基于舒适性的寒冷地区被动式建筑运行策略优化研究

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随着建筑工程的快速发展,我国正以每年2亿平方米的速度增加建筑面积,已成为全球最大的工程市场,同时带来了巨大的能源消耗。因此,建筑的节能降耗与可持续发展已成为全球关注的重要问题。其中,被动式建筑利用高保温隔热围护结构和高气密性来维持室温,进而降低建筑对机械采暖及制冷的需求、以最小的能耗来满足室内的舒适性要求。目前,被动式建筑在国内正处于推广应用的关键时期,然而现有研究多集中在设计、规划阶段的模拟分析。针对此,本文以寒冷地区某示范项目为案例进行运行阶段的实测研究,基于其室内外环境、分项能耗、机组设备运行等多维监测数据,探索其在不同运行策略下的舒适性和能耗响应特性,并结合模拟仿真提出能够满足其舒适性与节能要求的空调运行策略。研究要点如下:(1)调研被动式建筑中央空调系统运行策略的国内外研究现状,结合我国寒冷地区的气候特点对建筑案例的不同运行策略进行研究。通过分析现有的舒适性和能耗评价值指标,针对现有指标的不足建立了综合性的评价指标方式—能耗投入与舒适性产出指标。(2)结合研究建筑案例所在地区的气候特征、设计要素及技术体系,细化完善了冬季、过渡季、夏季高热、夏季高热高湿这4种典型气候背景下的测试方案,并借助数据监测平台和各类测试仪器进行数据采集。基于此,获得4种典型季节特征下的多维数据集。(3)基于监测数据分析可知:在过渡季,对建筑在自然通风、自然通风+风扇、新风+地源侧旁通的运行策略进行对比,探索自然通风的节能潜力。研究发现采用自然通风可为被动房每小时节约3.7 k W·h电能,新风+旁通的运行实效性与自然通风+风扇相比略优。在夏季高热气候,制冷工况的运行策略1(新风+热泵机组)和运行策略2(新风+热泵机组+风机盘管)的投入产出指标都较低,更加经济合理。在夏季高热高湿气候,制冷除湿工况的运行策略1(不开启风机盘管)能节省一部分电耗,但其室内的舒适性和气流组织分布不如运行策略2(开启风机盘管)。在冬季,其采暖系统末端的混合温度设置运行策略最能满足人体的热舒适性需求,且利于节能;间歇运行策略虽利于节能,但其机组和水泵的启停波动频繁;考虑到寒冷地区建筑的冬夏季负荷差异,其热泵系统应设置大小机组,冬季供暖工况时小机组运行来提高系统运行效率。(4)借助建筑能耗舒适性模拟软件Design Builder,在实测数据的基础上校验物理模型,通过模拟进一步探索其在过渡季和冬夏季不同运行和控制策略下的室内舒适性和能耗响应。首先,在4月份对自然通风、机械通风、混合通风策略进行模拟,发现机械通风策略舒适性最佳,而混合通风策略可改善自然通风的舒适性同时降低机械通风的能耗。其次,结合实测方案,对冬夏季的典型机组控制策略进行模拟,对比系统能耗在定温、温差、定时以及机组实际运行控制策略下的运行效果。通过以上研究,本文探索了寒冷地区被动式超低能耗建筑在典型气候背景下的优化运行策略,为提高其能源系统的运行管理水平、保障其舒适性和节能性提供参考。
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