茶館建筑圍護結(jié)構(gòu)與暖通空調(diào)系統(tǒng)能量系統(tǒng)的熱力學(xué)基礎(chǔ)研究

孟童

（華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450046）

1 茶樓建筑圍護結(jié)構(gòu)

1.1 茶樓內(nèi)部保溫結(jié)構(gòu)

茶樓為契合古色古香的設(shè)計樣式，多以木質(zhì)材料作為茶樓的圍護結(jié)構(gòu)材料。有些茶樓為增加古樸韻味，將外圍的圍護窗戶換成鏤空布藝雕花窗。這類茶樓在夏天時，散熱效果較好。但到了冬天，茶樓的木質(zhì)材料和鏤空布窗，無法抵擋嚴寒天氣，即建筑內(nèi)部保溫結(jié)構(gòu)較差?；诖?，部分地區(qū)茶樓采用大性能暖通空調(diào)作為解決方案，但在維護結(jié)構(gòu)不完善、本就寒冷的內(nèi)部空間里，空調(diào)的能耗會大大加大；其余地區(qū)因無法支付大能耗的費用，將茶樓內(nèi)部增加隔熱層，在不影響茶樓美觀的基礎(chǔ)上增加保溫能效和蓄熱水平。少數(shù)現(xiàn)代化茶樓，以高強度的水泥鋼筋材料為圍護，保溫結(jié)構(gòu)較木制茶樓更好，但這類“城市化”的茶樓往往無法散熱，熱能儲存循環(huán)功能較差?；跓崃W(xué)基礎(chǔ)上暖通空調(diào)能量系統(tǒng)在茶樓建筑圍護中的應(yīng)用，必須將不同材料的茶樓進行綜合評比，設(shè)計出最符合現(xiàn)代社會氣候和各地區(qū)濕度、風(fēng)向的茶樓結(jié)構(gòu)。

1.2 茶樓外部通風(fēng)系統(tǒng)

暖通空調(diào)能夠在茶樓內(nèi)部形成空氣循環(huán)圈，通過采暖、排氣保持茶樓內(nèi)部的溫度一致，與此同時對應(yīng)的，茶樓外部必須要有能夠適應(yīng)自身結(jié)構(gòu)的外部通風(fēng)系統(tǒng)。一方面，根據(jù)不同地區(qū)的風(fēng)向、地理位置的不同，通過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計形成自然通風(fēng)。這類通風(fēng)方式能夠大大減少材料能耗，僅依靠建筑結(jié)構(gòu)就能夠形成一套完整的通風(fēng)系統(tǒng)，例如重慶等地的吊腳茶樓?；谖覈鴣啛釒Ъ撅L(fēng)氣候的分布較廣，季度性風(fēng)向不一，自然通風(fēng)系統(tǒng)無法在整年都發(fā)揮作用。茶樓外部通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置至關(guān)重要。另一方面，茶樓外部的通風(fēng)系統(tǒng)要與茶樓內(nèi)部的暖通空調(diào)系統(tǒng)相聯(lián)結(jié)，通過暖通空調(diào)的循環(huán)熱能進行集中動力式通風(fēng)。并在外部建造除暖通空調(diào)外的另一加強循環(huán)系統(tǒng)，保證茶樓內(nèi)部的空氣流暢度和氧氣含量。

1.3 自適應(yīng)區(qū)域化結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)區(qū)域化結(jié)構(gòu)指的是各個茶鄉(xiāng)民族地區(qū)因自身民族風(fēng)俗、地理位置等不同，而出現(xiàn)的自適應(yīng)茶鄉(xiāng)民族地區(qū)的特殊區(qū)域結(jié)構(gòu)。例如廣西桂林的園林式茶樓，根據(jù)桂林當(dāng)?shù)氐臐穸葰夂颍捎媚局坪褪骞餐Y(jié)合的維護結(jié)構(gòu)，既穩(wěn)固通風(fēng)，又可保溫散熱。例如重慶、廣西等地區(qū)水域的吊腳茶樓，這類半干欄式建筑既可以避免因過度潮濕導(dǎo)致的房內(nèi)空氣濕度較大，又能在夏季形成穿堂風(fēng)、在冬季形成隔熱層，節(jié)約室內(nèi)暖通空調(diào)能量損耗。隨著城市化的加深，自適應(yīng)的特殊區(qū)域化結(jié)構(gòu)已越來越少，取而代之的是現(xiàn)代商業(yè)建筑類茶樓。這類茶樓的暖通空調(diào)能量損耗較大，熱力學(xué)開放系統(tǒng)較弱，環(huán)境與系統(tǒng)之間無法形成強大的有機整體。在無法改變城市茶樓現(xiàn)有建筑形態(tài)和圍護方式的基礎(chǔ)上，必須升級暖通空調(diào)能量系統(tǒng)，在節(jié)能的同時保持高強度的蓄熱通風(fēng)功效。

2 暖通空調(diào)能量系統(tǒng)

2.1 采暖分析

暖通空調(diào)加熱系統(tǒng)良好，蓄熱能力不斷提高。但在我國資源供給分配不足的情況下，部分大城市的暖通空調(diào)耗能過大，產(chǎn)生了資源浪費。熱介質(zhì)傳質(zhì)系統(tǒng)是HVAC的重要組成部分，傳熱方式和材料選擇將影響節(jié)能問題。在茶樓的圍護結(jié)構(gòu)中，安裝熱能運輸流通管道。并且盡量在不破壞建筑物的基礎(chǔ)上，增加隱形驅(qū)動系統(tǒng)。此外，增加的系統(tǒng)必須是具有良好電力系統(tǒng)負荷特性，高運行效率，大溫差和流變速度的供水管道。使用合理有效的動力設(shè)備，提高傳動效率，建立良好的暖通空調(diào)運行結(jié)構(gòu)。根據(jù)熱力流通下系統(tǒng)管道的修建，暖通空調(diào)在不降低采暖效果的同時，提高了空調(diào)節(jié)能效果。

2.2 通風(fēng)分析

我國部分山區(qū)茶鄉(xiāng)因緯度、地形原因而導(dǎo)致空氣干燥、風(fēng)力不流通的地區(qū)，無法靠茶樓圍護建筑的自身適應(yīng)性進行自然通風(fēng)，只能依靠空調(diào)系統(tǒng)進行排氣通風(fēng)。但空調(diào)通風(fēng)的基礎(chǔ)上，也要以茶樓建筑的適應(yīng)性為基點。在部分人流量較大的茶樓，通風(fēng)系統(tǒng)不僅要保持室內(nèi)含氧量，還要兼具除塵、蓄熱的功效，即在通風(fēng)的基礎(chǔ)上，不影響熱力能效。暖通空調(diào)的通風(fēng)系統(tǒng)大多設(shè)置三級及三級以上的過濾器，并根據(jù)茶樓環(huán)形矩形圍護結(jié)構(gòu)、材料來調(diào)配風(fēng)力循環(huán)走向。

2.3 空氣調(diào)節(jié)分析

茶樓內(nèi)部暖通系統(tǒng)的應(yīng)用，雖然能夠彌補因圍護結(jié)構(gòu)不足而導(dǎo)致的熱力損耗，但室內(nèi)空氣質(zhì)量，必須經(jīng)過實時監(jiān)測和人為調(diào)整，無法達到通風(fēng)與采暖的平衡點。過度使用空調(diào)，也會使室內(nèi)的空氣含氧量降低，人體大腦產(chǎn)生不適感。因此，保持一個適度、平衡的空氣狀態(tài)和溫度狀態(tài)，是現(xiàn)階段各茶樓的主要考慮重點。在現(xiàn)代暖通空調(diào)系統(tǒng)中，變頻技術(shù)的應(yīng)用可以彌補空氣調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)的能耗問題，降低某些特殊區(qū)域茶館建筑的運行成本。但變頻技術(shù)如何在茶樓建筑內(nèi)開展和運行，必須經(jīng)過熱力學(xué)的測算和暖通空調(diào)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上設(shè)計。

3 熱力學(xué)基礎(chǔ)上茶樓節(jié)能優(yōu)化策略

3.1 蓄熱溫差與地源熱泵

蓄熱溫差與地源熱泵，是在熱力學(xué)因子基礎(chǔ)上茶樓節(jié)能優(yōu)化的重要策略。一方面，HVAC可以利用使用時間電價的差異來在電網(wǎng)低谷期間存儲“廉價能源”。在熱需求的高峰期，釋放的熱量被釋放以滿足空調(diào)負載的要求。茶館內(nèi)部相變的潛熱也可以使用低溫顯熱來降低系統(tǒng)運行的成本。另一方面，地源熱泵的使用在冬季實現(xiàn)了節(jié)能傳熱的最佳效果。地源熱泵使用水作為載體并用于HVAC系統(tǒng)。通過地源熱泵機組系統(tǒng)，在夏季，地?zé)崮埽吹叵滤蛲寥罒崮埽┍粋鬟f到待供應(yīng)的建筑物內(nèi)部。在冬季，建筑物中的熱量可以通過熱泵單元系統(tǒng)傳遞到淺層地層。它是一種新型的暖通空調(diào)設(shè)備，充分利用地下水或地下土壤的恒溫，全年保持恒溫。通過蓄熱溫差與地源熱泵系統(tǒng)，茶樓圍護建筑巧妙應(yīng)用季節(jié)差異和熱力學(xué)原理，在節(jié)能的基礎(chǔ)上，達到自適應(yīng)的蓄熱保溫效果。讓茶樓的保溫效果可以避免不同建筑材料的缺陷。

3.2 循環(huán)建構(gòu)與新風(fēng)系統(tǒng)

通過茶樓維護建構(gòu)形態(tài)與新風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)合，能夠使暖通空調(diào)的通風(fēng)效果更好，并能夠達到既通風(fēng)又采暖的效果。使用基于熱力學(xué)的循環(huán)熱傳導(dǎo)和HVAC系統(tǒng)，高壓、高流量風(fēng)扇和機械強度用于從一側(cè)向內(nèi)部供應(yīng)空氣。在系統(tǒng)中形成新鮮空氣流場，另一側(cè)通過專門設(shè)計的排氣扇排出到外部?；诖?，進入房間的空氣經(jīng)過過濾，消毒，滅菌，充氣和預(yù)熱，同時供應(yīng)空氣。不過，新風(fēng)系統(tǒng)僅僅針對茶樓冬天時的室內(nèi)通風(fēng)及溫差調(diào)節(jié)。因此，在茶樓維護建筑上進行循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建，在夏季達到自然通風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。將茶樓維護建筑進行風(fēng)力折射形態(tài)構(gòu)建，以多邊形內(nèi)壁或直入形玄關(guān)，以達到風(fēng)力自然流通，在室內(nèi)形成具有建筑物包絡(luò)結(jié)構(gòu)作為發(fā)散點的“新風(fēng)流場”。并且建筑圍護與新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，都必須在熱力學(xué)基礎(chǔ)上保溫采暖上進行，滿足室內(nèi)外溫度和氧氣新鮮度的雙重標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 變頻技術(shù)與熱力能耗

在正常情況下，茶館的暖通空調(diào)系統(tǒng)只能按照預(yù)先設(shè)計的額定功率運行，在低熱負荷的情況下，如果設(shè)備仍然在額定功率下滿負荷運行，那么能源浪費是不可避免的。通過在HVAC系統(tǒng)中應(yīng)用變頻技術(shù)，可以根據(jù)負載的變化調(diào)節(jié)空調(diào)的輸出功率，并且可以發(fā)揮節(jié)能減排效果。結(jié)合茶館的建筑結(jié)構(gòu)和空調(diào)的實際負荷條件，適當(dāng)改變風(fēng)流量或水流量，以達到節(jié)能目標(biāo)。結(jié)合新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)的終端裝置用于實現(xiàn)室內(nèi)負荷的補償機制，最佳調(diào)節(jié)供氣量以保持適宜的室內(nèi)溫度。與恒定風(fēng)量系統(tǒng)相比，可變風(fēng)量系統(tǒng)可節(jié)省約50%；此外，通過HVAC下的可變水系統(tǒng)，主要通過控制數(shù)量來調(diào)節(jié)熱溫度。通過在變頻技術(shù)中應(yīng)用熱力學(xué)，不僅降低了HVAC本身的加熱能耗；也解決了室內(nèi)的植物和人員因二氧化碳排放增多而造成的偽熱力效能提高的問題。

4 結(jié)論

在研究茶館建筑圍護結(jié)構(gòu)與暖通空調(diào)系統(tǒng)相互作用的基礎(chǔ)上，本文以熱力學(xué)為出發(fā)點，全面提高了茶館暖通空調(diào)的節(jié)能優(yōu)化水平。在現(xiàn)代智能暖通空調(diào)的研發(fā)下，暖通空調(diào)的強度越來越大、熱力耗能卻越來越少。以茶學(xué)生態(tài)為方向，我國暖通空調(diào)能量系統(tǒng)在茶樓中的應(yīng)用越發(fā)完善適宜。