建筑暖通设计及系统优化措施研究

袁于单

（贵州茅台酒厂（集团）置业投资发展有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

目前，我国在社会经济领域取得了显著成绩，经济蓬勃发展，科学技术转型也在不断升级，在经济和科技的双重作用下，建筑行业迎来了巨大的发展机遇，也逐渐成为影响国民经济发展的支柱产业[1]。随着城市化进程的不断推进和城镇建设脚步的不断加深，人们的物质生活和精神追求不断提高，对建筑的实用性和舒适性的要求也在不断提高[2]。在建筑工程的大系统中，建筑暖通是十分重要的一个环节，也是决定使用者舒适程度的关键因素，同时建筑暖通也是建筑使用期间能源消耗的最主要环节[3]。该文主要引入舒适度指标，并采用皮尔逊指数法进行衡量，在满足人体舒适度需求的前提下，优化建筑暖通系统设计，以达到节约能耗并提高舒适度的目的，研究内容如下。

1 研究方法

1.1 舒适度指数

基于人体热特征，通过人体的散热机制来解决RC 热网络的生物生理学偏微分方程如公式（1）所示，在MATLAB中通过有限体积数值法即可求解公式（1）。

式中：r为人体各范围半径，是温度变化的唯一维度；MR为静代谢率；ρ1为人体内部密度，kg/m3；k1为人体内部导热率；V1为人体内部体积，m3；ρ2、k2、V2分别为人体外部密度、导热率以及体积等参数，其单位同上述；c3为血液在恒压下的热容；T1为人体内层温度，℃；T2为皮肤温度，℃。

其中有关人体参数及范围见表1。

表1 人体热特征

舒适度指标[4-5]是利用公式（1）计算所得人体生理参数确定室内温度和相对湿度的动态管理方案，舒适度的皮尔逊指数如公式（2）所示。

式中：M为新陈代谢，W/kg；W为人体活动，W/kg；Pva为空气压力，kg/m2；Tin为人体内部温度，℃；Fcl为衣物的视角系数；Tmr为平均辐射点温度，℃；hcl为衣物传热系数，W/（m2·K）。

皮尔逊指数为表示舒适度而采用的DISC 相关性如公式（3）所示。

式中：T3为皮肤温度最小值，℃；Qev1为汗液蒸发热功率，W；Qev1为需要蒸汗液蒸发热功率，W；Qevmax为最大汗液蒸发热功率，W；Qevd为汗液蒸发散失热功率，W。

在KSU 模型中，冷环境中的热感指数TSV取决于εvc，而在暖环境中，则取决于εWSW，其表示如公式（4）所示。

式中：εWSW、εvc分别为散热和升温时的热辐射系数。

根据皮尔逊指数所示，TSV值在-1~1，人体感受到的舒适度最佳。

1.2 计算模型简介

准确设计暖通空调系统对建筑工程来说是十分必要的，而建立空调环境的温度和湿度设定点是进行精细化能量控制的第一步[7]。该文即从居民舒适度角度出发，建立考虑人体感受的动态调整温度和湿度的设定点，从而达到优化建筑暖通设计，节省建筑能耗的目的。计算流程图如图1 所示。整个系统的工作模式为先通过改变室内空气温度和相对湿度，确定所有可能组合产生的舒适指数值。然后在第一优化步骤的下游评估最大化热舒适性的组合，最后确定使能耗最小化的唯一组合。控制方案基于系统打开时监测区域内人员的生理参数（体表温度和心跳）和运行期间建筑物的热物理参数（例如平均辐射温度、墙壁温度的平均值）。

图1 计算流程图

计算模型的原理是在计算过程中，一旦在典型的时间步长内确定了要在房间内设置的参数的最佳组合，房间内的居住者在感受到室内温湿度变化后，开始与由对流和辐射热交换决定的周围环境进行热交互，因此他所暴露的热瞬变导致个体达到表面温度（在下一个时间步骤的开始，与上一个不同）。因此，改变居住者的生理特征，特别是体表温度，就必须设置与先前不同的室内空气温度，以满足居住者的舒适度需求。

1.3 模型建立

为验证舒适度指标在建筑暖通设计中的应用和对暖通系统的优化效果，该文采用MATLAB 建立试验场，对上述模型进行分析。模拟单个办公空间的能量消耗情况，该房间长8.0m，宽6.0m，高2.7m，窗户面积为12m2，建筑物整体面积为48m2，体积为129.6m3。模型中所有墙体均与外界接壤，仅南侧有单个窗户。模拟组件参数见表2。该模型主要用于验证舒适度指标在建筑暖通设计和节能措施优化中的应用情况，其中舒适度指标主要从人体以及环境中获取，但在实际模拟工作中的相关数据由人为提供。

表2 模型建材参数表

模拟过程中，主要模拟从早9 点至下午5 点，室内灯具和其他电器的能耗分别为6W/m2和350W，暖通系统打开时，其余荷载即被设定为恒定值，假设办公室人员心率HR为70B/min，初始皮肤温度为33.7°C，衣物阻力lcl分别为1.01clo 和0.5clo，其余参数的设置均按照相关要求和实际情况进行布置。

2 计算结果分析

本节包括模拟结果及其在空间加热和冷却需求、热舒适性评估以及个体热调节响应方面的研究结果分析，模拟计算了2 个特定的每周间隔（1 月的第1 周和8 月的第1 周），以明确室内空气温度、相对湿度和居住者的舒适度指标的变化规律。

2.1 舒适度分析

热负荷和能耗的计算结果如图2 所示，其中图2（a）为1 月份第1 周，图2（b）为8 月份第1 周。该文中的舒适度指标主要是通过公式（2）~公式（4）所示相关性系数进行评价的。如图2 所示，该文所得计算结果中，2 个时段的舒适度指标均在-0.5~0.5，计算过程中舒适度的相关性在可接受范围内。

图2 人员舒适度变化曲线

2.2 温度变化分析

对建筑能耗和舒适度进行分析的主要目的是比较供暖和制冷的能耗量和建筑暖通系统的最优状态。热负荷和能耗的计算结果如图3 所示，其中图3（a）为1 月份第1周，图3（b）为8 月份第1 周。在冬季一周中，由于天气变化的特点，某些日子有供暖和制冷的共同需求，从图3（a）可以看到，需要大量热能进行空间加热能够在冬季最大限度地提高热舒适度，减少身体散热。因此，为了满足该条件，建筑暖通系统控制器在减少人体表面和周围空气之间的温度差方面具有很好的作用。图3（b）为夏季取样周，研究结果表明，夏季时热负荷和能耗存在部分位置低于采用动态控制方案获得的值，其原因在于夏季人体可通过排汗现象散发体内热量，流汗过程会增强居民热的感觉，进而导致流汗现象更明显，此时人体需要更低的环境温度，为保持令人满意的温湿度条件，需要加强设备运行效果。

图3 热负荷和能耗曲线

2.3 能耗分析

为明确建筑暖通设备的能耗量，该文分别设置变温1℃、2℃和3℃，对每年和每月的能耗量进行计算，计算结果见表3。研究表明，该方案分别在变温1℃、2℃和3℃条件下将全年温湿度变化条件范围降低了49%、57%和52%。值得注意的是，在所选案例中主要的冷却需求中，最常出现的温度为27℃、28℃和29℃，分别用于第一、第二和第三方案。所获得的结果表明，在制冷季节的相关时间内，控制室内空气温度（设定值）大于26℃，能使能耗更低。与相关研究中的案例相比，第一种方案中与供暖相关的年能耗量是研究案例的116%，第二种方案高出32%，第三种方案高出62%。关于冷却需求，所提出方案的能耗更接近参考案例的能耗。特别是第一种方案的消耗量减少了5%，第二种和第三种方案分别增加了16%和2%。

表3 各方案的年度能源分析

3 结论

该文从舒适度相关系数角度入手，研究考虑人体舒适性的建筑暖通系统的优化措施，所得主要结论如下：1）将舒适度相关系数与建筑暖通设计相结合，提出将皮尔逊指数（PMV）用于衡量暖通设计过程中人体的舒适度，根据皮尔逊指数所示，TSV值在-1~1，人体感受到的舒适度最佳。2）通过MATLAB 建立数学模型，对所提出的分析方法进行计算，分析说明该分析方法在分析人体舒适度、室内温、湿度变化以及统计建筑暖通系统能耗等方面具有一定的优势。研究结果对今后建筑暖通设计工作的开展具有一定的借鉴意义。