1、学术会议论文编号:程瑞，王馨，张寅平(清华大学建筑学院，北京，100084)(Tel: 010-6277251& Emai1: zhangypmai1. tsinghua. edu. cn) 摘要：合理的夜间通风是利用自然冷源降低建筑能耗的冇效于段，同时能够提离室内热舒适。然而， 已有研究多是基于貝体案例的模拟分析，缺乏对绘优节能通风换气研究的普适性方法。本研究基于非 线性优化的反问题思路，以最小化模拟周期内空调设备及风机电耗总量最小作为优化目标，提出种 主动式建筑理想节能机械通风策略的确定方法。计算表明，优化后，北京夏季典型日和极端日总能耗 分别减小22%和33%,典型日峰值冷负荷减少20.2、9%,制冷设备开启时间减少约9小时。 关键词：建筑节能；机械通风；反问题；1引言合适的机械通风被认为是减少夏季空调能耗的冇效方法Z-O如何确定某一地区的 理想通风换气策略，对于优化通风方式，减少空调能耗有着十分重要的意义。文献中対通风策略的研究主要分为以下两类：(1)通过实验进行通风策略的选择及 研处。如Lai CM通过实验研究了卅于住宅和工厂通风的涡轮式风机的效率，并进行了 相关因素的敏感性分析1。这一类研究的不足之处在于其仅能针对某一类特定形式的系 统进行分析，结论的普适性不强。(2)通过数值模拟，比较不同的通风方案履终通过对 比得种较为节能的通风方案。Reddy T A等人通过数值模拟的3、方法，研究了终端回 热式变风量系统的不同室外通风策略，并分析了不同策略下的能耗，进而提出了一些能 够冇效节省能耗的通风策略12J o然而，这一类方法只能够通过冇限次的试算和模拟, 得出在已有方案屮札I对较优的通风策略，无法得到某一地区建筑的最优节能通风策略。 从已有的文献研究中可以发现，传统对于节能通风策略的研究中，关于理想节能通风的 概念研究不足，特别是对于夏季的主动式建筑，究竟何种通风方式才能够使得风机少制 冷的总能耗最小，已有研究中鲜有涉及。针对上述传统研究中的不足，木文捉出了一种呈于反问题思路的理想节能通风策略 计算方法，为某一特定地区选择夏季最为节能的夜间通风控制策略提供一种新途径与4、新 思路。2研究方法 2.1问题描述対于具有制冷设备的理想主动式建筑，当室内综合温度T迄，C,高于制冷设备的 开启温度Tset , C时，制冷设备就会启动，7时刻所需的即时制冷量qcoo哋，W,通 过对室内空气即时制冷，将综合温度控制于舒适区内，室内空气综合温度的计算公 式如下：基金资助：国际科技合作项目(NO.2010DFA64240, NO.2010DFA62410)kr + hc其中，h为辐射换热系数,W m2oC_1he为対流换热系数，Wm-C1； ta为环境空气温度，C； J为平均辐射温度，C。(2)制冷设备的制冷能效比EER(Energy Efficiency Ratio)=制冷量5、/制冷消耗功率，W/W。 因此，若已知每天的制冷总量Qcoo呱，J，那么每天制冷设备所消耗的电能Needing, J, 町以表示为：N cooling = Qcooling/EER为简化分析和计算，将一天划分为N个通风策略控制段。在每个通风策略段Z内, 逐时通风换气次数是一个常量。为了度量机械通风所产牛的能源消耗，认为满足夜间通 风换气次数所需风量是山一额定功率为Pfan，W;风量为V伽,H?/S,的变风量风扇所 提供的。那么，每天风扇所消耗的电能Nlan, J,可以表示为：24 (3)“亓护 CH(i)“ZW，2,.,N)Vr为房间体积,n?, ACH(i)*VR为每小时通风换气总体积，nA6、 ACH(i)* VRAfan*Pf,n 为当风量为ACH(i)时每小时内的变风虽:风扇的风机电耗，Jo所以，每天制冷与机械通 风所消耗的总电能Ni込1，J，可以表示为：NTotal =Ncoo!ing +Nfan =Qcooling /EER+Nfan(4)当墙体物性参数，制冷设备开启温度等其它因素确定时，制冷能耗与风机能耗的总量就 仅是每小时的通风换气次数ACH(r)的函数。因此，以制冷能耗和风机能耗总量作为优 化冃标，以逐时通风换气次数ACH(r)作为优化变量，当总能耗最小时，即可得出某一 地区的理想节能ACH(r)的分布形式，从而可得出某一地区最为节能的理想节能通风策略。优化方法使用序7、列二次规划方法(Sequential Quadratic Programming , SQP)|3|O2.2双板房间简化模型为了简化问题的分析过程，通过使用双板房间简化模型对真实房间模型进行简化。 真实房间的主要特征包括：单面朝南外墙和三面内墙；南向窗户；机械通风；室内热源。“双板”简化模型作了以卜假设：根据围护结构是否与室外环境直接接触将围护结构 归结为两块板：外墙板和内墙板；室内热源归为一个恒定值E；室内空气充分混合 满足集总参数条件；忽略地板向下漏热；所有通过窗户进入室内的太阳能可被热质 体吸收。双板模型的具体传热过程描述可参见文献3。3实例分析3. 1建筑参数研究对象房间为北京某多层办8、公楼中朝南的一间，具体建筑参数如表1所示。制冷 设备的制冷能效比EER按一普通家用空调的能效比进行确定，取为3。由于办公室晚间房间尺寸 三而内墙 楼板南向外墙外窗内热扰重外空r温度一总太阳辐射403530252015105(P)悭理800 12:00 1600 20:00900800(P)悯啰rH$M7O06O05O04O0SO020010000:00403530252010室外空气湛度 总太阳辎射90080070060050040030000004 002001000800 1200 16:00 2000 0 008捌（时）无人工作，使用一自动控制的变风量风机进行夜间机械通风蓄冷，风机额定性9、能参数如 下：转速一1120rpm,效率一65%,功率一005 kW,全压一120 Pa,流速一920n?/h。表1房间基木参数表5.7m(深)X 36m(宽)X 32m(咼)0.2m的混凝土空心砌块，体积热容为0.84 MJ/(m叱)，导热系数为0.41 W/(nfC)0.2m的钢筋混凝土。体积热容为2.3M(m叱)，导热系数为0.81 W/(mC) 厚度为0.25m,包括了外层0.07m厚的保温聚苯板和内层0.18m厚的钢筋混凝土，其中, 聚苯板的体积热容为().048 MJ/(n?C),导热系数为0.047 W/(mC)普通双层中空玻璃窗,窗墙比为0.3,传热系数为3W/(m2 C),夏10、季遮阳系数：0.44 采用动态变化的内热扰，其均值为10.6 W/m2为了分析不同气象参数对于优化结果的彩响，研究选取了北京夏季典型F1和极端H 两天的气象参数使用本文所提出的反问题方法进行分析，气象参数来白屮国建筑热环 境分析专用气象数据集，其室外空气温度及总太阳辐射数据如图1所示。(a)北京夏季典型口气彖参数(b)北京夏季极端口气象参数图1北京夏季典型日及极端日气象参数3. 2计算结果及分析3.2.1最优节能机械通风策略使用如前所述的反问题方法，可以优化得出北京夏季典型口及极端口两天的最优节 能机械通风换气策略，如图2所示，从中可得出：(1)最优通风换气次数不是一个定值， 应当随着室外气象11、环境的不同进行优化控制；(2)对于所分析的工况，最人节能通风换 气次数约为10.5 h当通风换气次数人于10.5 h1之后，增加通风次数将会导致总能耗 增大。图3基于经济学屮的边际理论对最优通风换气次数的确定进行了解释。增加一单 dN位的ACH,其所带来的边际成木(Marginal Cost)是风机电耗的增加，= 磊，所带 来的边际收益(Marginal Revenue)为制冷设备耗电量的减少，MR = 如皿。且边际成 dACH木随着ACH的增加而递增(风机电耗与流最成三次方关系)，边际收益随着ACH的增 加而递减(由于受到墙体蓄冷能力的限制，随着ACH的增加，墙体的边际蓄冷量递减)。 显然，12、当边际收益等于边际成本时，对应的通风换气次数即为给定工况卜的最优通风换 气次数。典型日极谐日匸X逐必r徐哎唱图2模拟日理想节能机械通风策略3. 2. 2节能效果分析opfimal ACH （MR 二 MC）图3棊丁边际理论的绘优通风换次数分析121084 -2 -0图4优化前后能耗对比优化前 优化后图5优化前后逐时冷负荷（典型日）从图4中可得：相比于办公室夜间无通风的能耗，优化后的机械通风策略在北京夏 季典型口及极端LI分别可以使得总能耗Nt如降低22%及33%,具有较好的节能效果。 原因如图5所示：典型口使川优化后的夜间通风策略后，室内峰值冷负荷降低20.9%, 并且减少了制冷设备的开启时间13、约9小时，减小了制冷设备的初投资及运行时间。4结论（1）木文提出了一种基于反问题的主动式建筑理想节能夜间通风策略的确定方法;（2）使用优化后的机械通风策略，北京夏季典型日和极端日总能耗分別降低22%及 33%,且峰值冷负荷减小20.9%,证明了方法的有效性；（3）可以设计相关软件，结合气象预报，对第二犬的通风策略进行预优化，有效减 小总能耗。参考文献1 Lai C M. Experiments on the ventilation efficiency of turbine ventilators used for building and factory ventilation. Encrg14、. Buildings, 2003, 35: 927-9322 Reddy T A, Liu M, Claridge D E A study of energy use and satisfactory zone ventilation of different outdoor air ventilation strategies for terminal reheat variable air volume system. Energ Buildings, 1998, 29: 65753 Zeng R L, Wang X, Di H F, et al. New concepts and approach for developing energy efficient buildings:Ideal specific heat for building internal thermal mass. Encrg. Buildings, 2011,43(5): 1081 1090