节能建筑动态设计方法的探讨

云和明¹ 李萌¹ 吉亚萍¹郭训虎¹ 吕东岚²  谢晓娜¹
1. 山东建筑大学热能学院；2. 山东安泰智能工程有限公司

       【摘  要】本文首先阐述当前节能建筑设计中存在的问题和不足，提出动态设计的理念及方法是可有效解决节能建筑设计中的关键问题。动态设计方法的核心是通过先进的数值计算方法，准确掌握建筑动态的冷热负荷，进而基于CFD和动态模拟软件对空调房间和空调系统进行模拟仿真，并基于热舒适和能源系统优化方法对设计方案进行优化，确保空调房间的所需冷热负荷“即用即付”，同时保证空调房间热舒适条件下的耗能最小。

       【关键词】动态设计；节能建筑；数值计算；热舒适

一 节能建筑的概念

       温室效应加剧、臭氧层破坏、水资源危机，土地沙漠化等现象表明，人们所直接赖以生存的自然资源状况呈指数恶化的趋势。自上世纪60年代以来，出现不少基于生态学原理的建筑理论、方法与实践，已经逐渐形成了一种独特的、区别于普遍流行的“国际式”建筑定式的建筑理念，如生态建筑、绿色建筑、可持续发展建筑、节能建筑。

       节能建筑是探讨以满足建筑热环境和保护人居环境为目的，通过建筑设计手段及改善建筑围护结构的热工性能，充分利用非常规能源，使建筑达到可持续发展的应用研究科学。

       近几十年来，特别是1973年爆发石油危机以来，西方发达国家的建筑节能内容一直在不断更新，主要经历了三个阶段，最初强调“建筑节能”（energy saving in buildings）；不久又强调“在建筑中保持能源”(enery conservation in buildings)，即减少建筑中能量的散失；进入上世纪90年代，重点为“提高建筑中的能源利用效率”（enery efficiency in buildings），即以主动性、积极性地节省能源消耗、提高其利用效率。如今欧洲已经出现了极为“严格”的零能耗住宅标准（Zero heating standard）、零CO₂排放标准（Zero CO₂ standard）和能源自给标准（Autonomous standard）,并且已有少数达到上述节能标准的居住建筑投入使用。

       我国建筑界对第三层次的节能概念有较一致的看法，即在建筑中合理地使用和有效地利用能源，不断提高能源的利用效率。

二 传统的节能建筑设计中的不足

       目前，我国正积极倡导节约能源，可持续发展。建设节能型建筑已被建设部纳入今后城市建设的重点发展方向，相关的指引、标准和法规也相继出台，节能建筑设计已成为今后建筑设计的重要组成部分。

       在建筑规划阶段设计人考虑的往往是容积率、日照间距、空间形态、以及建筑与周边环境协调等问题，而很少从节能的角度来指导设计，节能设计只有在单体方案设计阶段才有所重视，从而产生了许多单体设计难以解决的问题。所以，提倡建筑节能首先应该重视规划节能。当前根据节能设计标准设计其适用性和条件又不是很确切，导致设计中无法准确掌握建筑的实际能耗情况，以至于节能设计不准确。

       在节能建筑空调设计阶段，传统设计往往根据当地气候条件，而采用不保证5天的最大冷、热负荷来进行空调设备的选型和系统方案确定，不能准确把握空调房间的瞬时所需的冷、热负荷，从而导致系统主机选择过大从而导致其全年运行在绝大数时间不能全负荷运行，能源效率低，从而导致不节能。而在系统方案确定时，往往根据经验，粗略的对比不同方案的优缺点和投资经济型分析，来确定最终方案，而方案的实际运行效果、节能与否、匹配性如何都缺乏有效依据支撑，往往导致系统整体设计不佳，从而能源浪费严重且空调实际效果差。

       房间的气流组织及最终的温湿度分布是最终影响房间空调效果的重要因素，而根据规范和节能标准很难对实际运行的气流组织的温度、湿度、速度分布准确计算，从而导致房间的温湿度分布不合理，热舒适差。

三 节能建筑动态设计的理念

       节能建筑动态设计是基于人体舒适性前提下设计和控制室内环境空调参数，在室外气象条件实际变动条件下，借助于空调动态仿真软件，实现在主动节能技术和被动节能技术作用下，空调的实际需要的冷热负荷同空调提供相一致，以达到特定空调系统的用能及运行优化。

对于空调房间的实际气流组织和空调运行效果，可通过基于CFD（计算流体动力学）软件和动态模拟软件对其模拟仿真，并同建筑及空调设计相结合，根据模拟结果调整设计方案，直至空调设计的方案的空调模拟效果满足热舒适，从而有效确保空调的实际空调效果。

       通过空调的动态仿真软件和CFD软件相结合，对空调房间进行基于热舒适的动态仿真，获取空调房间的瞬时冷、热负荷，并通过空调自控技术对空调进行控制运行，以期实现空调效果和泵与风机同实际管路联合运行的优化，从而保证实际运行的效果同设计最大程度保持一致，以真正实现基于热舒适条件下的空调节能设计效果。

四 节能建筑动态设计的研究内容

       节能建筑动态设计框架如图1所示，首先根据模拟平台中的动态复合计算软件对所要设计的节能建筑进行动态负荷计算，进而根据负荷进行空调方案的初步设计，包括冷热源选型及系统方案的初步确定。而后根据所设计的方案，利用系统模拟软件对整个空调系统进行动态模拟，以确定系统的运行和节能效果，并反馈给设计，直至设计运行和节能效果满足要求为止，从而实现了计算机模拟辅助节能设计方案的优化，同时模拟还可以辅助进行自控方案的优化，以简化控制环节和步骤，保证可靠运行同时实现节能运行。模拟平台由不同种类的模拟软件和程序组合而成的计算机软、硬件模拟平台，根据模拟平台中的CFD软件，还可以对房间气流组织的热舒适和节能效果进行模拟，从而能够保证人热舒适条件下而系统的运行能耗最低。根据模拟平台还可以根据实际系统搭建虚拟的仿真系统，利用现场实际传输的数据而模拟运算，进而输出结果可辅助节能诊断，进而提出可行有效的能源改造方案。经过不断的积累，根据不同工程种类及项目的不同要求，经过实际运行和改进，最终形成优秀案例库，为以后进行节能建筑的设计方案优化提供宝贵的经验参考和节约了宝贵时间。

图1 节能建筑动态设计框架

       1、节能建筑动态负荷的计算

       传统的冷热负荷计算方法是根据当地的气象资料，主要包括冬夏季的室外计算温度、计算日平均温度、日较差；而热天和最冷时刻即对出现概率很小的一部分或低温时间不与保证。通常将室内参数控制在某个状态点为室内设计参数，然后根据房间的功能给出一个设计日的冷热负荷。整个设计过程通常认为空调连续运行，不考虑历史影响（如蓄冷或蓄热的影响）。

       但传统的设计方法存在很多问题，不能够准确反映建筑物实际使用和能耗的状况。例如像学校建筑物在最冷和最热的时候不投入使用，其节假日和工作日的室内发热量不同，实际应有一个合理的取值范围；为了节能，公共建筑和住宅空调大多为间歇运行，而采用分户热计量的采暖也趋向间歇运行；为了准确设计新型的可再生能源，如地源热泵、冰蓄冷、水蓄冷或蓄热、相变材料蓄冷或蓄热等均需要准确计算空调房间或建筑物的全年逐时负荷；而过渡季节需要空调的特殊功能建筑，例如游泳池的负荷计算就不同于普通住宅和办公建筑，负荷计算方法需要准确把握全年的逐时负荷才能保证实际效果能满足设计要求。

       动态设计负荷计算在传统计算所需资料的基础上，重点掌握室外典型年的气象参数,主要包括焓值极高年、温度极高年、温度极低年、辐射极高年和辐射极低年的资料，将室内控制在某个状态点上，根据舒适性空调还是工艺性空调合理设计室内设计空调参数，并根据房间功能，给出全年工作日、节假日的数据，综合考虑空调系统全年启停规律及蓄冷蓄热状况，输出全年空调房间或建筑物的逐时负荷，从而可检验空调的全年运行效果，为合理的选择空调设计及系统方案设计打下良好基础。

动态负荷的计算可以利用国内外的一些商业软件，如Dest, Energyplus, VE, Doe, Equest等。

       2、基于动态负荷的空调设计

       根据不同的技术而有不同的设计方法，像地板辐射末端、置换通风、地源热泵、水蓄冷、冰蓄冷、游泳池的设计等，要根据不同的空调形式和使用特点和运行规律，合理选择冷热源设备，确定系统运行及自动控制方案，以保证系统安全、可靠、节能运行。

       3、空调模拟平台的搭建

       空调模拟平台如图2所示，其功能是对空调房间进行动态负荷进行模拟计算，对系统的运行效果进行模拟，同时对系统的能耗和热舒适效果进行模拟显示，具有故障诊断、节能优化分析、实时动态仿真、实时监测、自动控制、数据处理、数据存储调用等功能。因此空调模拟平台可以是由各种计算软件或程序组成的软件平台，也可以是由数据采集、传输转换设备、计算软件和计算机组成的软、硬件半混合仿真平台。软件平台一般包括动态负荷模拟软件、CFD(计算流体动力学)软件、动态模拟软件、数据显示转换软件等

图2 空调模拟平台的功能

       4、系统自动控制和运行

       对空调系统进行自动控制和节能运行是楼宇自动化系统的一部分，是运用自动控制手段实现空调系统的运行优化和逻辑控制，其自动控制的判据一般为基于热舒适的指标或热力学优化指标。因此利用先进的计算模拟软件可实现自动控制方案的优化，并根据先进的能源优化理论和空调热舒适理论为系统合理、节能、舒适的运行提供解决问题的手段和依据。

       5、数值模拟辅助设计和运行

       通过模拟平台对动态负荷、系统的运行效果、气流组织的舒适性效果进行模拟，模拟结果可有效指导设计方案的进一步优化，从而使设计在规划阶段使得建筑物不但满足采光、声学要求，而且通风良好，温度适宜具有极好地室外微气候环境，进而根据节能要求，设计选用良好的保温墙体和门窗类型，并根据初步设计方案进行实际能耗模拟，根据模拟结果再进一步修改完善直至满足节能效果为止。然后根据整个空调系统的动态模拟结果优化系统设备选型和运行、控制策略；同时模拟结果还有助于发现能耗较大的环节或工艺不合理的环节，从而有助于节能诊断，并进一步提出合理有效的节能改造方案。

五 结论

       当然，节能建筑设计是一个复杂的系统工程，涉及方方面面的问题。上文所提及的动态设计所解决的问题只是其中的一部分，它们往往通过传统的设计方法不能很好的解决，这会造成许多的设计漏洞，使建筑物能耗增加。所以，笔者专门提出动态设计的方法来解决传统设计所不能解决的难题，基于这种方法而探讨其有效性和正确性，在此只是抛砖引玉，希望同行们能多加指正，集思广益，共同探讨节能建筑设计的新方法。在今后的设计中多研究、多尝试、多积累、多总结，在有限的条件下将建筑功能与艺术和技术更好地结合，使建筑设计的各个方面都能体现节能的原则，努力创造低成本、高效率的节能建筑。 

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。