 2. 2節(jié)能效果分析opfimal ACH （MR 二 MC）圖3棊丁邊際理論的繪優(yōu)通風(fēng)換次數(shù)分析121084 -2 -0圖4優(yōu)化前后能耗對(duì)比優(yōu)化前 優(yōu)化后圖5優(yōu)化前后逐時(shí)冷負(fù)荷（典型日）從圖4中可得：相比于辦公室夜間無(wú)通風(fēng)的能耗，優(yōu)化后的機(jī)械通風(fēng)策略在北京夏 季典型口及極端LI分別可以使得總能耗Nt如降低22%及33%,具有較好的節(jié)能效果。 原因如圖5所示：典型口使川優(yōu)化后的夜間通風(fēng)策略后，室內(nèi)峰值冷負(fù)荷降低20.9%, 并且減少了制冷設(shè)備的開啟時(shí)間13、約9小時(shí)，減小了制冷設(shè)備的初投資及運(yùn)行時(shí)間。4結(jié)論（1）木文提出了一種基于反問題的主動(dòng)式建筑理想節(jié)能夜間通風(fēng)策略的確定方法;（2）使用優(yōu)化后的機(jī)械通風(fēng)策略，北京夏季典型日和極端日總能耗分別降低22%及 33%,且峰值冷負(fù)荷減小20.9%,證明了方法的有效性；（3）可以設(shè)計(jì)相關(guān)軟件，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)，對(duì)第二犬的通風(fēng)策略進(jìn)行預(yù)優(yōu)化，有效減 小總能耗。參考文獻(xiàn)1 Lai C M. 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