茶馆建筑围护结构与暖通空调系统能量系统的热力学基础研究

孟童

（华北水利水电大学，河南郑州 450046）

1 茶楼建筑围护结构

1.1 茶楼内部保温结构

茶楼为契合古色古香的设计样式，多以木质材料作为茶楼的围护结构材料。有些茶楼为增加古朴韵味，将外围的围护窗户换成镂空布艺雕花窗。这类茶楼在夏天时，散热效果较好。但到了冬天，茶楼的木质材料和镂空布窗，无法抵挡严寒天气，即建筑内部保温结构较差。基于此，部分地区茶楼采用大性能暖通空调作为解决方案，但在维护结构不完善、本就寒冷的内部空间里，空调的能耗会大大加大；其余地区因无法支付大能耗的费用，将茶楼内部增加隔热层，在不影响茶楼美观的基础上增加保温能效和蓄热水平。少数现代化茶楼，以高强度的水泥钢筋材料为围护，保温结构较木制茶楼更好，但这类“城市化”的茶楼往往无法散热，热能储存循环功能较差。基于热力学基础上暖通空调能量系统在茶楼建筑围护中的应用，必须将不同材料的茶楼进行综合评比，设计出最符合现代社会气候和各地区湿度、风向的茶楼结构。

1.2 茶楼外部通风系统

暖通空调能够在茶楼内部形成空气循环圈，通过采暖、排气保持茶楼内部的温度一致，与此同时对应的，茶楼外部必须要有能够适应自身结构的外部通风系统。一方面，根据不同地区的风向、地理位置的不同，通过结构上的设计形成自然通风。这类通风方式能够大大减少材料能耗，仅依靠建筑结构就能够形成一套完整的通风系统，例如重庆等地的吊脚茶楼。基于我国亚热带季风气候的分布较广，季度性风向不一，自然通风系统无法在整年都发挥作用。茶楼外部通风系统的设置至关重要。另一方面，茶楼外部的通风系统要与茶楼内部的暖通空调系统相联结，通过暖通空调的循环热能进行集中动力式通风。并在外部建造除暖通空调外的另一加强循环系统，保证茶楼内部的空气流畅度和氧气含量。

1.3 自适应区域化结构

自适应区域化结构指的是各个茶乡民族地区因自身民族风俗、地理位置等不同，而出现的自适应茶乡民族地区的特殊区域结构。例如广西桂林的园林式茶楼，根据桂林当地的湿度气候，采用木制和石板共同结合的维护结构，既稳固通风，又可保温散热。例如重庆、广西等地区水域的吊脚茶楼，这类半干栏式建筑既可以避免因过度潮湿导致的房内空气湿度较大，又能在夏季形成穿堂风、在冬季形成隔热层，节约室内暖通空调能量损耗。随着城市化的加深，自适应的特殊区域化结构已越来越少，取而代之的是现代商业建筑类茶楼。这类茶楼的暖通空调能量损耗较大，热力学开放系统较弱，环境与系统之间无法形成强大的有机整体。在无法改变城市茶楼现有建筑形态和围护方式的基础上，必须升级暖通空调能量系统，在节能的同时保持高强度的蓄热通风功效。

2 暖通空调能量系统

2.1 采暖分析

暖通空调加热系统良好，蓄热能力不断提高。但在我国资源供给分配不足的情况下，部分大城市的暖通空调耗能过大，产生了资源浪费。热介质传质系统是HVAC的重要组成部分，传热方式和材料选择将影响节能问题。在茶楼的围护结构中，安装热能运输流通管道。并且尽量在不破坏建筑物的基础上，增加隐形驱动系统。此外，增加的系统必须是具有良好电力系统负荷特性，高运行效率，大温差和流变速度的供水管道。使用合理有效的动力设备，提高传动效率，建立良好的暖通空调运行结构。根据热力流通下系统管道的修建，暖通空调在不降低采暖效果的同时，提高了空调节能效果。

2.2 通风分析

我国部分山区茶乡因纬度、地形原因而导致空气干燥、风力不流通的地区，无法靠茶楼围护建筑的自身适应性进行自然通风，只能依靠空调系统进行排气通风。但空调通风的基础上，也要以茶楼建筑的适应性为基点。在部分人流量较大的茶楼，通风系统不仅要保持室内含氧量，还要兼具除尘、蓄热的功效，即在通风的基础上，不影响热力能效。暖通空调的通风系统大多设置三级及三级以上的过滤器，并根据茶楼环形矩形围护结构、材料来调配风力循环走向。

2.3 空气调节分析

茶楼内部暖通系统的应用，虽然能够弥补因围护结构不足而导致的热力损耗，但室内空气质量，必须经过实时监测和人为调整，无法达到通风与采暖的平衡点。过度使用空调，也会使室内的空气含氧量降低，人体大脑产生不适感。因此，保持一个适度、平衡的空气状态和温度状态，是现阶段各茶楼的主要考虑重点。在现代暖通空调系统中，变频技术的应用可以弥补空气调节过程中出现的能耗问题，降低某些特殊区域茶馆建筑的运行成本。但变频技术如何在茶楼建筑内开展和运行，必须经过热力学的测算和暖通空调的系统调节基础上设计。

3 热力学基础上茶楼节能优化策略

3.1 蓄热温差与地源热泵

蓄热温差与地源热泵，是在热力学因子基础上茶楼节能优化的重要策略。一方面，HVAC可以利用使用时间电价的差异来在电网低谷期间存储“廉价能源”。在热需求的高峰期，释放的热量被释放以满足空调负载的要求。茶馆内部相变的潜热也可以使用低温显热来降低系统运行的成本。另一方面，地源热泵的使用在冬季实现了节能传热的最佳效果。地源热泵使用水作为载体并用于HVAC系统。通过地源热泵机组系统，在夏季，地热能（即地下水或土壤热能）被传递到待供应的建筑物内部。在冬季，建筑物中的热量可以通过热泵单元系统传递到浅层地层。它是一种新型的暖通空调设备，充分利用地下水或地下土壤的恒温，全年保持恒温。通过蓄热温差与地源热泵系统，茶楼围护建筑巧妙应用季节差异和热力学原理，在节能的基础上，达到自适应的蓄热保温效果。让茶楼的保温效果可以避免不同建筑材料的缺陷。

3.2 循环建构与新风系统

通过茶楼维护建构形态与新风系统的结合，能够使暖通空调的通风效果更好，并能够达到既通风又采暖的效果。使用基于热力学的循环热传导和HVAC系统，高压、高流量风扇和机械强度用于从一侧向内部供应空气。在系统中形成新鲜空气流场，另一侧通过专门设计的排气扇排出到外部。基于此，进入房间的空气经过过滤，消毒，灭菌，充气和预热，同时供应空气。不过，新风系统仅仅针对茶楼冬天时的室内通风及温差调节。因此，在茶楼维护建筑上进行循环系统的构建，在夏季达到自然通风的标准至关重要。将茶楼维护建筑进行风力折射形态构建，以多边形内壁或直入形玄关，以达到风力自然流通，在室内形成具有建筑物包络结构作为发散点的“新风流场”。并且建筑围护与新风系统的设计，都必须在热力学基础上保温采暖上进行，满足室内外温度和氧气新鲜度的双重标准。

3.3 变频技术与热力能耗

在正常情况下，茶馆的暖通空调系统只能按照预先设计的额定功率运行，在低热负荷的情况下，如果设备仍然在额定功率下满负荷运行，那么能源浪费是不可避免的。通过在HVAC系统中应用变频技术，可以根据负载的变化调节空调的输出功率，并且可以发挥节能减排效果。结合茶馆的建筑结构和空调的实际负荷条件，适当改变风流量或水流量，以达到节能目标。结合新风变风量系统，空调系统的终端装置用于实现室内负荷的补偿机制，最佳调节供气量以保持适宜的室内温度。与恒定风量系统相比，可变风量系统可节省约50%；此外，通过HVAC下的可变水系统，主要通过控制数量来调节热温度。通过在变频技术中应用热力学，不仅降低了HVAC本身的加热能耗；也解决了室内的植物和人员因二氧化碳排放增多而造成的伪热力效能提高的问题。

4 结论

在研究茶馆建筑围护结构与暖通空调系统相互作用的基础上，本文以热力学为出发点，全面提高了茶馆暖通空调的节能优化水平。在现代智能暖通空调的研发下，暖通空调的强度越来越大、热力耗能却越来越少。以茶学生态为方向，我国暖通空调能量系统在茶楼中的应用越发完善适宜。