保障舒适度的城市建筑电力节能优化研究

保障舒适度的城市建筑电力节能优化研究

梁晓庆 田洪睿

山东聚智佳益项目管理咨询有限公司，山东济南， 250000

摘要：为实现节能减排目标，城市建筑电力节能的受关注程度不断提升，如何兼顾电力节能和舒适度也成为业界研究关注的焦点。基于此，本文将简单分析电力能耗指标和舒适度指标，并深入探讨基于舒适度指标的电力节能优化方法，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。

关键词：舒适度；城市建筑；电力节能

前言：对于城市建筑来说，照明系统、空调系统、电梯系统属于其主要能耗来源，光舒适度、热舒适度、乘梯舒适度则属于主要的舒适度影响因素。为兼顾城市建筑的舒适度和电力节能，必须综合关注能耗来源和舒适度影响因素，这正是本文研究的关键所在。

1. 城市建筑的电力能耗指标和舒适度指标分析

1.1电力能耗指标

照明系统、空调系统、电梯系统属于城市建筑电力能耗的主要来源，因此必须设法了解这类电力能耗的产生原因，为城市建筑电力节能优化提供依据。为满足研究需要，本文针对性建立了三方面的电力能耗指标。在照明系统指标的建立过程中，考虑到建筑内部所有光源能耗综合即为照明系统能耗，且不同房间存在不同光照度差异，为协调优化照明系统能耗，可建立式（1）所示的照明系统能耗指标^[1]。

（1）

式（1）中的t₀、t₁、N分别代表起始时段、终止时段、建筑内部房间数量， 、 、 、 分别代表第t时段的全部照明系统能耗、第n个房间能耗、第n个房间照明设备功率、第n个房间照明设备运行时间。为实现照明系统能耗降低，自然光的尽可能利用属于其中关键，所需的综合照度应科学叠加照明系统照度与自然光实现，照明系统的工作负荷需结合变化的自然光灵活调整。

在空调系统能耗指标的建立过程中，考虑到建筑内部换热消耗的电能为空调系统能耗，且实质上属于所有空调的能耗总和，结合不同用户存在差异的热舒适度要求，本文建立了式（2）所示的空调系统能耗指标。

（2）

式（2）中的 、 分别代表第t时段空调系统的能耗、冷热负荷， 、 分别代表第t时段的第n个房间冷热负荷、第n个房间温度变化量，c、 分别代表空气比热容、空调系统能耗系数，具体按照每小时进行采样。对于随时间变化的用电设备使用、室内人流量、室外温度及阳光来说，室内房间的人体散热、用电设备散热、玻璃辐射热等会直接受到影响，进而影响室内房间换热量变化，为降低空调系统能耗，需设法利用自然风、阳光等自然资源，并保证空调系统的工作负荷能够基于室外温度变化实现灵活调整^[2]。

在电梯系统能耗指标的建立过程中，考虑到建筑内部乘电梯机械负荷所消耗的电能属于电梯系统能耗，且电梯的启停次数、运行台数、待机时间均会影响电梯系统能耗，因此本文建立了式（3）所示的电梯系统能耗指标。

（3）

式（3）中的 为第t时段的电梯系统能耗， 、 、 、 分别为第t时段第i台电梯的能耗、运行能耗、启停能耗、待机能耗， 、 、 分别为第t时段第i台电梯的运行功率、启停时间、待机时间， 、 、 分别为第t时段第i台电梯的运行时间、启停时间、待机时间，B为电梯数量。为实现电梯系统能耗控制，需设法减少电梯的启停次数、待机时间及运行台数。

1.2舒适度指标

光舒适度、热舒适度、乘梯舒适度直接影响城市建筑舒适度，因此本文针对性建立了三方面舒适度指标。光舒适度指的是光照带来的身体感受，如光线入眼适宜程度等，不同时间、不同季节的光线舒适评价存在一定差异，这种差异的调节需要由室内照明系统负责，不得盲目选用统一照明标准，而是需要适当增加或降低不同区域的照度，更好降低能耗并使人感到舒适，基于这一理念建立的光舒适度指标如式（4）所示。

（4）

式（4）中的 、 、 分别为室内期望照度、室内照度、室外照度，由此可以明确用户的室内照度需要。

热舒适度源于人类身体对温度的感受，由于条件不同会导致温度舒适评价发生变化，考虑到冷与热感受相对性带来的影响，不同时间、不同季节存在不同的温度舒适评价结果，基于这种差异，室内空调系统必须设法实施热舒适度改善和电力节能的兼顾，基于这一理念可得到式（5）所示的热舒适度指标。

（5）

式（5）中的 、 、 分别为室内期望温度、室内温度、室外温度，由此可以明确用户的室内照度需要。

乘梯舒适度源于乘坐电梯时用户的身体感受，主要涉及顺畅程度、耗时长短、拥挤程度，电梯运行一次所耗费的时间直接决定耗时长短，乘客上下梯耗费时间和停靠次数直接影响顺畅程度，乘梯人的数量直接影响拥挤程度，由此可按照乘梯、候梯耗时衡量乘梯舒适度，基于这一认知可得到式（6）所示的乘梯舒适度指标。

（6）

式（6）中的 、 、 、 、 、 分别为楼层间电梯运行时间、候梯时间、楼层间电梯启停时间、楼层间电梯上下客时间、电梯第m次启停时间、电梯第m次启停乘客上下梯时间，C、

分别为楼层间电梯启停总次数、电梯第m次启停后乘客实际数量。

2. 基于舒适度指标的电力节能优化方法

基于上文提出的城市建筑的电力能耗指标和舒适度指标，可引入机会约束的节能优化模型，以此设法兼顾舒适和节能。具体以城市建筑内部用电系统最小总能耗为优化目标，机会约束条件为用户舒适度，以此对用户舒适度需求变化进行跟踪，得到处于运行置信范围内的用户舒适度，相较于传统方法，用户舒适度能够显著提升，由此可建立目标函数：

（7）

对于满足基本运行约束的内部电力系统，其还需要满足式（8）、（9）、（10）所示的机会约束条件，分别为光舒适度约束条件、热舒适度约束条件、乘梯舒适度约束条件。

（8）

（9）

（10）

上式中的 、 、 分别为光舒适度指标的实际值、期望值、置信度， 、 、 分别为热舒适度指标的实际值、期望值、置信度， 、 、 分别为乘梯舒适度指标的实际值、期望值、置信度。

结合上述公式进行分析可以发现，城市建筑电力节能优化在舒适度的机会约束下存在大量不确定因素，可以将其视作多变量优化问题，为快速、精确完成求解，本文最终选择了粒子群算法求解优化目标，同时选择呈线性递减的惯性权重，学习因子设定采用反余弦策略。

结合实际应用可以确定，本文研究的城市建筑电力节能优化能够较好保障舒适度，通过对舒适度指标和能耗指标的科学建设，研究明确了城市建筑舒适和能耗的联系，并为不舒适也不节能、舒适但不节能、不舒适但节能等问题的解决提供了可行性较高的路径。总的来说，城市建筑电力节能与舒适度的兼顾需充分发挥自然资源作用，不同时间、不同季节带来的影响也需要得到重视，同时充分考虑不同用户存在的舒适度差异需求。

结论：综上所述，保障舒适度的城市建筑电力节能优化具备较高现实意义。在此基础上，本文涉及的舒适度指标和电力能耗指标等内容，则提供了可行性较高的优化思路。为真正兼顾电力节能和舒适度，算法的优选、新型技术与设备应用的影响同样需要得到重视。

参考文献：

[1]竺晶婧，杨太华，吴爱莲.基于BIM技术的高校建筑节能优化分析——以上海电力大学临港校区为例[J].能源与环境，2019(04):95-96.

[2]林然.苏州某大型综合医院建筑能耗分析与节能探讨[J].建筑节能，2019,47(02):57-59+63.