云和明¹ 李萌¹ 吉亞萍¹郭訓(xùn)虎¹ 呂東嵐²  謝曉娜¹
1. 山東建筑大學(xué)熱能學(xué)院；2. 山東安泰智能工程有限公司

       【摘  要】本文首先闡述當(dāng)前節(jié)能建筑設(shè)計中存在的問題和不足，提出動態(tài)設(shè)計的理念及方法是可有效解決節(jié)能建筑設(shè)計中的關(guān)鍵問題。動態(tài)設(shè)計方法的核心是通過先進(jìn)的數(shù)值計算方法，準(zhǔn)確掌握建筑動態(tài)的冷熱負(fù)荷，進(jìn)而基于CFD和動態(tài)模擬軟件對空調(diào)房間和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，并基于熱舒適和能源系統(tǒng)優(yōu)化方法對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，確保空調(diào)房間的所需冷熱負(fù)荷“即用即付”，同時保證空調(diào)房間熱舒適條件下的耗能最小。

       【關(guān)鍵詞】動態(tài)設(shè)計；節(jié)能建筑；數(shù)值計算；熱舒適

一 節(jié)能建筑的概念

       溫室效應(yīng)加劇、臭氧層破壞、水資源危機(jī)，土地沙漠化等現(xiàn)象表明，人們所直接賴以生存的自然資源狀況呈指數(shù)惡化的趨勢。自上世紀(jì)60年代以來，出現(xiàn)不少基于生態(tài)學(xué)原理的建筑理論、方法與實踐，已經(jīng)逐漸形成了一種獨特的、區(qū)別于普遍流行的“國際式”建筑定式的建筑理念，如生態(tài)建筑、綠色建筑、可持續(xù)發(fā)展建筑、節(jié)能建筑。

       節(jié)能建筑是探討以滿足建筑熱環(huán)境和保護(hù)人居環(huán)境為目的，通過建筑設(shè)計手段及改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，充分利用非常規(guī)能源，使建筑達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)用研究科學(xué)。

       近幾十年來，特別是1973年爆發(fā)石油危機(jī)以來，西方發(fā)達(dá)國家的建筑節(jié)能內(nèi)容一直在不斷更新，主要經(jīng)歷了三個階段，最初強(qiáng)調(diào)“建筑節(jié)能”（energy saving in buildings）；不久又強(qiáng)調(diào)“在建筑中保持能源”(enery conservation in buildings)，即減少建筑中能量的散失；進(jìn)入上世紀(jì)90年代，重點為“提高建筑中的能源利用效率”（enery efficiency in buildings），即以主動性、積極性地節(jié)省能源消耗、提高其利用效率。如今歐洲已經(jīng)出現(xiàn)了極為“嚴(yán)格”的零能耗住宅標(biāo)準(zhǔn)（Zero heating standard）、零CO₂排放標(biāo)準(zhǔn)（Zero CO₂ standard）和能源自給標(biāo)準(zhǔn)（Autonomous standard）,并且已有少數(shù)達(dá)到上述節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的居住建筑投入使用。

       我國建筑界對第三層次的節(jié)能概念有較一致的看法，即在建筑中合理地使用和有效地利用能源，不斷提高能源的利用效率。

二 傳統(tǒng)的節(jié)能建筑設(shè)計中的不足

       目前，我國正積極倡導(dǎo)節(jié)約能源，可持續(xù)發(fā)展。建設(shè)節(jié)能型建筑已被建設(shè)部納入今后城市建設(shè)的重點發(fā)展方向，相關(guān)的指引、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)也相繼出臺，節(jié)能建筑設(shè)計已成為今后建筑設(shè)計的重要組成部分。

       在建筑規(guī)劃階段設(shè)計人考慮的往往是容積率、日照間距、空間形態(tài)、以及建筑與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)等問題，而很少從節(jié)能的角度來指導(dǎo)設(shè)計，節(jié)能設(shè)計只有在單體方案設(shè)計階段才有所重視，從而產(chǎn)生了許多單體設(shè)計難以解決的問題。所以，提倡建筑節(jié)能首先應(yīng)該重視規(guī)劃節(jié)能。當(dāng)前根據(jù)節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計其適用性和條件又不是很確切，導(dǎo)致設(shè)計中無法準(zhǔn)確掌握建筑的實際能耗情況，以至于節(jié)能設(shè)計不準(zhǔn)確。

       在節(jié)能建筑空調(diào)設(shè)計階段，傳統(tǒng)設(shè)計往往根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，而采用不保證5天的最大冷、熱負(fù)荷來進(jìn)行空調(diào)設(shè)備的選型和系統(tǒng)方案確定，不能準(zhǔn)確把握空調(diào)房間的瞬時所需的冷、熱負(fù)荷，從而導(dǎo)致系統(tǒng)主機(jī)選擇過大從而導(dǎo)致其全年運行在絕大數(shù)時間不能全負(fù)荷運行，能源效率低，從而導(dǎo)致不節(jié)能。而在系統(tǒng)方案確定時，往往根據(jù)經(jīng)驗，粗略的對比不同方案的優(yōu)缺點和投資經(jīng)濟(jì)型分析，來確定最終方案，而方案的實際運行效果、節(jié)能與否、匹配性如何都缺乏有效依據(jù)支撐，往往導(dǎo)致系統(tǒng)整體設(shè)計不佳，從而能源浪費嚴(yán)重且空調(diào)實際效果差。

       房間的氣流組織及最終的溫濕度分布是最終影響房間空調(diào)效果的重要因素，而根據(jù)規(guī)范和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)很難對實際運行的氣流組織的溫度、濕度、速度分布準(zhǔn)確計算，從而導(dǎo)致房間的溫濕度分布不合理，熱舒適差。

三 節(jié)能建筑動態(tài)設(shè)計的理念

       節(jié)能建筑動態(tài)設(shè)計是基于人體舒適性前提下設(shè)計和控制室內(nèi)環(huán)境空調(diào)參數(shù)，在室外氣象條件實際變動條件下，借助于空調(diào)動態(tài)仿真軟件，實現(xiàn)在主動節(jié)能技術(shù)和被動節(jié)能技術(shù)作用下，空調(diào)的實際需要的冷熱負(fù)荷同空調(diào)提供相一致，以達(dá)到特定空調(diào)系統(tǒng)的用能及運行優(yōu)化。

對于空調(diào)房間的實際氣流組織和空調(diào)運行效果，可通過基于CFD（計算流體動力學(xué)）軟件和動態(tài)模擬軟件對其模擬仿真，并同建筑及空調(diào)設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整設(shè)計方案，直至空調(diào)設(shè)計的方案的空調(diào)模擬效果滿足熱舒適，從而有效確保空調(diào)的實際空調(diào)效果。

       通過空調(diào)的動態(tài)仿真軟件和CFD軟件相結(jié)合，對空調(diào)房間進(jìn)行基于熱舒適的動態(tài)仿真，獲取空調(diào)房間的瞬時冷、熱負(fù)荷，并通過空調(diào)自控技術(shù)對空調(diào)進(jìn)行控制運行，以期實現(xiàn)空調(diào)效果和泵與風(fēng)機(jī)同實際管路聯(lián)合運行的優(yōu)化，從而保證實際運行的效果同設(shè)計最大程度保持一致，以真正實現(xiàn)基于熱舒適條件下的空調(diào)節(jié)能設(shè)計效果。

四 節(jié)能建筑動態(tài)設(shè)計的研究內(nèi)容

       節(jié)能建筑動態(tài)設(shè)計框架如圖1所示，首先根據(jù)模擬平臺中的動態(tài)復(fù)合計算軟件對所要設(shè)計的節(jié)能建筑進(jìn)行動態(tài)負(fù)荷計算，進(jìn)而根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行空調(diào)方案的初步設(shè)計，包括冷熱源選型及系統(tǒng)方案的初步確定。而后根據(jù)所設(shè)計的方案，利用系統(tǒng)模擬軟件對整個空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)模擬，以確定系統(tǒng)的運行和節(jié)能效果，并反饋給設(shè)計，直至設(shè)計運行和節(jié)能效果滿足要求為止，從而實現(xiàn)了計算機(jī)模擬輔助節(jié)能設(shè)計方案的優(yōu)化，同時模擬還可以輔助進(jìn)行自控方案的優(yōu)化，以簡化控制環(huán)節(jié)和步驟，保證可靠運行同時實現(xiàn)節(jié)能運行。模擬平臺由不同種類的模擬軟件和程序組合而成的計算機(jī)軟、硬件模擬平臺，根據(jù)模擬平臺中的CFD軟件，還可以對房間氣流組織的熱舒適和節(jié)能效果進(jìn)行模擬，從而能夠保證人熱舒適條件下而系統(tǒng)的運行能耗最低。根據(jù)模擬平臺還可以根據(jù)實際系統(tǒng)搭建虛擬的仿真系統(tǒng)，利用現(xiàn)場實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)而模擬運算，進(jìn)而輸出結(jié)果可輔助節(jié)能診斷，進(jìn)而提出可行有效的能源改造方案。經(jīng)過不斷的積累，根據(jù)不同工程種類及項目的不同要求，經(jīng)過實際運行和改進(jìn)，最終形成優(yōu)秀案例庫，為以后進(jìn)行節(jié)能建筑的設(shè)計方案優(yōu)化提供寶貴的經(jīng)驗參考和節(jié)約了寶貴時間。

圖1 節(jié)能建筑動態(tài)設(shè)計框架

       1、節(jié)能建筑動態(tài)負(fù)荷的計算

       傳統(tǒng)的冷熱負(fù)荷計算方法是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀?a href="http://www.pnitmet.cn/down/" target="_blank">資料，主要包括冬夏季的室外計算溫度、計算日平均溫度、日較差；而熱天和最冷時刻即對出現(xiàn)概率很小的一部分或低溫時間不與保證。通常將室內(nèi)參數(shù)控制在某個狀態(tài)點為室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，然后根據(jù)房間的功能給出一個設(shè)計日的冷熱負(fù)荷。整個設(shè)計過程通常認(rèn)為空調(diào)連續(xù)運行，不考慮歷史影響（如蓄冷或蓄熱的影響）。

       但傳統(tǒng)的設(shè)計方法存在很多問題，不能夠準(zhǔn)確反映建筑物實際使用和能耗的狀況。例如像學(xué)校建筑物在最冷和最熱的時候不投入使用，其節(jié)假日和工作日的室內(nèi)發(fā)熱量不同，實際應(yīng)有一個合理的取值范圍；為了節(jié)能，公共建筑和住宅空調(diào)大多為間歇運行，而采用分戶熱計量的采暖也趨向間歇運行；為了準(zhǔn)確設(shè)計新型的可再生能源，如地源熱泵、冰蓄冷、水蓄冷或蓄熱、相變材料蓄冷或蓄熱等均需要準(zhǔn)確計算空調(diào)房間或建筑物的全年逐時負(fù)荷；而過渡季節(jié)需要空調(diào)的特殊功能建筑，例如游泳池的負(fù)荷計算就不同于普通住宅和辦公建筑，負(fù)荷計算方法需要準(zhǔn)確把握全年的逐時負(fù)荷才能保證實際效果能滿足設(shè)計要求。

       動態(tài)設(shè)計負(fù)荷計算在傳統(tǒng)計算所需資料的基礎(chǔ)上，重點掌握室外典型年的氣象參數(shù),主要包括焓值極高年、溫度極高年、溫度極低年、輻射極高年和輻射極低年的資料，將室內(nèi)控制在某個狀態(tài)點上，根據(jù)舒適性空調(diào)還是工藝性空調(diào)合理設(shè)計室內(nèi)設(shè)計空調(diào)參數(shù)，并根據(jù)房間功能，給出全年工作日、節(jié)假日的數(shù)據(jù)，綜合考慮空調(diào)系統(tǒng)全年啟停規(guī)律及蓄冷蓄熱狀況，輸出全年空調(diào)房間或建筑物的逐時負(fù)荷，從而可檢驗空調(diào)的全年運行效果，為合理的選擇空調(diào)設(shè)計及系統(tǒng)方案設(shè)計打下良好基礎(chǔ)。

動態(tài)負(fù)荷的計算可以利用國內(nèi)外的一些商業(yè)軟件，如Dest, Energyplus, VE, Doe, Equest等。

       2、基于動態(tài)負(fù)荷的空調(diào)設(shè)計

       根據(jù)不同的技術(shù)而有不同的設(shè)計方法，像地板輻射末端、置換通風(fēng)、地源熱泵、水蓄冷、冰蓄冷、游泳池的設(shè)計等，要根據(jù)不同的空調(diào)形式和使用特點和運行規(guī)律，合理選擇冷熱源設(shè)備，確定系統(tǒng)運行及自動控制方案，以保證系統(tǒng)安全、可靠、節(jié)能運行。

       3、空調(diào)模擬平臺的搭建

       空調(diào)模擬平臺如圖2所示，其功能是對空調(diào)房間進(jìn)行動態(tài)負(fù)荷進(jìn)行模擬計算，對系統(tǒng)的運行效果進(jìn)行模擬，同時對系統(tǒng)的能耗和熱舒適效果進(jìn)行模擬顯示，具有故障診斷、節(jié)能優(yōu)化分析、實時動態(tài)仿真、實時監(jiān)測、自動控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲調(diào)用等功能。因此空調(diào)模擬平臺可以是由各種計算軟件或程序組成的軟件平臺，也可以是由數(shù)據(jù)采集、傳輸轉(zhuǎn)換設(shè)備、計算軟件和計算機(jī)組成的軟、硬件半混合仿真平臺。軟件平臺一般包括動態(tài)負(fù)荷模擬軟件、CFD(計算流體動力學(xué))軟件、動態(tài)模擬軟件、數(shù)據(jù)顯示轉(zhuǎn)換軟件等

圖2 空調(diào)模擬平臺的功能

       4、系統(tǒng)自動控制和運行

       對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動控制和節(jié)能運行是樓宇自動化系統(tǒng)的一部分，是運用自動控制手段實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的運行優(yōu)化和邏輯控制，其自動控制的判據(jù)一般為基于熱舒適的指標(biāo)或熱力學(xué)優(yōu)化指標(biāo)。因此利用先進(jìn)的計算模擬軟件可實現(xiàn)自動控制方案的優(yōu)化，并根據(jù)先進(jìn)的能源優(yōu)化理論和空調(diào)熱舒適理論為系統(tǒng)合理、節(jié)能、舒適的運行提供解決問題的手段和依據(jù)。

       5、數(shù)值模擬輔助設(shè)計和運行

       通過模擬平臺對動態(tài)負(fù)荷、系統(tǒng)的運行效果、氣流組織的舒適性效果進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果可有效指導(dǎo)設(shè)計方案的進(jìn)一步優(yōu)化，從而使設(shè)計在規(guī)劃階段使得建筑物不但滿足采光、聲學(xué)要求，而且通風(fēng)良好，溫度適宜具有極好地室外微氣候環(huán)境，進(jìn)而根據(jù)節(jié)能要求，設(shè)計選用良好的保溫墻體和門窗類型，并根據(jù)初步設(shè)計方案進(jìn)行實際能耗模擬，根據(jù)模擬結(jié)果再進(jìn)一步修改完善直至滿足節(jié)能效果為止。然后根據(jù)整個空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)模擬結(jié)果優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備選型和運行、控制策略；同時模擬結(jié)果還有助于發(fā)現(xiàn)能耗較大的環(huán)節(jié)或工藝不合理的環(huán)節(jié)，從而有助于節(jié)能診斷，并進(jìn)一步提出合理有效的節(jié)能改造方案。

五 結(jié)論

       當(dāng)然，節(jié)能建筑設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及方方面面的問題。上文所提及的動態(tài)設(shè)計所解決的問題只是其中的一部分，它們往往通過傳統(tǒng)的設(shè)計方法不能很好的解決，這會造成許多的設(shè)計漏洞，使建筑物能耗增加。所以，筆者專門提出動態(tài)設(shè)計的方法來解決傳統(tǒng)設(shè)計所不能解決的難題，基于這種方法而探討其有效性和正確性，在此只是拋磚引玉，希望同行們能多加指正，集思廣益，共同探討節(jié)能建筑設(shè)計的新方法。在今后的設(shè)計中多研究、多嘗試、多積累、多總結(jié)，在有限的條件下將建筑功能與藝術(shù)和技術(shù)更好地結(jié)合，使建筑設(shè)計的各個方面都能體現(xiàn)節(jié)能的原則，努力創(chuàng)造低成本、高效率的節(jié)能建筑。 

參考文獻(xiàn)

       [1] 薛一冰.建筑創(chuàng)作過程中的綠色思維.建筑學(xué)報，2008(3).
       [2] 黃小薇.淺議綠色建筑設(shè)計之展望.建筑與裝飾，2008(2). 
       [3] 李敏堅.綠色建筑設(shè)計中應(yīng)遵循的原則及設(shè)計方法.建筑與裝飾，2007(10).
       [4] 陳  列.建筑設(shè)計中的綠色技術(shù).廣東建材，2008(3).
       [5] 卜增文.綠色建筑設(shè)計—思維先行.建筑科技，2007(22).
       [6] 羅小未.外國近現(xiàn)代建筑史(第二版). 中國建筑工業(yè)出版,2004
       [7] 劉加平.建筑物理（第四版）. 中國建筑工業(yè)出版,2009
       [8] 弗瑞德·A·斯迪特.生態(tài)建筑設(shè)計. 中國建筑工業(yè)出版,2008
       [9] 王健夫,顧蘇林.暖通空調(diào)技術(shù)的進(jìn)步對現(xiàn)代建筑的影響[J].森林工程,2002,18(3):60-61.
       [10] 范存養(yǎng) ,龍惟定. 面向地球環(huán)境時代的空調(diào)技術(shù)[J ].制冷與空調(diào), 2001,1(1) :23 -  26.
       [11] 姚江波 ,白蔚君. 綠色建筑與建筑節(jié)能[J ]. 華中建筑 ,2000 ,18(02):69-73.
       [12] 房志勇。建筑節(jié)能技術(shù)。中國建材工業(yè)出版社，1998
       [13]《河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(寒冷地區(qū)) DBJ41/062-2005
       [14] 宋德萱.節(jié)能建筑設(shè)計與技術(shù).上海.同濟(jì)大學(xué)出版社.
       [15] 彭小云,邰惠鑫.天然采光的生態(tài)方法.華中建筑,2002,(5).
       [16] 李智耿,肖立. 居住建筑節(jié)能設(shè)計有關(guān)問題的探討[J]. 重慶工商大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,(03)
       [17] 陸建勇,馬曉東,田立奇. 既有建筑節(jié)能改造技術(shù)研究[J]. 陜西建筑, 2008,(01). 
       [18] 李家克. 建筑節(jié)能的必由之路——綠色建筑[J]. 中國建設(shè)教育, 2006,(07). 
       [19]  畢宇欣. 建筑節(jié)能理論與設(shè)計應(yīng)用[J]. 新疆化工, 2006,(02). 
       [20] 馬越. 建筑節(jié)能在幾個階段的概述[J]. 陜西建筑, 2007,(11). 

       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會文集）。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。