生态建筑的节能精细化设计

张易文 杨敏 韩磊

摘要：为了减少生态建筑系统的能源消耗量、提升建筑的空间利用率，从建筑节水和建筑节电2个角度对生态建筑空间进行精细化规划分析。根据建筑施工面积和服务器的CPU大小对建筑施工用水请求进行分配，利用液位传感器对建筑用水进行控制，构建节水型建筑循环水系统服务器耗能模型，完成生态建筑节水设计;利用太阳能光伏发电技术将太阳能转化成电能，以太阳能电池组件和光伏发电逆变器为研究目标，计算电池容量，构建光伏发电逆变器状态方程，完成建筑光伏发电设计，实现建筑的空间精细化规划。结果表明，所提方法水能源消耗量为180～400 J，电能源消耗量为180～210 J，生态建筑空间利用率最高可達到80%。基于光伏发电的节电、节水精细化方案降低了能源消耗，提高了空间利用率，扩大了建筑空间格局，对建筑生态节能及可持续发展研究具有一定的借鉴价值。

关键词：节能技术;生态建筑;光伏发电;精细化;能源消耗

中图分类号：TM615文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx04009

Energy-saving refined design of ecological building

ZHANG Yiwen1，YANG Min2，HAN Lei3

（1.Infrastructure Construction Department，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，Jiangsu  210016，China;2.Architects & Engineers Company Limited， Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210018，China;3.Jiangsu Meicheng Architectural & Planning Design Institute Company Limited，Nanjing，Jiangsu 210018，China）

Abstract：In order to reduce the energy consumption of sustainable ecological building system and improve the utilization rate of building space， the refined planning and analysis of ecological building space were carried out from two aspects of building water saving and building power saving. According to the building construction area and server CPU size， the construction water demand was distributed， then the liquid level sensors were applied to control building water use， and the server energy consumption model of water-saving building circulating water system was constructed. Finally， the water-saving design of sustainable ecological energy-saving building was completed. The solar radiation was converted into electrical energy by using solar photovoltaic power generation technology. Taking solar cell components and photovoltaic power generation inverters as the research objects， the solar cell capacity was calculated， and the state equation of photovoltaic power generation inverter was constructed to complete the building photovoltaic power generation design， thereby the refined spatial planning of the building was achieved. The results show that the water energy consumption of the method is 180～400 J and the electric energy consumption is 180～210 J. The space utilization rate of ecological energy-saving building can reach up to 80%. The proposed refined scheme of power and water saving based on photovoltaic power generation reduces energy consumption， improves space utilization rate， and expands the building space pattern. The results have a certain reference value for the research of building ecological energy-saving and sustainable development.

Keywords：energy-saving technology;ecological building;photovoltaic power generation;refinement;energy consumption

生态建筑的发展不仅能带来重大经济效益和社会效益[1]，还能够有力促进建筑技术水平的提高。倡导建筑向绿色生态方向发展对实现经济社会的发展具有重要意义[2-3]。生态建筑的空间规划设计一般都要综合考虑空间环境、物理环境、建筑节水、建筑节电等因素[4]。王晓晶等[5]设计了保障舒适度的城市建筑电力节能系统，指出城市建筑用电系统的能耗组成，建立相应的能耗指标。研究城市建筑舒适度的内涵，并分析舒适度随季节、天气、温度、人流量等因素变化所带来的不确定性，在此基础上，建立热舒适度、光舒适度和乘梯舒适度指标，指出城市建筑节能优化是具有不确定性因素的问题，不能以降低用户舒适满意度为代价，并建立以用电系统总能耗最小为目标函数，以舒适度为满足给定置信度水平的机会约束条件优化模型，采用改进PSO算法对优化模型进行求解，完成城市建筑电力节能系统优化设计，但是该方法的建筑空间利用率较低;倪晓晨等[6]以建筑群空调水系统为研究对象，在总结出设计功能和实际使用模式的偏差，建筑循环水系统服务器长期工频运行的基础上，分析了节水技术和节能技术在建筑给排水系统中的应用情况，但该方法可操作性较差;王劭辉[7]提出太阳能光伏与建筑一体化技术，通过利用太阳能资源，介绍了太阳能光伏建筑一体化中电池组件设计选取的方式，证明其具有清洁、环保、安全的优点，符合绿色建筑的要求，并对其在建筑中的应用进行了分析，以推动绿色建筑的发展。

笔者通过构建节水型建筑循环水系统服务器耗能模型、计算太阳能电池容量和建立光伏发电逆变器状态方程，完成建筑节水和节电设计，使生态建筑得到良好的社会效益和经济效益，从而增加建筑的空间利用率，提高建筑的整体空间格局。第4期张易文，等： 生态建筑的节能精细化设计河北工业科技第38卷

1生态建筑空间规划

“建筑空间”是一个相对动态、开放的概念。它不能用精确的数字对建筑空间进行定义，而是利用新结构体系、新材料、新技术不断更新建筑空间，使其空间格局逐渐变大。本文从建筑节能技术的角度对生态建筑空间进行精细化规划分析，重点考虑建筑节水和建筑节电问题[8-9]。

1.1建筑节水设计

在生态建筑节水的设计中，耗能大、潜力大、管理难度大是水能资源的显著特征，以此，构建节水型建筑循环水系统服务器耗能模型。利用液位传感器对建筑用水进行控制，减少输水管线排布空间，降低用水消耗。通常把节水型建筑循环水系统的1台服务器消耗的总能量定义为服务器功率与时间的乘积，如式（1）所示。

E=Pt，（1）

式中：E为1台服务器在时间t内消耗的总能量;t为服务器运行的时间;P为服务器的功率。物理服务器消耗的能量主要由静态功耗和动态功耗组成，静态功耗比较稳定，动态功耗主要由物理资源所消耗[10]。

当1个建筑施工用水请求分配到1台服务器上时，服务器的CPU利用率会上升，同时服务器的耗能也会相应增加。建筑施工用水请求的分配按照建筑施工面积和服务器的CPU大小来分配。当建筑施工面积成功分配到服务器上后，可将增加的CPU利用率形式简化为vm/pm。所以，当1个建筑施工面积成功分配后，服务器增加的能耗定义如式（2）所示。

ΔE=Ee-Es=

（kPmax+（1-k）Pmaxue-

（kPmax+（1-k）Pmaxus））（te-ts）=

（Pmax-kPmax）（ue-us）（te-ts） ，（2）

式中：ΔE为服务器增加的能耗;Es是服务器CPU利用率为us时的服务器耗能;Ee是服务器的CPU利用率为ue时的服务器耗能;（ue-us）即为vm/pm;te和ts分别为建筑施工执行结束时间和开始时间;Pmax是服务器满负载时的最大耗能;k为服务器空闲时的耗能与服务器满负载时耗能的比;u为服务器CPU的利用率。

1台服务器的能耗包括服务器上所有建筑施工用水消耗的能耗与服务器本身消耗的能耗总和。在这里，服务器本身的耗能Epm和所有建筑施工用水的耗能Evm定义分别由式（3）和式（4）所示。

Epm=kPmax（toff-ton） ，（3）

Evm=∑ni=1ΔEi ，（4）

式中：toff為服务器关机时间;ton为服务器开机时间。

数据中心的总耗能Edc定义为

Edc=∑nj=1ΔEi+∑mi=1∑mi=1Epm，i ，（5）

式中：Epm，i为第i个物理服务器空闲时的耗能;∑mi=1∑mi=1Epm，i为第i个物理服务器上所有建筑施工用水的耗能总和。

与其他系统资源相比，服务器的耗能会随着负载的不同而呈现变化，因此CPU的利用率与服务器的功率有很大关系。随着CPU利用率的增长，服务器电源消耗也呈线性增长。因此节水型建筑循环水系统服务器耗能模型的定义如下：

P（u）=kPmax+（1-k）Pmaxu。（6）

综合上述分析，完成生态建筑节水设计。

1.2建筑节电设计

太阳能作为新兴的再生能源，安全环保，光伏建筑一体化是应用太阳能进行发电的新概念。光伏发电技术利用太阳能发电，是可再生能源技术，利用光伏电池光伏效应，把太阳能直接转化成电能[11]。生态建筑表面的光伏发电系统，能够成为太阳辐射接受面，电能自发自用，无需占用额外的土地，减少电力管线排布空间，节省建筑内部空间占地，降低了电力的损耗，极大地提升了建筑空间利用率。光伏发电精细化集成整体设计如图1所示。

经过太阳的照射，太阳能电池方阵所产生的直流电通过逆变器转化为交流电，在夜间，光伏系统不能产生电能，发电系统处于待机状态。依据负荷分析以及耗电计算，光伏系统装机容量无法满足建筑的用电负荷，针对这种情况，以太阳能电池组件和光伏发电逆变器为研究目标，对生态建筑光伏发电改进设计进行描述。逆变器等效电路设计如图2所示。

在图2中，有8个功率开关组件T1-T8，实现逆变器的转换功能，L1-L3是三相桥臂上等效滤波电感，图中的Ln是增加桥臂上等效滤波电感，C1-C3是三相桥臂上等效滤波电容，R1-R3是光伏逆变器模拟负载。光伏逆变器的控制框图如图3所示。

在光伏逆变器控制模块设计中，以DSP为主控制单元，根据双闭环控制构架，处理器选取TI公司的TMS320LF2812。处理器的事件管理模块包含定时器、PWM单元、比较器以及捕获单元。通过该芯片中4个ePWM单元，给主电路4个桥臂提供脉冲输出，以控制8个功率器件，利用此芯片检测信号输出并进行数据分析。

电压和电流采样通过电压和电流的传感器实现。首先确定太阳能电池容量。在考虑光伏方阵功率、逆变器转换效率和负载容量的条件下，为满足在阴雨天气持续供电的要求，应提高光伏发电系统的直流电压，减少线路损耗，实现光伏发电的生态建筑空间精细化规划[12-13]，则利用式（7）确定光伏发电系统的直流电压。

C=TdKWpLU ，（7）

式中：C代表太阳能电池容量;Td代表太阳能电池自给天数;K代表太阳能电池放电效率的修正系数，一般取值为1.05;Wp代表负载平均耗电量;L代表太阳能电池维修保养率，一般取值为0.8;U代表太阳能电池放电深度，一般取值为0.5。

其次，对光伏发电逆变器进行分析，建立光伏发电逆变器状态方程。通过对各个桥臂占空比进行确定，以此提高光伏发电集成的稳定性，则占空比为Dii=A，B，C，n 。得到输入电压ud与各个相的输出电压间关系为

uA=DAud，

uB=DBud，

uC=DCud，

un=Dnud。 （8）

通过电路的工作原理，A，B，C三相桥臂上输出的电压为

uAn=uA-un=L1diAdt+uA-Lndindt，

uBn=uB-un=L2diBdt+uA-Lndindt，

uCn=uC-un=L3diCdt+uA-Lndindt，

iA+iB+iC+in=0， （9）

式中：iA，iB，iC代表A，B，C相的电流;in代表中性点桥臂的电流;un代表第4个桥臂上的电压。光伏发电系统输出的电压随着负载的变化而变化，仅需对其相应桥臂驱动通断进行控制，进而实现电压的稳定性控制[14-15]。根据对A，B，C三相桥臂上输出的电压进行分析，利用解耦控制法来实现逆变器的控制。将4个桥臂上等效滤波电感当作输入电源内部阻抗，根据引入增量的办法把中线阻抗值转换为零，将其他的三相阻抗等效成较低的阻抗值。进行解耦时，在A，B，C三相每相串相应电压增量ΔuAn，ΔuBn，ΔuCn，利用求解增量的系数使unn=0，unn代表中线输出和参考点之间的电压。通过上述得知，解耦目标为unn=0。假设kp，kn，kl 3个系數满足约束条件，那么能够实现三相解耦。其中，解耦之后输出的三相中，每相阻抗值降为原来的1/（kp+1），则光伏发电逆变器状态方程为

kl=kn-0.4/kp 。（10）

通过对太阳能电池组件和光伏发电逆变器的设计，弥补了连续阴雨天气造成的太阳能供给不稳定性，完成了生态建筑光伏发电系统设计。

本文通过对建筑用水进行合理控制，减少了水能源消耗;利用太阳能可再生技术把太阳辐射转化成电能，减少了对公共电网的用电量需求，减少了非可再生能源消耗量，无需占用额外的土地而完成建筑的用电优化，积极开发太阳能可再生技术，节省了建筑空间占地，有效实现了生态建筑空间精细化规划设计。

2仿真分析

为了证明生态建筑空间精细化规划方法的有效性，利用Matlab仿真工具，在Microsoft Windows XP操作系统，Intel（R）Celeron（R） 2.6 GHz处理器，24 GB内存的环境下搭建实验平台，实验数据取自于某生态建筑。实验参数设置如下：kp=0.05，在确定零相电感的情况下，kl=2。由式（10）可得kn=0.5。图4为光伏发电三相中A相和B相电压波形图。

由图4可知，光伏逆变器输出的三相中A，B两相的电压波形畸变率较小，发电系统可以平稳运行，证实了所提方法具有稳定性。

为了验证本文方法的有效性，验证水能源和电能源的消耗量，通过实验平台获取仿真数据，并与文献[5]方法、文献[6]方法和文献[7]方法的生态建筑的水能源和电能源消耗量进行对比，分析结果如图5所示。

根据图5 a）可知，本文方法的生态建筑水能源消耗量为180～400 J，比文献[5]方法、文献[6]方法和文献[7]方法的生态建筑水能源消耗量低。根据图5 b）可知，随着迭代次数的增长，本文方法的生态建筑电能源消耗量为180～210 J，比文献[5]方法、文献[6]方法和文献[7]方法的生态建筑电能源消耗量低。说明本文方法可以降低生态建筑能源消耗量。

为了进一步证明本文方法的有效性，对文献[5]方法、文献[6]方法和文献[7]方法的生态建筑空间利用率进行对比分析，对比结果如图6所示。

根据图6可知，随着迭代次数的增长，本文方法的建筑空间利用率呈现逐渐上升的状态，最高可达到80%，而文献[5]方法、文献[6]方法和文献[7]方法的建筑空间利用率呈现先上升再下降的趋势，本文方法的建筑空间利用率比文献[5]方法、文献[6]方法和文献[7]方法的建筑空间利用率高，且具有较高的稳定性，说明本文方法可以有效提高建筑整体空间格局。

3结语

生态建筑是建筑领域中新的研究热点，是建筑业技术进步的重要标志，也是贯彻国家发展战略的关键问题。笔者提出了基于光伏发电的生态建筑空间精细化规划方法。

1）以建筑节水、建筑节电2项节能技术为视角，规划分析生态建筑空间。

2）通过液位传感器来控制建筑用水，根据建筑面积和服务器CPU的大小来分配建筑用水请求，再根据分配结果建立节水型建筑循环水系统服务器的能耗模型，完成生态建筑节水设计，减少排水管排布空间，降低用水量。

3）采用太阳能光伏发电技术，将太阳能转化为电能，以太阳能电池组件和光伏逆变器为研究对象，计算太阳能电池容量，建立光伏逆变器状态方程，完成生态建筑节电设计。

在电压波形稳定的基础上，以水能源和电能源消耗量为实验指标，对能源消耗和建筑空间利用率进行考察。结果显示：与传统方法对比，本研究的生态建筑水能源消耗和电能源消耗量最低;建筑空间利用率呈现出逐步提高的趋势，最高可达80%，具有更高的稳定性。

随着人们生态节能理念的改变和认知的不断深入，对生态节能的研究将会更加广泛。本研究具有一定的局限性，在建筑空间规划用时和空间方面还有待进一步研究。

参考文献/References：

[1]臧鑫宇，王峤，陈天.生态城绿色街区可持续发展指标系统构建[J].城市规划，2017，41（10）：68-75.

ZANG Xinyu，WANG Qiao，CHEN Tian.The construction of sustainable development indicator system for green blocks in eco-cities[J].City Planning Review，2017，41（10）：68-75.

[2]张堙，魏志远，王馨，等.负荷特性对蓄能型建筑热电联供系统节能率的影响[J].工程热物理学报，2019，40（3）：656-660.

ZHANG Yin，WEI Zhiyuan，WANG Xin，et al.Influence of load characteristics on energy saving ratio for TES-BCHP system[J].Journal of Engineering Thermophysics，2019，40（3）：656-660.

[3]李玮，郭汉丁.既有住宅建筑节能改造业主内源动力研究综述[J].土木工程与管理学报，2019，36（4）：203-211.

LI Wei，GUO Handing.Summary of research on endogenous dynamics of owners of energy-saving renovation of existing residential buildings[J].Journal of Civil Engineering and Management，2019，36（4）：203-211.

[4]贾志峰，胡鹏娟.基于建筑规划设计节能研究[J].建材与装饰，2016（35）：98-99.

[5]王晓晶，陈星莺，余昆，等.保障舒适度的城市建筑电力节能优化[J].现代电力，2019，36（4）：38-47.

WANG Xiaojing，CHEN Xingying，YU Kun，et al.Energy saving optimization of urban buildings considering comfort degree[J].Modern Electric Power，2019，36（4）：38-47.

[6]倪晓晨，狄育慧，冯璐，等.既有公共建筑群冷熱源动力中心循环水系统运行状况分析[J].制冷与空调，2019，33（2）：128-134.

NI Xiaochen，DI Yuhui，FENG Lu，et al.Investigation and analysis of operation condition of circulating water system in a public building group[J].Refrigeration and Air Conditioning，2019，33（2）：128-134.

[7]王劭辉.太阳能光伏发电与建筑一体化技术在节能建筑中的应用[J].绿色环保建材，2018（5）：50.

[8]张建涛，陈思思，谷凯.城市形态过程视角下工业生活区空间格局演进——郑州国棉三厂生活区为例[J].南方建筑，2019（4）：91-96.

ZHANG Jiantao，CHEN Sisi，GU Kai.Evolutionary study of the spatial pattern of residential areas from the perspective of the urban morphological process：A case study of residential areas of No. 3 state-owned textile factory，Zhengzhou[J].South Architecture，2019（4）：91-96.

[9]徐宁.效率与公平视野下的城市公共空间格局研究——以瑞士苏黎世市为例[J].建筑学报，2018（6）：16-22.

XU Ning.A study on the pattern of urban public space based on efficiency and equity：A case study of Zurich，Switzerland[J].Architectural Journal，2018（6）：16-22.

[10]何成，朱丽，田玮.城市建筑布局的能耗敏感性分析[J].哈尔滨工业大学学报，2018，50（4）：174-180.

HE Cheng，ZHU Li，TIAN Wei.Sensitivity analysis of urban building layout on energy consumption[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2018，50（4）：174-180.

[11]成奕雪，张炜，田浩，等.用于建筑节能的半透明光伏组件性能研究[J].新型建筑材料，2019，46（4）：88-90.

CHENG Yixue，ZHANG Wei，TIAN Hao，et al.Study on the performance of semi-transparent photovoltaic modules for building energy conservation[J].New Building Materials，2019，46（4）：88-90.

[12]王敏，茅鑫同，王鶴梅，等.基于Copula理论考虑光伏出力与负荷相关性的含光伏电站发电系统可靠性分析[J].科学技术与工程，2016，16（4）：54-59.

WANG Min，MAO Xintong，WANG Hemei，et al.Reliability analysis of generation systems with photovoltaic stations considering correlations based on Copula theory[J].Science Technology and Engineering，2016，16（4）：54-59.

[13]杨雪蛟，李征.家庭并离网一体光伏发电系统的能量管理策略[J].电子设计工程，2016，24（2）：112-116.

YANG Xuejiao，LI Zheng.Energy management strategy for domestic grid-connected/stand-alone integrated photovoltaicpower system[J].Electronic Design Engineering，2016，24（2）：112-116.

[14]欧阳聪，刘明波.考虑网络传输约束的并网光伏发电消纳容量计算[J].电力系统保护与控制，2016，44（5）：17-23.

OUYANG Cong，LIU Mingbo.Computing of accommodation capacity of grid-integrated photovoltaic generation considering network′s transmission constraints[J].Power System Protection and Control，2016，44（5）：17-23.

[15]杨帆，程坦.光伏发电系统中能效最优倾角的计算方法研究[J].科技通报，2016，32（1）：158-162.

YANG Fan，CHENG Tan.Calculation method of energy efficiency optimal dip angle in photovoltaic power generation system[J].Bulletin of Science and Technology，2016，32（1）：158-162.