我国长江流域地区面积占国土面积的25%, 人口占全国总人口的55%, 属高密度人员聚居地区, 该地区夏季炎热、冬季阴冷, 全年高湿, 室内热环境状况恶劣[1-3]。冬季室内温度在15℃以下, 远低于北方集中供暖地区的室内温度 (20℃左右) [4]。近年来, 随着生活水平的提高, 该地区人们改善建筑室内环境的愿望越来越强烈[5]。由于缺乏适宜的技术支撑和政府的有序引导, 部分城市照搬我国北方地区以及国外供暖空调技术路径, 未结合该地区气候特点、建筑结构性能、人们生活习惯等, 导致建筑能耗急剧上升, 危及我国的能源战略安全[6]。因此, 基于我国能源消费总量控制限额[7], 寻找改善长江流域建筑热舒适策略, 研发该地区低耗能的建筑热环境改善关键技术[8], 促成社会、经济和环境可持续发展, 成为了我们面临的巨大挑战。

国际上, 美国劳伦斯·伯克利国家实验室等开展了建筑用能定量分析的研究, 提出的建筑能耗定量计算方法与软件处于世界领先水平[8];针对围护结构提出了适宜的节能设计参数, 同时也提出了完善的通风标准和方法[9]。英国建筑科学研究院、剑桥大学等提出了以气候适应式被动式设计策略为主导的可持续建筑技术集成体系[10], 并在英国开展了集成示范。德国提出了“被动房”设计方法及标准[11], 要求尽量降低建筑围护结构热耗散[12], 其技术方法已被多个国家所引用。近年来, 丹麦、德国等提出了“主动房”的发展新方向, 倡导有效改善人们的健康舒适水平, 建筑自主产能, 以可持续发展形式利用资源[13]。芬兰、德国等的辐射供暖系统舒适性及节能性优良, 目前低温辐射供暖与低品位能源相结合的应用研究成为新的发展方向。在空气源热泵领域, 日本和美国等处于世界领先水平, 其中高效、可靠的除霜技术已成为行业的研发前沿。

国内在“十一五”“十二五”期间开展了国家科技支撑计划“夏热冬冷地区建筑节能关键技术集成与示范”“城镇人居环境改善与保障关键技术研究”等应用项目研究, 以及国家自然科学基金重点项目“建筑热环境动态调节与控制的理论与方法”等基础研究。在热环境方面, 建立了人体热舒适自适应理论[14], 提出了夏热冬冷地区的热舒适区间[15], 编制了国家标准GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》[16], 其成果被国际标准所引用。在围护结构方面[17], 墙/窗的热工性能、遮阳、通风[18-19]等单项技术已形成大量可应用的成果。

综上所述, 围绕热环境的营造问题, 国内外均开展了大量研究, 拥有较好的研发基础。针对局部气候、使用习惯与人员行为的研究将是未来研究深入细化的重点;在原有单纯热舒适的研究基础上嵌入人员行为、能耗的影响, 开展热环境需求研究是未来的研究方向;在原有主要降低北方供暖能耗的基础上有针对性地开展长江流域冬季供暖与能耗限额双控的研究将是新的方向;在原有设备技术条件下, 突出设备的地区适宜性研究将是设备精细化研发的亮点。

因此, 基于长江流域气候特点和热环境需求, 开展该地区建筑供暖空调解决方案和相应系统研究, 是在现有研究基础上承上启下、开拓未来的创新性研究, 同时对改善当地民生和实现国家节能减排目标有重大意义。

“长江流域建筑供暖空调解决方案和相应系统”重点项目属于“十三五”国家科技重点研发计划“绿色建筑及建筑工业化”重点专项。项目从国家能源约束条件以及长江流域的地区特点和室内热环境改善的现实状况出发, 揭示建筑、设备、人在室内热环境营造中的关系, 将热环境需求特性、围护结构、冷热源、末端设备、供暖空调系统的相关研究进行有机结合, 研究适宜该地区人员使用习惯和模式的关键技术和解决方案, 开发核心技术与产品, 通过标准制定、生产线的形成以及集成示范实现研究成果的推广应用。

长江流域气候夏热冬冷, 全年高湿;人员用能习惯、行为各异。在满足能耗限额要求的前提下研究改善室内热环境的供暖空调解决方案, 目前缺乏对人员工作生活习惯、行为调节方式及热环境定量需求的认知;缺乏与该地区气候特征及多种运行模式特点相匹配的建筑围护结构热工性能指标、构造准则及营造技术体系;该地区使用冷辐射末端易结露, 现有末端形式难以满足快速热响应要求;空气源热泵在长江流域应用存在冬季结霜、能效比低等问题;缺乏针对不同建筑类型的多样负荷分布特征的冷热源及其系统运行调节优化方案和诊断技术。针对这些问题, 本项目将根据气候特征, 融合人员行为习惯, 研究延长非供暖空调时间、降低冷热负荷的综合热环境营造技术体系, 开发高效空气源热泵产品、热源塔热泵空调系统和高效舒适供暖空调统一末端装置并实现产业化, 形成室内热环境营造和建筑节能相关标准、规范、指南、软件和数据库, 提出供暖空调解决方案和建设系统集成示范工程。

研究成果将为长江流域不同地区室内环境保障与建筑节能的政策、法规、标准及指南的制定提供科技支撑和解决方案, 对拓展建筑行业和人们生活改善需求、推动经济发展和改善民生起到促进作用。

项目针对长江流域气候特征、人们生产生活习惯及间歇用能特点, 结合我国“十三五”能源消费总量控制目标及长江流域冬季供暖民生需求, 研究该地区降低供暖空调负荷和延长非供暖空调时间的热环境营造技术体系, 研发新型、高效供暖空调设备、末端及系统优化运行技术, 实现高效节能供暖空调, 建立建筑热环境改善节能技术体系。

重点解决的关键科学、技术问题与主要研究内容如下。

关键问题1:结合热环境需求特性和用户使用习惯, 提出建筑室内热环境营造定量需求, 建立适宜长江流域的延长非供暖空调时间的热环境营造技术体系。

与北方相比, 长江流域全年潮湿, 室内人员热舒适调控行为繁杂且瞬态多变, 包括开关门窗、调节供暖空调的设定温度等行为, 其对建筑热环境及能耗的定量影响数据缺乏、关系不明[20]。前期众多的研究均是通过个案调研建立行为概率模型, 无法应用推广[21]。本项目通过构建长江流域建筑室内热环境参数、人员行为及建筑能耗的数据库, 建立基于大数据方法的数据分析平台, 探明室内人员行为对室内热环境及建筑能耗的定量影响;在此基础上综合考虑人员健康舒适和建筑能耗限额, 结合现有建筑技术水平分析, 确定热环境改善定量需求, 提出各类建筑利用围护结构性能改善及混合通风技术延长建筑非供暖空调时间的策略。研究建筑围护结构热湿传递特性及其对建筑室内热环境的动态影响, 以及不同建筑围护结构体系的热响应时间与长江流域间歇用能模式之间的匹配特性。分地区提出建筑围护结构热工性能需求, 分析室外环境参数 (温度、湿度、风速、风量、太阳辐射) 对“部分时间、部分空间”空调建筑室内热环境的影响, 结合人的主观适应性如开/关窗、遮阳、机械通风等, 建立降低长江流域居住建筑供暖空调负荷需求的建筑设计方法和通过削峰延长非供暖空调时间的室内热舒适环境营造技术。

关键问题2:新型、高效的长江流域空气源热泵等设备与供暖空调系统性能提升技术研发。

长江流域全年气温变化大、湿度高, 使用传统空气源热泵易出现压比调节不适应、结霜等问题[22-23], 针对这些问题, 开展高效空气源热泵及其压缩机压比适应及容量调节技术研究:研究气象参数大范围变化对空气源热泵及其压缩机制冷和制热性能的影响规律并揭示变工况下性能衰减的原因, 以及制冷剂喷射、制冷剂泄出、压缩机变转速等技术对涡旋压缩机和滚动转子压缩机及其热泵系统性能的调节机理;研究低温高湿环境下空气源热泵的抑霜与除霜技术;研究材料表面改性对空气换热器表面结霜性能的影响机理和规律及其长效实现方法, 以及高效除霜、热源取得、循环设置及其除霜控制方法;研究不间断供热的高效空气源热泵系统及关键设备、基于溶液喷淋的无霜空气源热泵系统及其关键设备、不同形式基于溶液喷淋的无霜空气源热泵系统的夏季喷水工况的制冷性能和冬季溶液喷淋工况的制热性能, 以及三元流体的热质传递设备的优化设计方法;研发新型热源塔空调系统, 针对热源塔冬季运行工况, 研究基于低压沸腾再生及基于小温差蒸发再生的溶液再生方式;研制一种惯性/静电复合式除液装置;研制热源塔热泵溶液及相应缓蚀剂。

结合该地区间歇式供暖空调方式与设备性能, 建立建筑冷热源方案选择定量分析模型, 定量分析不同系统形式、不同负荷比下冷热源组合方式的初投资、运行能耗及费用、回收周期等技术经济要素, 研究供暖空调系统理想及实际运行特性, 提出系统技术优化及改进策略;研究能耗限值给定条件下的建筑供暖空调系统设计流程与方法, 编制冷热源选型评估软件;研究供暖空调系统反馈自调节优化运行控制策略, 重点研究变流量输配系统定末端压差、变末端压差、定温差控制等变频控制策略在工程应用中的系统运行稳定性与节能性;形成在线式故障诊断专家系统, 对各种工程隐蔽故障进行准确识别、判定, 研发在线式供暖空调诊断专家系统。

关键问题3:长江流域供暖空调末端性能提升关键技术研发。

长江流域供暖空调冬季采用对流方式供暖舒适性差, 采用辐射方式供暖响应慢, 夏季采用辐射供冷易结露、冬夏末端难以统一[24-25]。项目结合室内热环境定量需求、围护结构性能特征、设备与系统运行特性, 研究辐射型末端关键技术参数, 解决辐射末端应用于长江流域高热高湿地区时的表面结露问题 (夏季供冷) ;同时针对现有辐射型末端冬季加热时间长、无法适应间歇性供暖需求的问题, 研究高性能扁平式热管技术, 开发热管阵列辐射供热供冷末端装置, 优化辐射供热供冷末端设计, 开发新型半导体辐射型一体化产品, 攻克辐射型末端热响应时间长的技术障碍;针对目前对流型末端冬季供热舒适性差的特点, 结合人体热舒适试验, 开展对流型末端送风方式及送风参数优化研究, 提出适宜的送风参数 (风速、温度、送风方式等) , 改善对流型末端冬季供暖舒适性;研究辐射与诱导送风复合供暖空调末端的室内气流组织形式和热舒适性, 在综合考虑围护结构性能、人员行为特征、冷热源设备性能、系统运行调控方式、能耗限值的基础上对复合末端进行设计及运行参数优化, 研究辐射与诱导送风复合供暖空调末端与双温冷热水机组的特性匹配, 进而研发冬夏统一的辐射与诱导送风复合供暖空调末端装置。

项目研究紧密结合国家能源总量控制目标, 提出建筑在不同运行模式下的室内热环境营造定量需求, 研究符合人员行为特征的围护结构、设备、系统与末端等性能优化关键技术, 建立适宜长江流域的延长非供暖空调时间的热环境营造技术与高效供暖空调技术体系, 通过示范带动、产业支撑, 提升与推广长江流域热环境改善技术。

本项目研究以系统论方法为指导, 基于建筑、设备、人在室内热环境营造中的相互关系, 将热环境需求、围护结构、冷热源、末端设备、供暖空调系统的相关研究进行有机结合, 研究综合了建筑环境与能源应用、建筑技术科学、数据科学、社会科学等多学科理论原理[26]。采用宏观与微观、技术科学与人文社会科学、统计分析与精密分析、实验室研究与现场研究等方法, 开展跨学科交叉研究, 通过方法综合、理论交叉、文化科技交融等手段提升相关领域传统的研究方法。主要研究方法包括:

1) 数据采集与调研采用大数据、点云数据调研及多学科信息分类处理:分地区、分建筑类型 (住宅、学校、办公建筑) 对人员行为、室内热环境及能耗进行大样本调研与计算机数据采集、聚类分析。

2) 数值模拟与模型实验测试:采用计算机数值模拟和相似比模型, 开展影响建筑围护结构、供暖空调设备和末端性能的敏感性要素分析, 进行数值模拟和实验测试相互论证。

3) 经典大系统理论和最优化方法:建立供暖空调大系统模型, 以系统运行总能耗为控制优化目标, 采用质调节及量调节相结合的方法研究供暖空调系统运行优化技术。

4) 多目标优化方法:对室内热环境、供暖空调能耗进行技术集成, 在示范工程中建立室内环境参数、能耗参数等的实时在线监测系统, 通过测试分析, 验证供暖空调技术集成的应用成效。

1) 针对建筑室内人员行为对室内热环境及能耗的影响, 项目研究采用社会学调查方法, 辅以基地式、穿戴式、便携式数字仪表等数据采集系统, 在长江流域分地区、分建筑类型 (住宅、学校、办公建筑) 进行建筑室内人员行为实时动态监测, 形成点云数据库;在建模方面, 针对建筑室内人员行为特点, 结合因素分析和路径分析, 建立定量模型, 以基本的拟合标准、整体模型拟合优度及模型内在结构拟合优度3个指标作为模型准确性判定标准, 保证模型的准确性。

2) 针对围护结构热湿传递性能, 采用多物理场分析平台进行热湿耦合传递分析。搭建非稳态传热和室内热环境特性试验模型, 针对不同的围护结构体系, 开展模型实验, 研究各种供暖末端形式与间歇供暖空调条件下室内热环境动态热响应机理及其对室内热环境和空调负荷的影响。在计算机模拟与模型实验基础上, 对围护结构的热工特性、构造形式、热桥节点等进行多因素协同研究, 以延长非供暖空调时间和降低供暖空调能耗为目标, 对围护结构体系进行优化。结合工程实践, 通过编制工程设计导则等, 构建围护结构的热工性能参数体系, 指导节能设计。

3) 针对辐射型快速供暖供冷末端开发, 主要采用实验和模拟相结合的方法, 利用因素分析法开展敏感性分析, 分析不同设计参数和末端组合方案下暖通空调系统的响应时间。针对辐射供暖与对流供冷的高效末端产品, 通过理论分析和数值模拟对末端气流组织进行优化, 调整送风方案, 改善热舒适性。对于热管阵列辐射供暖供冷末端开发, 通过理论研究与实验相结合的方法, 对诱导辐射供冷/供暖末端参数进行研究和优化。利用CFD仿真与系统实测相结合的方法研究诱导辐射供冷/供暖末端建筑空间的气流组织和热舒适性。

4) 针对用于宽温度变化范围及高湿环境的高效空气源热泵技术研究, 采用精细分布模型与实验验证的方法进行压缩机及热泵系统压比适应和蒸发器除霜问题的研究。对压缩机、换热器、结霜/除霜过程等均采用精细分布参数建模。依据正交试验设计方法, 对包括压缩机内压缩过程在内的热泵系统微观和宏观参数进行精细测量。依据校正模型, 对空气源热泵在宽温度变化范围及高湿环境下性能下降的原因进行剖析。

5) 针对空调系统在线故障检测, 采用支持向量机 (SVM) 法建立故障检测模型。利用SVM理论建立空调系统设备、构件的特性参数参考模型, 利用指数加权移动平均 (EWMA) 控制图提高故障类型检测精度;通过对比数据预处理后的故障特性参数与回归模型, 对暖通空调系统常见故障进行在线检测与诊断。

项目围绕要解决的3个关键问题, 以长江流域典型建筑供暖空调能耗限额为目标, 从需求、围护结构、设备、末端、系统等方面对项目目标进行任务分解, 系统性地研究典型建筑室内热环境营造定量需求、技术路径、关键技术突破与核心产品研发, 通过技术集成与示范应用, 形成包括室内热环境营造定量需求、围护结构解决方案、通风技术、高性能供暖空调末端与一体化技术及产品、高效冷热源设备与供暖空调系统等在内的室内热环境营造技术体系、关键产品、标准法规、性能监控与评估体系等, 建立该地区建筑室内热环境监控与评价长效机制, 结合生产线的建立以及示范工程的应用, 为技术研发、产品研制及成果推广提供坚实基础, 支撑国家宏观决策, 保障与改善民生, 促进行业发展。

任务分解为6个课题, 具体方案如下。

课题1:基于能耗限额的建筑室内热环境定量需求及节能技术路径。

该课题重点研究长江流域不同地区建筑室内热环境需求特性及用户使用习惯, 定量给出建筑在不同运行模式下的室内热环境营造需求, 提出基于能耗限额的改善室内热环境的节能技术路径。

课题2:降低供暖空调用能需求的围护结构和混合通风适宜技术及方案。

该课题重点研究适宜的围护结构方案与施工工法, 研究建筑混合通风技术, 通过应用验证, 建立以降低供暖空调负荷为目标的建筑围护结构和混合通风适宜技术方案, 提出适宜该地区的延长非供暖空调时间的热环境营造技术体系。

课题3:供暖空调末端性能改善技术与统一末端研发。

该课题重点研究适宜的供暖空调末端方案, 解决对流末端冬季供暖舒适性差的问题及辐射末端性能提升问题, 给出可满足冬季供暖、夏季供冷等需求的统一末端解决方案, 并研发供暖空调统一末端产品。

课题4:高效空气源热泵设备研发。

该课题重点研究空气源热泵化霜、压比大范围变化下高效运行等关键技术, 研发分散高效的热泵型空调器、多联机、无霜空气源热泵系列产品, 构建适宜于长江流域的高效空气源热泵技术体系。

课题5:间歇模式下集散式供暖空调系统构建与优化运行关键技术研发。

该课题重点研究间歇模式下建筑供暖空调系统的理想及实际运行特性, 开发供暖空调系统设计运行优化技术, 构建新型高效热泵系统, 提升供暖空调系统运行能效, 满足冬夏共用的冷热源设备与系统高效运行需求。

课题6:建筑供暖空调解决方案和系统集成及工程示范。

该课题重点针对长江流域供暖空调技术集成与示范应用的问题, 提出各类示范工程的技术集成方案与实施方案;统筹规划示范工程项目的分类、分步实施, 并进行供暖空调技术集成实施的效果评价。

各课题围绕项目目标与关键技术问题, 有机结合, 课题1重点解决定量需求与技术路径问题, 课题2依据课题1提出的被动式技术路径重点解决被动式技术方案问题, 课题3~5依据课题1提出的主动式技术路径重点解决主动式技术方案问题, 课题2~5相互关联, 形成该地区建筑室内热环境营造的技术体系, 课题6依托课题1提出的技术路径及课题2~5的关键技术与产品, 形成示范工程的技术集成与成果应用。各课题相互逻辑关系如图1所示。

项目团队包括重庆大学、清华大学、青岛海尔电子空调有限公司、上海市建筑科学研究院、东南大学、东莞市万科建筑技术研究有限公司、广东美的制冷设备有限公司、中国建筑科学研究院、浙江大学、湖南大学、同济大学、住房和城乡建设部标准定额研究所、中国建筑设计院有限公司、中国建筑发展有限公司、中国建筑股份有限公司技术中心、华东建筑设计研究院有限公司、浙江世贸房地产开发有限公司、珠海兴业绿色建筑科技有限公司、中国建筑第八局工程有限公司、青岛海尔空调器有限总公司、南京天加空调设备有限公司、广州华德工业有限公司等。项目参与单位研究合作关系如图2所示。在长期科研合作、平台共建、工程实践的基础上, 形成了围绕长江流域建筑室内热环境改善的产学研用紧密结合的研究团队。

长江流域最显著的气候特点是夏季高温闷热、冬季阴冷潮湿, 加之过去属于非集中供暖地区, 既有建筑围护结构热工性能差, 室内热湿环境条件恶劣。近年来随着城镇化加速, 该地区经济飞速发展, 人们迫切希望改善室内热湿环境条件, 我国沿袭了60年的一“线”分冷暖的方法已不再适用。世界上气候条件相近的其他国家或地区, 如欧洲的西班牙、意大利, 美国的加州、佐治亚州等地, 都是采用集中供暖的方式改善冬季室内热湿环境。我国北方冬季基本上也采用集中供暖模式, 如果长江流域照搬集中供暖模式, 将大大超过我国的实际能源供给能力, 带来沉重的能源负担, 不仅会影响该地区经济发展, 还会加剧我国能源供应紧缺现状, 影响我国能源安全, 并且会加剧长江流域因消耗大量化石能源而导致空气污染加重的问题。通过本项目的研究, 将实现在能耗限额约束条件下最大程度提高该地区居民室内热舒适性, 研究成果有助于改善该地区民生需求、实现节能减排目标, 以推动该地区经济发展和生态文明建设。

本项目基于能耗限额约束条件, 针对长江流域独特的气候特点、人员行为习惯、用能特性等, 提出了建筑本体、能源设备及末端系统的被动式和主动式系统性有机集成路径来改善长江流域建筑室内热环境的方法, 攻克“低能耗改善室内热环境的理论与方法”的科学与技术难题, 以形成适应当地气候特点、经济文化水平、人的行为特性的技术体系。项目的研究成果将为该地区建筑室内热环境的设计、营造和运行提供技术支撑, 提升现有长江流域建筑节能标准体系, 使得该地区保温、隔热、通风, 以及冬季供暖、夏季供冷、过渡季节适应性调节有规可循, 有法可依。

项目的实施将形成从核心技术研发、产品生产线建设到产品工程应用的服务产业链。空调系统的研发将形成我国空调行业的核心技术, 做到全年实际能效的大幅提升, 树立新的空调行业节能标杆;同时将颠覆传统空调设计以产品为中心的模式, 将创造一种新的以用户行为特性及最佳使用体验为目标的研发模式, 不仅能解决“空调病”的难题, 也会让用户感到舒适;另外, 结合网络智能交互技术, 基于云计算智慧平台, 利用大数据分析开发实时气象智能云适应技术, 将克服气象数据与空调器实时融合的难题。更重要的是, 空调核心技术的创新将加快产业结构升级, 淘汰落后产能, 通过技术提升、产品革新、标准引领及示范推广, 以创新驱动产业转型升级, 提升核心技术国际影响力。

项目成果将有利于改善长江流域居民室内热舒适性。通过项目研究成果在各地工程的集成示范应用, 做到科技惠民, 提高民众生活质量和增强自身幸福感, 促进该地区的民生改善与和谐发展。